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Phelps DodgeCorporation
MONITOREO DE LA CONDICION MECANICA DE
LAS PALAS DE LA MINERIA A TRAVES DEL
ANALISIS DE VIBRACIONES Y MAGNITUDES
COMPLEMENTARIAS.
(Resumen del curso presentado por Dr. Ing. Pedro Saavedra G. en la
Universidad de Concepcin Chile)
Abril - 2005
Ing. Fernando Dvila Gonzlez
Ing. Manuel Terrazas JimnezMantenimiento Predictivo
Proyectos e Ingeniera
Sociedad Minera Cerro Verde S.A.A.
Procesos
Metalrgicos
PROCESO DE EXTRACCION DE MINERAL
Mquinas
criticas de la
mina
Construccin de unidades ms grandes, ms complejas, ms productivas
LA PARADA DE ESTOS EQUIPOS GENERA UNA MAYOR PERDIDA
DE PRODUCCIN
MANTENIMIENTO REACTIVO: Se permite a la mquina funcionar hasta la falla. En eseinstante se realiza la reparacin o reemplazo de ella. Riesgo de una falla catastrfica.
MANTENIMIENTO PREVENTIVO O BASADO EN TIEMPO: Esta basada en la vida estadstica.Se interviene la mquina peridicamente para inspeccionar y reemplazar componentes, an
cuando la mquina est operando satisfactoriamente.
MANTENIMIENTO PREDICTIVO O BASADO EN CONDICION: Se evala la condicin mecnicade la mquina y su evolucin, mientras ella est funcionando, a travs de diversos sntomas que
ella emite al exterior. En base a esto se programan las necesidades de mantenimiento cuando se
detecta un problema en ella.
MANTENIMIENTO PROACTIVO. Se identifica y corrige las causas raz de las fallas de lamquina. Con esta estrategia se maximiza su vida til operativa
Sntomas
Anlisis de Vibraciones
Ondas de alta frecuencia (Ultrasonido,
emisiones acusticas, SPM)
Anlisis de aceite
Anlisis corriente elctrica
ESTRATEGIAS DE MANTENIMIENTO
Pasar de las estrategias actuales de mantenimiento preventivas-reactivas a una
predictiva con el objetivo de:
Detener la mquina solo cuando sea necesario en forma confiable, evitando queuna falla pequea se transforme en una mayor, o an ms en una falla catastrfica.
Programar el mantenimiento adecuadamente.
ESTRATEGIAS DE MANTENIMIENTO
DIFICULTADES EN EL MONITOREO DE PALAS
- Cortos ciclos de trabajo.
- Velocidad variable.
- Carga variable.
Imposibilidad de utilizar
equipos comerciales durante
el funcionamiento de la pala.
Mediciones sin
carga y a velocidad
constante.
Porqu la experiencia con los equipos de la Planta no se ha traspasado a
los de la Mina?
Frecuencia = K RPM
Desbalanceamiento : K = 1
Frecuencias de engrane : K = N de dientes (Z)
Picadura rodamiento : K = BPFO ; BPFI ; 2BSF
Frecuencia paso ranuras : K = N ranuras del estator
Normalmente la frecuencia de las vibraciones est relacionada a la velocidad de rotacin de algn eje de la mquina
order
ESPECTROS VIBRATORIOS DE MAQUINAS ROTATORIAS
VIBRACION DE UN ROTOR DESBALANCEADO: VELOCIDAD VARIABLE
Muestreo a ngulos de giro constante, cada 45
Muestreo a ngulos de giro constante, cada 45
Vibracin en los dominios: ngulos de giro del eje - orders
Se puede diagnosticar el problema igual como si la velocidad de rotacin no variara
VIBRACION DE UN ROTOR DESBALANCEADO: VELOCIDAD VARIABLE
Los mtodos utilizados para realizar el espectro en orders son:
1. Muestreo de la seal mediante hardware
2. Remuestreo de la seal mediante software
3. Mtodo hbrido
METODOS PARA OBTENER ESPECTRO EN ORDERS
1. Mtodo del muestreo de la seal mediante hardware.
Esta tcnica utiliza instrumentacin analgica compleja especializada de
alto costo.
En ella se muestrea directamente la seal a incrementos de ngulos de giro
constantes.
La frecuencia de muestreo se fija siguiendo la velocidad de rotacin con un
tacmetro.
La velocidad de rotacin del eje se calcula a partir del periodo entre dos
pulsos tacomtricos consecutivos.
Como la frecuencia de muestreo utilizada es la calculada en la revolucin
anterior, este mtodo es propenso a errores cuando la velocidad de
rotacin de la mquina est cambiando rpidamente]
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
2. Mtodo del remuestreo de la seal mediante software
Esta tcnica consiste en adquirir la seal y el pulso tacomtrico a
intervalos de tiempo constante a travs de un sistema convencional de
adquisicin de datos, posteriormente remuestrear por software la seal
para obtenerla a intervalos de giro del eje constante. Para ello se
siguen los siguientes dos pasos:
- Determinacin de los tiempos a intervalos de ngulo constante.
- Determinacin de la amplitud de la seal para los tiempos a intervalos
de ngulo constante.
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
Determinacin de los tiempos a intervalos de ngulo constante.
Conocido el valor de la vibracin en el tiempo lo primero es determinar
los tiempos para los cuales se van produciendo los intervalos de ngulo
constante a los cuales se quiere remuestrear la seal .
Para esto, se dispone de un pulso tacomtrico que determina el tiempo
y la posicin angular del eje en el momento de llegada de cada pulso.
Este pulso puede ser obtenido de un sensor de desplazamiento
montado frente a un eje ranurado o de un foto tacmetro apuntando a
una cinta reflectante sobre el eje, ver Fig.2, o de los pulsos
provenientes de un encoder
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
Determinacin de los tiempos a intervalos de ngulo constante.
Posicin
Angular
del eje
(rev.)
Figura 2. Determinacin de los tiempos en que el eje gira a un ngulo
constante de 90
0.00
1.00
Determinacin de la amplitud de la seal para los tiempos a intervalos
de ngulo constante.
: Puntos a intervalos de ngulo constante : Puntos a intervalos de tiempo constante obtenidos por la tarjeta de adquisicin de datos.
Figura 3. Determinacin de la amplitud de la vibracin para los
intervalos
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
Una vez determinados los tiempos a intervalos de ngulo constante se debe
determinar la amplitud de la seal a los intervalos de giro constantes. Para
ello, los valores de amplitud a intervalos de giro constantes (marcados con un
rombo rojo en Fig. 4) se interpolan entre los valores de amplitud originalmente
adquiridos (marcados con un punto negro). Para este procedimiento se
pueden utilizar distintos tipos de interpolaciones como se indica en Fig. 4
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
Determinacin de la amplitud de la seal para los tiempos a intervalos
de ngulo constante.
3. Mtodo hbrido
La precisin de los resultados del espectro en rdenes obtenido es muy
dependiente de la precisin con que se determina los tiempos de llegada de
los pulsos tacomtricos. Esto es inherente a la adquisicin digital del pulso.
La precisin aumenta al aumentar la frecuencia de muestreo, como se
puede inferir observando la Fig. 5.
Para mejorar esta exactitud se requiere entonces adquirir el pulso con una
alta frecuencia de muestreo . Esto sin embargo, trae como consecuencia,
que si se usa una misma tarjeta de adquisicin para la seal vibratoria y el
pulso(como lo hace el mtodo anterior),se tiene que manejar una cantidad
muy grande de puntos.
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
Esto requiere, sin embargo usar, para los pulsos tacomtricos
de una tarjeta diferente a la de las seales vibratorias y un
sincronismo muy riguroso entre ambas tarjetas.
MTODOS PARA OBTENER EL ESPECTRO EN ORDERS
Transformadas tiempo-frecuencia
El contenido frecuencial de una seal temporal estacionaria es
obtenido por la Transformada de Fourier la cual cambia la seal del
dominio temporal al dominio frecuencial.
Con esta transformacin sin embargo, no se puede obtener informacin
acerca de la evolucin temporal de las componentes espectrales de la
seal. Solo se obtiene un promedio de las componentes durante el
periodo de anlisis.
Las Transformadas Tiempo-Frecuencia (TTF) son expresiones
matemticas que transforman la seal del dominio tiempo al dominio
tiempo-frecuencia, permitiendo de sta forma disponer de la evolucin
temporal del contenido frecuencial .
Las Transformadas Tiempo-Frecuencia son representaciones
tridimensionales (amplitud-tiempo-frecuencia) que permite analizar
como las componentes espectrales varan en el tiempo lo que
constituye una poderosa herramienta de diagnstico y se pueden
clasificar en lineales o cuadrticas.
Dentro de las lineales se encuentran:
- Short-Time Fourier Transform (STFT)
- Las Wavelet Transform (por ejemplo, la Gabor Transform que utiliza la
Bruel & Kjaer).
Dentro de las cuadrticas se encuentran:
- Wigner-Ville (WVD)
- Pseudo Wigner-Ville (PWVD)
- Zhao-Atlas-Marks (ZAM)
ANLISIS TRADICIONAL: ESPECTRO FFT Y FORMA DE LA ONDA
Difcil deducir la naturaleza de las vibraciones
TRANSFORMADAS TIEMPO-FRECUENCIA TTF
Componente 75 Hz comienza en t=0.2s, alcanza su mximo en
t=0.3s, permanece constante hasta t= 1.1s y desaparece en t=1.2s
(expansin de las escalas)
-Sirve para analizar vibraciones transientes: Explosiones motores Diesel,
cierre de vlvulas compresores alternativos, etc.
-Las TTF no han sido an incorporadas a los analizadores de vibraciones
comerciales (excepto aquellos que realizan diagramas en cascada).
Transformadas revolucin ordenes TRO
Las transformadas revolucin rdenes (MR Laboratorio de vibraciones Mecnicas, Facultad de Ingeniera, Universidad
de Concepcin) son expresiones matemticas que
transforman la seal vibratoria del dominio tiempo al dominio
revolucin ordenes. Ellas consisten en aplicar las TTF no a la seal en el dominio tiempo como es la manera clsica,
sino que a la seal en el dominio ngulos de rotacin, es
decir esta transformada combina las FFT y el anlisis
espectral en rdenes.
Debe tenerse presente que los resultados obtenidos al
computar la transformada TRO , o el espectro en rdenes
son muy dependientes del algoritmo de calculo utilizado, a
diferencia de cuando se calcula el espectro FFT debido que
para este ltimo existe un procedimiento de clculo
estndar.
No se puede diagnosticar,
las componentes se
dispersan en el espectro.
Se puede diagnosticar
como si la mquina girara
a velocidad constante
Desde la TTF no es fcil determinar de cuantas componentes espectrales est
compuesta la seal medida y, por lo tanto, no
es tan adecuada para el diagnstico cuando en
el espectro existen varias componentes.
En la TRO:
-Se puede ver como la amplitud de las
componentes espectrales han variado durante
el tiempo de medicin.
-Se puede determinar si las componentes
espectrales estuvieron presentes o no durante
todo el tiempo de medicin.
-Se puede determinar el mximo valor
alcanzado por cada componente espectral
(severidad).
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