Monitoreo de Torque – El arma secreta

Monitorear torque se está convirtiendo en una práctica cada vez más común, presente en industrias como la del cemento, la industria marina y la de generación de electricidad. Permite a los usuarios tener un mejor entendimiento de las demandas operacionales de sus máquinas y hace posible la detección de fallos, especialmente en casos donde un diagnóstico mediante análisis de vibraciones se hace difícil. De esta manera, los usuarios pueden hacer las correcciones necesarias para asegurar una operación fluida y evitar fallos inesperados.

Las máquinas son herramientas especialmente diseñadas para realizar tareas específicas. Para poder hacer eso, convierten la energía en trabajo. Veamos el caso de un elevador de cangilones por ejemplo. La energía fluye a través de cada uno de los componentes de la máquina, desde el motor, pasando por el reductor, hasta llegar al elevador. El motor convierte la energía eléctrica en energía mecánica, el eje del motor y el eje de entrada del reductor están unidos mediante un acople, y a su vez el eje de salida está también acoplado al eje de entrada del elevador. Al igual que cualquier cadena, un tren de máquinas es sólo tan fuerte como su eslabón más débil.

Torque 1

Dependiendo de las demandas operacionales del elevador de cangilones, que podemos ver como la carga, la potencia entregada por el motor variará. La fuerza que en realidad hace rotar a cada eje se llama torque o par motor, y es directamente proporcional a la potencia. Esto significa que cuando queremos mantener una determinada velocidad de operación en nuestro proceso, y la carga aumenta, el motor debe entregar más potencia, y hace esto aumentando el torque.

Echando un vistazo más de cerca a los elementos involucrados en esta cadena de transmisión, tales como los dientes de los engranajes de la caja reductora y los diferentes ejes, podemos encontrar un gran número de partes que pueden fallar si no son capaces de resistir la torsión debido al torque aplicado. Una ruptura en cualquiera de estos elementos puede ser atribuida a distintas razones, tales como fallas de diseño, baja calidad del material, incorrecta selección de alguno de los componentes, incorrecta operación de la máquina, o condiciones extremas de trabajo, que no fueron consideradas en el diseño original de la máquina, sólo por nombrar algunas.

Mediciones de torque en un elevador de cangilones (caso práctico PRÜFTECHNIK).

El Centro de Servicios y Diagnósticos de PRÜFTECHNIK Condition Monitoring realizó mediciones de torque a un elevador de cangilones de una fábrica de cemento. Este servicio fue solicitado por el cliente debido a rupturas en algunos engranajes dentro del reductor (Figura 1). El cliente nos había reportado que el reductor llevaba varios años funcionando sin problemas. Sin embargo, en los 2 últimos años habían habido dos incidentes separados con sólo siete meses entre uno y otro.

torqeu 3

Figura 1. Dientes rotos en un reductor de un elevador de cangilones

Las galgas tensiométricas y la instrumentación necesaria fue instalada en el eje de salida del reductor (Figura 2). Junto a los componentes de medición de torque, se instalaron adicionalmente acelerómetros para la medición de vibraciones. Con el fin de poder lograr una correlación entre las mediciones de torque y vibración, se empleó un VIBGUARD, un sistema de monitoreo de condiciones multicanal desarrollado por PRÜFTECHNIK, que permite la medición sincrónica de todas las señales. La máquina fue monitorizada en condiciones de producción normal, en vacío (sin carga) y durante el arranque.

Torque 4Figura 2. Galga tensiométrica y lugar del montaje en el eje

Las lecturas iniciales del torque estático mostraron ligeras oscilaciones durante la operación normal (Figura 3), sin embargo esto no es inusual en este tipo de máquinas, y no sobrepasan el torque nominal del eje de salida del reductor.

Torque 5Figura 3. Torque estático, lecturas cada segundo

El próximo paso fue medir la carga durante el arranque de la máquina. Debido a que este proceso es muy corto y altamente variable, se debe medir el torque dinámico, que es el componente AC de la señal. En este caso fue necesario medir una señal de alta resolución.

La figura 5 muestra que aunque el pico más alto está apenas sobre los 29.400 N.m, que es el valor de torque nominal, hay un torque negativo presente, el cual refleja un comportamiento inusual del acoplamiento hidráulico.

Figura 4. Medición de torque dinámico durante el arranque

Por último, el torque fue también medido durante operación a carga máxima. Analizando la señal, las oscilaciones pueden ser claramente observadas, pero con impactos de mayor amplitud superpuestos, entre los cuales hay aproximadamente 45 segundos de separación. De la señal original se realizó un análisis FFT con el objetivo de encontrar las frecuencias de la vibración torsional (Figuras 5 y 6). En el espectro de frecuencias, un pico dominante se puede identificar a 3,5Hz, que es la frecuencia de paso de los baldes o cangilones.

Torque 7Figura 5. Torque dinámico durante operación a carga máxima

Torque 8Figura 6. Espectro de frecuencias de la señal de torque dinámico

Al finalizar este servicio, se recomendó al cliente reducir la cantidad de aceite en el acople hidráulico y reducir la tensión en la correa de los baldes para intentar eliminar el componente negativo de torque. A largo plazo, se le debe reducir el peso a los baldes, o se debe intercambiar el reductor por uno más fuerte.

Conclusión

Cuando se trata de proteger las máquinas, la combinación de mediciones de torque con el monitoreo de condiciones y de proceso ofrecen una ventaja única. Analizando de cerca el torque, se puede evaluar directamente  los requerimientos operacionales de la máquina, detectar una incorrecta operación e incluso fallas de diseño.

La medición de torque puede ser realizada como servicio, llevada a cabo temporalmente con un colector de datos portátil, o puede ser permanente, donde la señal de torque es constantemente analizada por un sistema de monitoreo de condiciones en línea. No importa si la máquina es nueva o vieja, las mediciones de torque pueden ser implementadas en cualquier momento.

En máquinas críticas para la producción, es recomendable implementar un sistema de monitoreo en línea de vibraciones y torque. En la mayoría de los casos, los costos de reparación de un fallo inesperado de la máquina y el valor total de la pérdida de producción, sobrepasan la inversión inicial para la implementación de dicho sistema.

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