Aspectos Normativos

Aspectos Normativos

VIBRACIONES MECÁNICAS Y DINÁMICA DE MÁQUINAS

Departamento de EstructurasFacultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales

Universidad Nacional de Córdoba

CAPÍTULO 13

1. Generalidades sobre normas, reglamentos y criterios.

2. Vibraciones en el cuerpo humano (Norma ISO 2631).

3. Vibraciones en máquinas:

• Aspectos normativos.

• Vibraciones características de máquinas.

TEMAS DE ESTUDIO

Evaluación de Vibraciones –Aspectos Normativos

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosUna vez realizada una campaña de medición de vibracionessurgen 2 preguntas:

• ¿ Son peligrosas o molestas estas vibraciones para el ser humano ?

• ¿ Pueden provocar estas vibraciones daño en máquinas y estructuras ?

El uso de la información sobre los “niveles aceptables devibración” requiere la especificación de:

• la variable medida: desplazamiento, velocidad, aceleración.

• el formato de los resultados: valor eficaz (VMC ó RMS) o valor pico (pico-pico, usado en general p/ desplazamiento, o cero-pico, usado para velocidad y aceleración).

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosNormas, Reglamentos y Criterios

• Norma IRAM 4078 – ámbito nacional.• Norma ISO 2631 – alcance internacional.

Las normas de referencia para la medición y evaluación devibraciones en el cuerpo humano son:

• Reglamentos municipales.• Leyes provinciales o nacionales (Ley Nacional N° 19587:

Ley de Higiene y Seguridad en el Trabajo).• Criterios especificados por “fabricantes de máquinas”:

niveles de vibración máximos admisibles en el punto de instalación para su correcto funcionamiento.

Otras herramientas importantes basadas en normas y adaptadas a factores locales y condiciones específicas son:

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVibraciones en el cuerpo humano

La principal norma internacional referida a la exposición delcuerpo humano a vibraciones es la ISO 2631 (la adaptacióna nuestro país es la IRAM 4078). Esta norma define los ejesen que debe medirse el nivel de vibración, el valor eficaz deaceleración como magnitud a medir y el método de medición.

1. Amplitud de las vibraciones.2. Frecuencia de las vibraciones (resonancia de órganos).3. Dirección de las vibraciones.4. Tiempo de exposición.

Los principales factores en la evaluación de la respuesta delcuerpo humano a las vibraciones son:

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosModelo vibratorio del cuerpo humano: los rangos sensibles de vibración están asociados a la resonancia de ciertos órganos.


1. Límite de comodidad (preservación del confort).2. Límite de fatiga (eficiencia en el trabajo).3. Límite de exposición (seguridad y salud).

Los límites de vibración establecidos en la norma son:

Las Figuras IV.3.1 y IV.3.2 muestran los ejes de medición ylas curvas asociadas a los criterios establecidos por la norma.

La ley de Higiene y Seguridad adopta las curvas correspon-dientes a las 8 horas de exposición de la norma ISO 2631(y la IRAM 4078 de nuestro país).


1 g

0.1 g


La norma ISO 5349 (e IRAM 4097) corresponde a vibracionestransmitidas a manos y brazos. El uso de herramientas comomartillos neumáticos, amoladoras de mano o motosierras pue-den provocar afecciones en la mano y antebrazo.

Las normas reconocen la complejidad del tema, y cierto des-conocimiento en algunos aspectos sobre los desórdenes queel nivel de exposición de las vibraciones provoca sobre lasfunciones biológicas.

Las normas describen el método de medición y el instrumentala utilizar, y definen la “aceleración contínua equivalente” comoparámetro de comparación.


1. Contenido de frecuencias (espectro) de la vibración.2. Intensidad de la vibración transmitida.3. Dirección de la vibración.4. Duración y modo de exposición por jornada de trabajo.5. Posición de manos, brazos y cuerpo durante la exposición.6. Método de trabajo.7. Tipo de herramienta utilizada y sus condiciones de

mantenimiento.8. Parte de la mano expuesta a la vibración.9. Condiciones climáticas.10. Preexistencia o propensión a enfermedades que afecten la

circulación sanguínea.

Las normas reconocen factores que afectan la severidad de lasvibraciones sobre funciones biológicas:

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVibraciones en estructuras y máquinas

Las normas especifican los valores admisibles de vibración casisiempre a través de gráficos o ábacos, que representan en uneje la frecuencia y en el otro desplazamiento, velocidad o ace-leración de la vibración.

Un conjunto de curvas trazadas sobre este diagrama delimitanzonas que clasifican el nivel de vibraciones de acuerdo a su ca-pacidad de producir daño: el resultado de una medición (ampli-tud y frecuencia) define un punto sobre el diagrama que permi-te evaluar su nivel de acuerdo a la zona en la que se ubica.

Las norma ISO 2372 constituye una referencia en la evaluaciónde vibraciones en máquinas, donde las Figuras IV.2.1 y IV.2.2muestran los gráficos correspondientes a los “criterios típicos”sobre evaluación de vibraciones en máquinas y estructuras.


B

D

(1.67 Hz) (167 Hz)(16.7 Hz)

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosSeveridad de vibraciones en máquinas

El nivel de vibración estándar de una máquina se establece en funcióndel desplazamiento, velocidad o aceleración dependiendo del tipo deestándar y del rango de frecuencias, entre otros factores.

La velocidad se usa normalmente en la clasificación de la vibración demáquinas nuevas y usadas en el rango entre 10 y 1000 Hz (medias).

De todos modos, un diagnóstico para indicar la fuente de vibraciónque produce la falla requiere la medición de la frecuencia.

El valor pico de velocidad de vibración y su RMS (valor medio cuadrá-tico) se usan para establecer la severidad de una vibración. En general,la vibración se caracteriza con el mayor valor obtenido de medicionesrealizadas en puntos y direcciones preestablecidos por normas espe-cíficas para cada tipo de máquina.

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosEl valor pico y el RMS pueden usarse indistintamente para clasificarel nivel en casos de “vibración armónica simple”. Sin embargo, el usode estos índices produce resultados muy diferentes para máquinascon movimientos complejos por la forma de pesar el contenido defrecuencias de la vibración. Por ejemplo, el “mismo” valor pico puedeser obtenido en diferentes casos en los que las condiciones de vibra-ción son drásticamente diferentes. Ver gráficos en la diapositivaanterior.La simplicidad del uso del valor pico para evaluar el estado de unamáquina rotante se aprecia en el sistema de clasificación de la tablasiguiente válida en el rango entre 20 y 1000 Hz.

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosLa aparición de defectos que generan choques o impulsos vibratoriosdurante el funcionamiento del equipo produce que el valor pico sufraun incremento en relación al RMS que permanece insensible. Luego,la “generalización” de la falla en la máquina genera que la relaciónentre valores pico y RMS vuelvan a los valores originales. El análisissimultáneo de ambos valores permite establecer entonces un criteriopara evaluar la aparición de una falla.

El nivel de vibración de una máquina nueva se analiza fijando el valor extremo superior según su velocidad de rotación, y fraccionando elintervalo en relaciones de 1/3 entre sí (bandas) para definir escalonesdesde funcionamiento suave hasta condiciones de peligro de colapso.

El estándar general de la Figura 4.1 permite comparar las componen-tes de mayor amplitud para su evaluación cuando se filtran los regis-tros de vibración para diferentes rangos de frecuencia. Las medicionesse realizan en “carcazas de máquinas” y “porta-cojinetes”, y el valorde banda ancha que debe usarse para comparación es la velocidad.


(1.67 Hz) (167 Hz)(16.7 Hz)

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosLa Tabla 4.2 muestra otro sistema de clasificación también basado enla velocidad de vibración para máquinas rotatorias estacionarias.El valor de entrada corresponde al máximo que se obtiene midiendosobre las tres direcciones posibles del porta-cojinete.

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosLa Tabla 4.4 muestra un estándar para la clasificación de la vibraciónde grandes máquinas in situ con velocidades de operación entre 600 y1200 RPM (10 y 20 Hz). La medición de la velocidad se realiza en tresejes ortogonales sobre el porta-cojinete. Un soporte es blando (duro)si la frecuencia natural de la máquina apoyada en el mismo es menor(mayor) que la correspondiente a la velocidad de rotación.

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosEl nivel de desplazamiento representa un parámetro adecuado para laevaluación de la calidad de la fundación de una máquina. La siguientetabla da valores admisibles de vibraciones verticales y horizontales.

La Tabla 4.5 resulta aplicable para máquinas rotativas con velocidadde operación entre 10 y 1000 Hz.

Las resonancias estructurales de las bancadas o pedestales de la má-quina pueden producir vibraciones de grandes amplitudes que debe resolver el diseñador. Un funcionamiento alejado de resonancias se asegura conociendo los modos de vibración de la estructura de sosténde la máquina (incluso instalaciones sobre losas o montajes en vigas).

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosISO 10816 consiste en las siguientes partes, bajo el título general de Vibración Mecánica – Evaluación de la vibración de la máquina pormedición en partes no rotativas de ella.

Parte 1: Instrucciones generales.

Parte 2: Grandes conjuntos generador – turbinas a vapor con base a tierra sobre 50 MW.

Parte 3: Máquinas industriales con potencia nominal sobre 15 KW y velocidades nominales ente 120 rpm y 15000 rpm.

Parte 4: Conjuntos accionados por turbinas a gas.

Parte 5: Conjuntos accionados por máquinas hidráulicas en Plantas de generación de potencia y bombeo.

Parte 6: Máquinas alternativas con potencia sobre 100 kW.

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosISO 7919 consiste en las siguientes partes, bajo el título general de Vibración Mecánica – Evaluación de la vibración de la máquina pormedición en partes rotativas de ella.

Medición del desplazamiento de uneje con sensores relativos

Parte 1: Instrucciones generales.

Parte 2: Grandes conjuntos generador – turbinas a vapor con base a tierra sobre 50 MW con velocidades de 1500, 1800, 3000 y 3600 rpm.

Parte 3: Máquinas industriales . 1000 a 30000 rpm.

Parte 4: Conjuntos accionados por turbinas a gas.

Parte 5: Conjuntos accionados por máquinas hidráulicas en Plantas de generación de potencia y bombeo.

ISO 1940 Balanceo residual de rotores rígidos.


Ejemplo: Determine el desbalanceo residual de un ventilador cuyo rotor pesa 100 kg, está soportado entre dos cojinetes y su velocidad es de 1500 rpm.

Respuesta: según la tabla de la norma ISO 1940, el grado de calidad de balanceo para este rotor es G6.3

Donde: U es el desbalanceo [grmm](U=m.r) e es la excentricidad del rotor [mm] (e=m/M)

(2 / 60) 1500 157rad/seg6.3 /157 0,04mm

U=e M=4000grmme

Desbalanceo total. Si fueran dos planos hay que dividirlo por dos.


Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVibraciones características de máquinas rotantes

-Desbalanceo-Velocidades críticas (Ver Rao – Capítulo Control-Pág. 659 )

-Desalineación-Distorsión de carcasas-Roces internos-Solturas mecánicas-Correas-Turbomáquinas-Cojinetes-Rodamientos-Engranajes-Ventiladores-Cañerías-Máquinas eléctricas

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosDesbalanceo de rotores - Características

En el campo de la Dinámica de Rotores, una velocidad crítica es lavelocidad de rotación (del eje de una máquina) en la que se excitauna de las frecuencias naturales del sistema rotatorio. Se le confiereel carácter de crítica porque cuando se da esta excitación a lafrecuencia natural, el sistema experimenta vibraciones excesivas.

Velocidades críticas

FlexiónExcitación principal: Desbalanceo.

TorsiónExcitación principal: Alguna de la “n” componentes armónicas del Torque motriz o torque resistente.

Cuerpo rígido Cuerpo flexible

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVelocidades críticas - Características

FlexiónFormas modales de cuerpo rígido

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVelocidades críticas- Características

FlexiónFormas modales de cuerpo flexible

Velocidades críticas - Características

TorsiónFormas modales

Diagrama de interferencia de Campbell

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVelocidades críticas - Características

Ejemplo: Eje de un turbo compresor.

Turbina Compresor

Modelo dinámico

1XVelocidad de rotación

2XVelocidad de rotación

Fre

cuen

cia

Velocidad


Desalineación de ejes - Características

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosDistorsión de carcasas - Características

Causas

Efecto similar a la desalineación de ejes

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosSolturas mecánicas - Características

Solturas en anclajes de fundación

Solturas en anclajes de apoyos

Solturas entre un rodamiento y el eje o ente el eje y el alojamiento

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosRoces internos - Características

Solturas en anclajes de fundación

Axial

Radial

Combinado

Entre el gorrón del eje y el cojinete

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVibraciones en transmisión por Correas - Características

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVibraciones en Turbomáquinas- Características

En el punto de mayor eficienciael ángulo de salida del flujo esparalelo a las paredes internasdel difusor haciendo mínima laamplitud de las pulsaciones

Triángulo de velocidades

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVibraciones en Turbomáquinas - Características

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVibraciones en Cojinetes - Características

Además de problemas tales como solturas y roces, en estos casos puede producirse la inestabilidad de la película lubricante comúnmente conocida como “Oil Whirl” o reomolinode aceite.

Se produce cuando la fuerza tangencial producida por el aceite arrastra al eje. En el espectro aparece una componente sub-armónica de aproximadamente0,46 X .

Se observa una precesión del eje en el mismo sentido de la rotación

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVibraciones en Cojinetes - Características

E9 - TURBOBOMBA 9GT49GT4 -ECH COJINETE ENTRADA COMPRESOR H

Route Spectrum 09-DEC-97 21:30:52

OVRALL= 3.30 V-DG RMS = 3.29 LOAD = 95.0 RPM = 9433. RPS = 157.22

0 20000 40000 60000

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Frequency in CPM

RM

S V

eloc

ity in

mm

/Sec

1785

.633

67.2

4467

.8

7462

.389

33.4

9527

.8

1342

7.5

1399

8.7

1797

9.4

1846

1.2

Freq: Ordr: Spec:

4467.8 .474 2.921

Ejemplo Compresor: El cojinete de entrada delcompresor presentó un incremento gradual de lasvibraciones filtradas, de 4 a 10 mm/seg medido enla dirección horizontal y en menor magnitud en lasdirecciones vertical y axial a 4520 CPM o sea al 47%de la velocidad del compresor 9600 RPM (1X).

1X

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVibraciones en Rodamientos - Características

Pista exterior

Pista interior

Jaula

Bola

Frecuencias de falla de los rodamientos

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVibraciones en Rodamientos - Características

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVibraciones en Engranajes - Características

En un sistema de 2 engranajes, asumiendo un “engrane perfecto”,sin excentricidades ni efectos de deslizamiento, se presentan en elespectro 3 componentes de frecuencia distintas:

• f1: frecuencia de rotación del eje conductor (motor).• f2: frecuencia de rotación del eje conducido.• fe: frecuencia de engrane.

Sea Z1 el n° de dientes conductor y Z2 el n° de dientes conducido:

Si existe una excentricidad en algún eje, la amplitud correspondientea la fg aumentará y disminuirá en cada vuelta. Esta modulación de laamplitud (batido) produce “bandas laterales” a la frecuencia de la per-turbación (fg) y sus múltiplos. Excentricidades en el engranaje conduc-tor produce bandas laterales fg ± f1. Excentricidades en el engranajeconducido produce bandas laterales fg ± f2.

1 1 2 2 1 1 2 2e e ef Z f Z f f f Z f f Z

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosVibraciones en Engranajes - Características


La Asociación Americana de Fabricantes de Engranajes (AGMA)propone límites de vibración basados en amplitudes pico a pico.

25.4 12000 / rpm

La Figura 7.1 presenta el estándar de AGMA que establece:

• para bajas frecuencias (10~60 Hz) un límite dado por un valorconstante de desplazamiento de 50 micrones (pico-pico),

• para frecuencias intermedias (60~600 Hz) utiliza la relación:(velocidad cuasi-constante),

• y para frecuencias superiores a 600 Hz limita la vibración dela carcaza en un valor de 10 g de aceleración (0-pico).

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosEl American Petroleum Institute (API) establece límites de vibraciónpermisibles dados en la siguiente tabla.

Se recomienda que la velocidad crítica (frecuencia natural) de la uni-dad sea al menos un 20% menor o mayor que el rango de velocidadde operación para evitar la aparición de fenómenos de resonancia.


El desbalanceo causa daños estructura-les, ruido y vibraciones indeseables. Elrango de desbalanceo para forzadoresde torres de enfriamiento se define conla Figura 5.3, basada en condicioneseconómicas y de seguridad.

El desbalanceo se presenta en la fre-cuencia de rotación. Problemas aero-dinámicos pueden generarse con com-ponentes en la frecuencia de paso delas palas y sus múltiplos. Los vórticesde von Karman son un fenómeno quegenera una fuerza alternativa en direc-ción transversal al movimiento del fluido.

Vibraciones en Ventiladores - Características


Las variaciones de sección, bifurcaciones, válvulas, etc., que se pre-sentan en cañerías actúan como espejos de las ondas de presión pro-ducidas por fluctuaciones del fluido. El sistema se comporta como unmedio acústico que puede “resonar” en un amplio rango desde pocosHz hasta valores de 100 kHz en caso de presentarse cavitación.

La mitigación de estos fenómenos se realiza modificando las dimen-siones de la cañería, evitando estrechamientos grandes, variando lavelocidad de operación de la bomba o interponiendo un filtro acústicoentre la bomba y la cañería para amortiguar frecuencias resonantes.

Vibraciones en Cañerías - Características

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosEn el caso que el espesor del tubo t sea menor al 10% del diámetro Dy que la longitud de onda de variación de presión sea mayor a D pue-de encontrarse una relación entre la vibración radial de la pared delcaño y la presión (modos seccionales). La Figura 5.2 muestra el rangoadmisible de frecuencias de bombeo en función del diámetro de unacañería de acero.


Vibraciones en máquinas eléctricas (motores y transformadores.)

La Tabla 8.1 presenta valores de desplazamiento máximo admisiblepara motores de corriente alterna o continua, para cualquier potencia.

Las vibraciones en sistemas eléctricos se deben a las característicaspropias de la corriente eléctrica de naturaleza oscilatoria.


La Tabla 8.2 presenta la amplitud de desplazamiento de vibraciónadmisible para motores de inducción grandes.

Las normas especifican normalmente la metodología de prueba y danuna guía de los procedimientos a seguir para cada tipo de equipo.

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosLos valores de la Tabla 8.3 se recomiendan para motores tipo “jaulade ardilla” donde se distingue entre montajes elásticos y rígidos.

La Fig. 4.2 resulta adecuada para mantenimiento empleando valorespico de velocidad.

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosUn estándar basado en la severidad de vibración ISO se establece pa-ra motores trifásicos y máquinas de corriente continua con altura deejes entre 80 y 400 mm. Límites admisibles de severidad para diver-sos grados de calidad requeridos, velocidad y dimensiones:

Evaluación de Vibraciones –Aspectos NormativosLa principal fuente de ruido y vibración en los transformadores se de-be al fenómeno de “magneto-estricción”, que es la deformación de uncristal debido al campo magnético que lo rodea (efecto inverso de unpiezo-cristal). El nivel de intensidad se reduce sensiblemente usandomateriales que tengan menor sensibilidad a la magneto-estricción(ejemplo: acero con 6 % de silicio).

Otro ruido y vibración que pueden producirse en las chapas de un transformador se presenta cuando está la “laminación floja”.

En motores de inducción pueden presentarse vibraciones y ruidos deorigen aerodinámico debido al movimiento de aire impulsado por elventilador a través del motor, y la turbulencia producida entre lasranuras del rotor y el estator.

En la siguiente diapositiva, se resumen los efectos distintivos en la firma mecánica que aparecen en el caso mas comunes de fallas.


fL: frecuencia de la línea de alimentación.

1x: frecuencia asocida a la velocidad de rotación.

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