Este documento presenta una introducción a las vibraciones mecánicas. Explica conceptos clave como oscilador, frecuencia, amplitud, resonancia y grados de libertad. También describe los principales problemas causados por la vibración como resonancia, desgaste y ruido. Finalmente, cubre temas como alineación paralela y angular, y balanceo estático y dinámico.

1. Ingeniería Mecatrónica
Sistemas Mecánicos
Introducción a las vibraciones
Docente:
Ing. Carlos Manuel González De La Rosa
Alumno:
Cesar Alberto Flores Martínez
Matricula: 095766
Torreón, Coahuila a 11 de Julio de 2012
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2. Índice
1. Introducción a la vibración 5
1.1 Osciladores 5
1.2 Frecuencia 6
1.3 Amplitud 6
1.4 Osciladores Amortiguados 7
1.5 Osciladores Forzados 7
1.6 Frecuencia Natural 7
1.7 Resonancia
1.8 Grados de libertad 8
1.9. Principales causas de la vibración 9
1.91Metodos de medición 9
1.92 Espectro 9
2.- Problemas causados por la vibración 9
2.1.- Resonancia 9
2.2.- Aflojamientos mecánicos 9
2.3.- Desgaste 10
2.4.- Ruido 10
2.5.- Problemas eléctricos 10
2.6.- Turbulencia 10
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3. 3. Alineación paralela y angular 10
3.1 Soft foot 12
3.2 Métodos de alineación (Regla, Caratula, Equipo de alineación eléctrico). 13
4.- Balanceo 13
4.1 Desbalance estático 13
4.2.- Desbalance dinámico 14
4.3 Desbalance Mecánico y Eléctrico 14
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4. Índice de Figuras
Figura 1 Oscilación 5
Figura 2 Oscilador 5
Figura 3 Frecuencias 6
Figura 4 Amplitud 6
Figura 5 Onda Amortiguada 7
Figura 6 Resonancia 8
Figura 7 Grados de libertad 8
Figura 8 Desalineación Paralela 11
Figura 9 Desalineación Angular 11
Figura 10 Alineación Correcta 11
Figura 11 Ejemplo sobrecalentamiento 12
Figura 12 Softfoot 12
Figura 13 Métodos de alineación 13
Figura 14 Desbalance Estatico 13
Figura 15 Desbalance Dinamico 14
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5. 1. Introducción a la Vibración
En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como la oscilación o el
movimiento repetitivo de un objeto alrededor de una posición de equilibrio. La posición
de equilibrio es la a la que llegará cuando la fuerza que actúa sobre él sea cero.
1.1 Osciladores
Se denomina oscilación a una variación, perturbación o fluctuación en el tiempo de un
medio o sistema. Si el fenómeno se repite, se habla de oscilación periódica.
Figura 1 Oscilacion
Un oscilador es un sistema capaz de crear perturbaciones o
cambios periódicos (Oscilaciones) en un medio.
Figura 2 Oscilador LC
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6. 1.2 Frecuencia
Frecuencia es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de
cualquier fenómeno o suceso periódico. La unidad de medida son los Hertz (Hz) y la formula más
común para calcular la frecuencia es:
Figura 3 Frecuencias
1.3 Amplitud
Distancia o valor máximo de una cantidad variable, de su valor medio o valor base, o la
mitad del valor máximo pico a pico de una función periódica, como un movimiento
armónico simple.
Figura 4 Amplitud
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7. 1.4 Oscilación Amortiguada
Una oscilación amortiguada es aquella donde la amplitud de oscilación se va reduciendo
con respecto al tiempo.
Figura 5 Onda Amortiguada
1.5 Oscilación Forzada
Las oscilaciones forzadas resultan de aplicar una fuerza periódica y de magnitud constante
sobre un sistema oscilador. En esos casos puede hacerse que el sistema oscile en la
frecuencia del generador, y no en su frecuencia natural. Es decir, la frecuencia de
oscilación del sistema será igual a la frecuencia de la fuerza que se le aplica.
1.6 Frecuencia natural
La frecuencia natural es la frecuencia a la que un sistema mecánico seguirá vibrando,
después que se quita la señal de excitación; por ejemplo algún choque con un objeto.
1.7 Resonancia
En el caso de una oscilación forzada, si la frecuencia del generador coincide con la
frecuencia natural del resonador, se dice que el sistema está en resonancia. Esto puede
ocasionar grandes problemas en el sistema resonante.
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8. Figuta 6 Ejemplo del daño que sufre un material a ser sometido a su frecuencia resonancia.
1.8 Grados de libertad
Los grados de libertad son el número mínimo de velocidades
generalizadas independientes necesarias para definir el estado cinemático de
un mecanismo o sistema mecánico.
Figura 7 Grados de libertad
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9. 1.9 Principales causas que generan vibraciones
Desbalance, falta de alineamiento, excentricidad, elementos rodantes defectuosos,
lubricación inadecuada, aflojamiento mecánico, bandas de accionamiento, problemas de
engranaje y fallas eléctricas.
1.91 Métodos de medición
Por aceleración: Acelerómetros Piezoresistivos, Acelerómetros Piezoeléctricos.
Por desplazamiento: LVDTs, Corriente Eddy y Capacitivos
Por velocidad: Vibrómetros Láser
1.92 Espectro
Es la representación grafica que muestra los factores de amplitud y frecuencia de una onda.
2.-Problemas causados por la vibración
2.1 Resonancia
La resonancia es un fenómeno que se produce cuando un cuerpo capaz de vibrar es
sometido a la acción de una fuerza periódica, cuyo periodo de vibración coincide con
el periodo de vibración característico de dicho cuerpo. En el cual una fuerza relativamente
pequeña aplicada en forma repetida, hace que una amplitud de un sistema oscilante se
haga muy grande.
En estas circunstancias el cuerpo vibra, aumentando de forma progresiva la amplitud del
movimiento tras cada una de las actuaciones sucesivas de la fuerza.
Este efecto puede ser destructivo en algunos materiales rígidos.
2.2 Aflojamiento mecánico
El aflojamiento mecánico y la acción de golpeo resultante producen vibración a una
frecuencia que a menudo es 2x, y también múltiplos más elevados, de las rpm. La
vibración puede ser resultado de pernos de montaje sueltos, de holgura excesiva en los
rodamientos, o de fisuras en la estructura o en el pedestal de soporte.
La vibración característica de un aflojamiento mecánico es generada por alguna otra
fuerza de excitación, como un desbalance o una falta de alineamiento. Sin embargo, el
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10. aflojamiento mecánico empeora la situación, transformando cantidades relativamente
pequeñas de desbalance o falta de alineamiento en amplitudes de vibración
excesivamente altas.
2.3 Desgaste
El desgaste es la erosión de material sufrida por una superficie sólida por acción de otra
superficie. Esta relacionado con las interacciones entre superficies y más específicamente
con la eliminación de material de una superficie como resultado de una acción mecánica.
2.4 Ruido
Es un sonido indeseable, inarticulado y confuso dentro de los diferentes tipos de
rodamientos
2.5 Problemas eléctricos
La vibración en estos casos es creada por fuerzas magnéticas desiguales que actúan sobre
el rotor o sobre el estator. Es complicado reconocer gráficamente este problema, ya que
no tiene características que indiquen deforma sencilla que ésta es la causa de vibración.
2.6 Turbulencia
Es un régimen de flujo caracterizado por baja difusión de momento, alta convección y
cambios espacio - temporales rápidos de presión y velocidad. Los flujos no turbulentos
son también llamados flujos laminares.
3.- Alineación paralela y angular
La alineación es el proceso mediante el cual la línea de centro de un eje de una maquina,
por ejemplo un motor, se hace coincidir con la línea de centro de eje de otra maquina
acoplada a ella, por ejemplo una bomba.
Beneficios de una buena alineación
1. Eliminación de esfuerzos no deseados
2. Mayor vida de trabajo
3. Ahorro económico por disminución de fallas.
Tipos de desalineación.
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11. 1. Paralela
Las líneas centro de la flecha del equipo son paralelas, pero están desfasadas una
de la otra.
Figura 8 Desalineación paralela
2. Angular
Las dos líneas centro de un eje están en ángulo una respecto a la otra, lo
ideal es tener una desalineación angular menor a 1°.
Figura 9 Desalineación angular
3. Alineación Correcta
Figura 10 Alineación Correcta
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12. La desalineación de ejes es responsable de hasta el 50% de todos los costos relacionados
con los fallos de las máquinas rotativas. Estos fallos incrementan el tiempo inoperativo y
no planificado de las mismas, provocando mayores costos de mantenimiento y la pérdida
de producción. Asimismo, los ejes desalineados pueden incrementar los niveles de
vibración y la fricción, lo que a su vez, puede incrementar significativamente el consumo
energético y puede causar el fallo prematuro de los rodamientos.
Figura 11 Sobrecalentamiento de un motor causado por desalineación.
3.1 Problemas de Softfoot
Soft food es el término común para una distorsión en el bastidor de la máquina, esto
se produce cuando una o más patas de una máquina son más cortas, más largas o
tienen un ángulo diferente al resto. Esta falta de uniformidad hace que la tensión en la
máquina se eleve cuando se sujetan las patas a la base correspondiente.
El Soft food puede ocasionar que los alojamientos de los cojinetes estén desalineados.
Esta desalineación crea una carga sobre el eje de rotación que da lugar a la desviación
del eje.
Figura 12 SoftFoot
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13. 3.2 Métodos de Alineación
Regla Reloj Comparador Laser
Figura 13 Metodos de Alineacion
Regla Reloj comparador Laser
Precisión -- ++ ++
Velocidad ++ -- +
Fácil uso ++ -- +
4. Balanceo
Balanceo es el proceso de minimizar vibración, ruido y desgaste a cuerpos rotatorios. Esto
se logra al reducir las fuerzas centrifugas alineando el eje de inercia principal con los ejes
geométricos de rotación a través de agregar o remover material.
4.1 Desbalance estático
En el desbalance estático la masa no esta sobre el mismo plano (perpendicular al eje de
rotación) que el centro de gravedad del rotor. Esto provoca que el eje principal de inercia
del conjunto se desplace paralelamente al eje de rotación. Este desbalanceo se corrige
con un contrapeso opuesto al peso sobrante.
Figura 14 Desbalanceo estatico
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14. 4.2 Desbalance dinámico
En una pieza en rotación (rotor), cada punto de su masa esta sometido a la acción de una
fuerza radial que tiende a separar ese punto del eje de rotación. Si la masa del rotor esta
uniformemente distribuida alrededor del eje, este rotor estará “balanceado” y su rotación
no generara vibraciones. Por el contrario si en algún lugar sobra algo de peso, este
generara una fuerza centrifuga no equilibrada que deber ser soportada por los apoyos, en
este caso el rotor sufrirá un “Desbalance Dinámico”.
Figura 15 Desbalanceo dinámico
4.3 Desbalance Mecánico y Eléctrico
Desbalance eléctrico ocurre cuando hay altas y bajas de corriente eléctrica en los sistemas
de eléctricos.
El desbalanceo mecánico es la fuente de vibración más común en sistemas con elementos
rotativos, todo rotor mantiene un nivel de desbalanceo residual, el hecho de que estos
generen vibraciones o no, dependen básicamente de que estos operen dentro de las
tolerancias de calidad establecidas en las normas para las características y velocidades del
rotor en cuestión.
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