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Vibración Torsional – Nuevas formas de medirla.

Vibración Torsional – Nuevas formas de medirla.

VIBRACIÓN TORSIONAL

La medición de la vibración torsional ha sido un desafío para los analistas de vibraciones durante muchos años. Las nuevas tecnologías inalámbricas abren una puerta a este mundo antes desconocido, quédate con nosotros para ver una nueva aplicación de estas tecnologías.

¿Qué es la vibración torsional?

La Vibración Torsional se define como una secuencia de cambios ligeros en forma de vaivén de la velocidad de rotación de un objeto. Al igual que en la vibración tradicional, la vibración torsional también está definida por la amplitud y la frecuencia de estos cambios.

La vibración torsional se presenta cuando el elemento giratorio se encuentra sometido a cargas desiguales durante su operación. Ejemplos comunes son los compresores reciprocantes y los motores de combustión interna. Ello debido a que, en un momento del ciclo, el par de una de las bielas es mayor cuando se comprime el aire, y disminuye cuando ingresa aire a la cámara. Derivado de esto el cigüeñal presenta variaciones en la velocidad de giro las cuales generan esfuerzos internos en el eje que, en casos anormales, pueden producir una ruptura del cigüeñal.

Uso de acelerómetros inalámbricos para medir la vibración torsional.

El siguiente caso de estudio analizará la posibilidad de utilizar los acelerómetros inalámbricos marca Erbessd – Phantom para medir la vibración torsional. Adicionalmente proporcionaremos los datos técnicos propios del sensor y aquellos de interés para quién desee avanzar en este tema.

¿Cómo se mide la vibración torsional?

Uno de los métodos más utilizados para la vibración torsional es la medición de la variación de la velocidad de giro del eje a través de un sensor óptico y una cinta tipo piano. De esta manera se mide el cambio de velocidad del eje. Existen ciertas restricciones para que la medición sea válida y fiable y una de ellas es el muestreo por revolución, ya que un muestreo incorrecto puede generar un efecto aliasing, o saturar la señal.

Nuevas alternativas.

El uso de sensores de vibración inalámbricos en la industria puede aportar nuevas formas de medir las vibraciones torsionales. Podemos ahora medir las vibraciones torsionales directamente en los ejes con la misma capacidad en rango de muestreo y resolución del análisis de vibraciones actual. Incluso, podemos monitorear de forma permanente el comportamiento de un elemento rotativo en condiciones de operación regular, para visualizar la evolución de sus vibraciones torsionales.

Caso de Estudio.

Instalamos un sensor de vibración triaxial de alto rango (PHANTOM EPH-V10) en el extremo del cigüeñal de un compresor de aire de dos cilindros con potencia nominal de  3.2 HP para efectos de estudio de la vibración torsional. La intención de este estudio es corroborar que el sensor envía una señal valida con el eje girando y que adicionalmente existe una segunda armónica producto de la suma de la vibración por la variación de torque y la vibración por la inercia del cigüeñal (componentes conocidos de la vibración torsional en esta maquinaria).

La velocidad nominal de giro del cabezal es de 900 RPM el cual es accionado por un motor eléctrico monofásico a 3600 RPM mediante una polea con relación 4:1.

Características del Acelerómetro inalámbrico Phantom EPH-V10:

  • Rango de Frecuencia: 0 – 10 kHz
  • Rango de amplitud: 32 g pico-pico
  • Líneas de resolución: 6400
  • Ejes: 3
  • Tipo de transmisión: Bluetooth
  • Duración de batería: 3 años

Ventajas

Una de las ventajas del PHANTOM para este estudio, es la colocación excéntrica de uno de sus sensores, el cual permite medir la vibración tangencial del eje (Figura 1).

Considerando que el cambio de masa en el sistema podría modificar la vibración del compresor, se tomaron mediciones antes, y después de la fijar el sensor al eje del compresor. el resultado: incremento de la fundamental en un 4% (Figura 2 y 3) lo cual se consideró despreciable para este estudio.

Phantom excentricity

Figura 1 – Excentricidad de acelerómetro

Figura 2  –  FFT sin PHANTOM

FFT with phantom
Compressor with phantom

Figura 3  –  FFT con PHANTOM

Grabación datos

Estoy feliz de compartir con ustedes lo simple que es colocar el sensor, lo único que tengo que hacer es atornillar el sensor axialmente al eje.

Por otro lado, la grabación no tiene perdida de datos ni señales corruptas. Adicionalmente, analizamos el eje X del acelerómetro, que es precisamente tangencial al eje en un radio de 9.6 mm (0.380”).

Phantom in the shaft
Torsional Phantom Waveform

Figura 4. Forma de onda y FFT de la vibración torsional

Estoy convencido de que obtuve la vibración torsional del compresor, también estoy seguro que esta herramienta será altamente valuada para el análisis en este campo. El espectro muestra segundos harmónicos como los descritos en la teoría y más.

Monitoreo de Condición de Vibración Torsional 

Dejaremos el sensor Phantom EPH-V11 permanentemente montado en el compresor para monitorear su tendencia y espectro. Adicionalmente, debido a que la operación de la máquina es intermitente, vinculamos el sensor PHANTOM de vibración a un sensor Phantom EPH-s40 de efecto hall para medir RPM. De esta manera, el sensor de vibración solamente mandará datos significativos cuando el compresor esté funcionando.

 
Conoce al autor

Armando Torres, es un distinguido ingeniero mecánico, egresado de la Universidad Autónoma Metropolitana, con más de diez años de experiencia. Actualmente, desempeña el rol de Jefe de Producción y Diseño Mecánico en Erbessd Instruments®, liderando con innovación y pericia técnica. Especializado en diseño y construcción de máquinas balanceadoras, ha sido clave en el desarrollo de soluciones avanzadas, elevando a Erbessd Instruments® a la vanguardia de la industria. Su dedicación a la excelencia y profundo conocimiento técnico lo destacan como un líder en ingeniería mecánica.

ERBESSD INSTRUMENTS® fabricante líder de Equipos de Análisis de Vibraciones, Máquinas de Balanceo Dinámico  y Monitoreo de Condición con oficinas en México, EE.UU., Inglaterra e India.


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