Nota de aplicación de detección general LA05-0022
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Resumen:
La excentricidad del eje es una medición común especialmente para la monitorización del estado. Los sensores capacitivos y de corriente de Foucault proporcionan soluciones útiles de medición sin contacto con distintas ventajas y desventajas.
Fundamentos
La excentricidad es el desplazamiento de la superficie de un objeto giratorio. Los ejes no redondos tendrán una excentricidad significativa por definición.
De acuerdo con la norma ASME/ANSI B5.54-2005 Métodos para la evaluación del rendimiento de los centros de mecanizado controlados numéricamente por ordenador, la «excentricidad» es la lectura total del indicador (TIR) de un instrumento que mide contra una superficie en movimiento. Normalmente se trata de un movimiento rotatorio y se mide para una rotación completa. Esto significa que el valor de la excentricidad es una combinación de varios tipos de movimientos de error, errores de forma y factores de forma:
- forma del eje
- derecha del eje
- errores de centrado en la ubicación del eje en relación con el eje de rotación (excentricidad), y
- errores en el propio eje de rotación, que a su vez es un producto de varios factores:
- desempeño de los rodamientos de la transmisión
- estructura de la máquina
- alineación de la transmisión (inclinación)
- errores del instrumento de medición (indicador o sensor)
Aunque existen técnicas para refinar la medición de la excentricidad del eje a sólo uno o unos pocos de estos componentes, el propósito de esta Nota de Aplicación es medir la excentricidad total con todos sus factores contribuyentes (excepto los errores del sensor). Las técnicas que aquí se describen pretenden minimizar o eliminar la contribución del sensor al resultado final. Cuando se aplican correctamente, las mediciones de la excentricidad del eje con sensores capacitivos y de corrientes de Foucault sin contacto producirán resultados con errores de sensor insignificantes.
Desviación radial del eje
La desviación radial es perpendicular al eje de rotación.
La desviación radial del eje es una medida del desplazamiento radial de la superficie del eje cuando éste gira. Suponiendo un eje redondo, los factores que contribuyen a la excentricidad radial incluyen la rectitud del eje, la alineación del accionamiento/eje, la rigidez del rodamiento y el aumento de la excentricidad a medida que los rodamientos se desgastan. El equilibrio es un factor de excentricidad que depende de las relaciones entre la velocidad y la rigidez y el desgaste de los rodamientos, así como de la rigidez general del sistema. La excentricidad radial del eje se utiliza generalmente para indicar el desgaste de los rodamientos de la transmisión.
Excentricidad axial del eje
La excentricidad axial se mide en el centro de rotación para evitar que los errores de planitud/cuadrado del extremo del eje afecten a la medición.
La excentricidad axial del eje es una medida del desplazamiento axial del eje mientras gira. Esta medición se realiza en el centro del eje (en el eje de rotación). Las mediciones fuera del centro se denominan «excentricidad de la cara», en las que la planitud y la cuadratura de la superficie se convierten en factores que contribuyen a la medición, factores que no son de interés en la mayoría de las aplicaciones. La excentricidad axial del eje se utiliza principalmente para la monitorización del estado del rodamiento de empuje.
Según la definición anterior, las formas no redondas siempre tienen una excentricidad significativa. Un eje ovalado o hexagonal que gire perfectamente seguirá teniendo una excentricidad significativa ya que el indicador responde a los desplazamientos radiales de la superficie del eje debido a la forma del mismo.
Esta Nota de Aplicación asume que el eje que se está midiendo es redondo.
Rectitud del eje
La rectitud del eje afecta a la medición de la excentricidad.
La excentricidad radial se ve afectada por la rectitud del eje. Si el eje está doblado, las mediciones de excentricidad dependerán de la ubicación de la medición a lo largo de la longitud del eje y de la ubicación y gravedad de la curva. Si un eje está fijado en ambos extremos (por ejemplo, entre la transmisión y una caja de cambios), la máxima excentricidad tenderá a estar cerca del centro. Si el eje sólo está fijado en el extremo del accionamiento (por ejemplo, motores que accionan ventiladores o hélices), la excentricidad tenderá a ser peor en el extremo flotante del eje.
Un eje, por lo demás recto, puede estar montado de forma que la línea central del eje no sea paralela al eje de rotación. En este caso, las mediciones de runout dependerán del lugar en el que se realice la medición a lo largo del eje.
Componentes de runout del eje síncronos y asíncronos
Algunos componentes de runout, como la falta de redondez del eje o una inclinación en el accionamiento, se repetirán en ciertas ubicaciones angulares de la rotación; estos son movimientos de error síncronos. Otros componentes de la excentricidad del eje, como las frecuencias de los rodamientos (excentricidad debida a la falta de redondez de los elementos rodantes en el rodamiento) son cíclicos pero no se repiten en las mismas posiciones angulares y se denominan movimientos de error asíncronos.
Tiempo real/Instantáneo
Los desplazamientos en tiempo real del eje giratorio pueden ayudar a identificar problemas específicos pero es una medición más complicada.
Los valores instantáneos del desplazamiento radial o axial del eje pueden medirse y registrarse en cada ubicación angular mientras el eje gira. Esto proporciona una imagen de los desplazamientos instantáneos que contribuyen a la medición de la excentricidad total. Este enfoque se utiliza para las operaciones de equilibrado o para ayudar a identificar las causas específicas de la excentricidad. Estos tipos de mediciones requieren técnicas y herramientas comparativamente sofisticadas, como el analizador de errores del husillo de Lion Precision. Esta nota de aplicación se centra en una única medición de la excentricidad total del eje.
Excentricidad total del eje
En muchas circunstancias, especialmente en la monitorización de la condición, el único valor de interés es un único valor que indica la excentricidad total del eje. Este número suele ser un promedio o un pico de múltiples lecturas de TIR durante un período de tiempo y múltiples rotaciones. A medida que los rodamientos y otros componentes se desgastan, la excentricidad total del eje aumenta. En la monitorización de estado, se establece un valor umbral por encima del cual se apaga el sistema y se inicia la reparación o reconstrucción.
Mediciones de excentricidad con sensores sin contacto
La medición de la excentricidad del eje mientras está en funcionamiento requiere un sensor sin contacto. Los tipos de sensores más adecuados para esta medición son los sensores de desplazamiento capacitivos y los sensores de desplazamiento de corriente de Foucault (a veces llamados sensores de desplazamiento inductivos).
Sensores capacitivos o de corriente de Foucault
Los sensores de desplazamiento capacitivos ofrecen una alta precisión; funcionan igualmente bien con todos los materiales conductores; funcionan bien con ejes de pequeño diámetro. Pero requieren un entorno limpio. Los sensores de desplazamiento de corriente de Foucault funcionan en entornos húmedos y sucios y pueden montarse más lejos del eje. Pero deben calibrarse para un material específico, no funcionan tan bien con ejes pequeños (< 8 X Diámetro de la sonda), y son más «ruidosos» cuando se utilizan con ejes de acero magnético debido a la «excentricidad eléctrica» (ver detalles más abajo en la sección Consideraciones sobre corrientes de Foucault).
Montaje de la sonda
Estos sensores sin contacto constan de una sonda (cabezal de medición) que se conecta mediante un cable a la electrónica que acciona la sonda y proporciona una tensión de salida proporcional a los cambios en la distancia entre la sonda y el eje.
La sonda se monta a una distancia del eje aproximadamente en el centro de su rango de medición. Esto permite que las excursiones máximas del eje en ambas direcciones se mantengan dentro del rango funcional de la sonda.
Una vez montada la sonda, gire el eje lentamente para comprobar el rango. Asegúrese de que la sonda no entra en contacto con el eje en su punto más cercano y que se mantiene dentro del rango durante toda la rotación.
Cualquier cambio de distancia entre la sonda y el eje formará parte de la medición de la excentricidad del eje. Por lo tanto, es importante que la sonda esté montada de forma rígida para evitar que las vibraciones u otros movimientos externos desplacen la sonda con respecto al eje.
Derivando la excentricidad total del eje
La «excentricidad total» puede medirse con capturas TIR (pico a pico) de la señal de excentricidad.
Las mediciones de runout del eje desde el sensor sin contacto rastrean los desplazamientos instantáneos en tiempo real mientras el eje gira. Esta salida debe ser condicionada para obtener una única medición de «runout total». El valor de la excentricidad puede ser un tipo de valor medio o un valor máximo. El método específico para crear un valor de runout total dependerá de la aplicación.
Típicamente, se establece un valor de runout de referencia así como un umbral por encima del cual el sistema necesita la atención del operador. En este tipo de sistema de monitorización de la condición, las unidades de medición no son críticas; sean cuales sean las unidades, el establecimiento de los valores de línea base y de umbral es la pieza crítica de la medición.
Valores promedio
El «desplazamiento total» cambiante puede medirse con la opción TIR de seguimiento del módulo MM190.
Los valores de salida pueden promediarse en el tiempo utilizando algún tipo de voltímetro de CA. Estos están disponibles como instrumentos discretos o pueden estar disponibles en el software de apoyo para un sistema de adquisición de datos. Es importante considerar la capacidad del medidor para medir a la frecuencia de rotación del eje.
Los valores de pico
Los picos de los valores de salida pueden ser capturados y el sistema puede reportar la diferencia entre los picos máximos y mínimos. Esto es una medición TIR (lectura total del indicador). Los sistemas que capturan estos picos tienen que ser reajustados periódicamente para mantener el valor actual en caso de que disminuya. Si se utilizan sensores capacitivos de la serie Elite para la medición de la excentricidad del eje, el módulo de medición y procesamiento de señales MM190 puede capturar y mostrar los valores de los picos. El MM190 también dispone de un TIR de seguimiento que captura los valores de pico pero permite que los valores decaigan con el tiempo; de este modo, el valor visualizado se mantiene actual sin que sea necesario un reinicio, incluso cuando la excentricidad disminuye. El MM190 no es una opción para los sensores de corrientes de Foucault.
Consideraciones únicas para las mediciones de corrientes de Foucault (inductivas) de la excentricidad del eje
Los sensores de corrientes de Foucault están calibrados para un material único. Para mantener la precisión, los sensores deben utilizarse con ese material específico.
Los sensores de corrientes de Foucault se calibran normalmente para un objetivo plano. El diámetro del eje debe ser de 8 a 10 veces mayor que el diámetro de la sonda de corrientes de Foucault para proporcionar un objetivo suficientemente plano para obtener mediciones precisas. Además, dado que los sensores de corrientes de Foucault interferirán entre sí si están demasiado juntos, un diámetro de eje de este tamaño proporciona un espacio suficiente entre las sondas cuando se utilizan dos sondas para supervisar la excentricidad a 90° de distancia.
Recorrido eléctrico
Los sensores de corriente de Foucault leen los errores de «recorrido eléctrico» de los materiales de acero magnéticos; los sensores capacitivos no lo hacen.
Los materiales magnéticos tienen una propiedad llamada recorrido eléctrico. Las pequeñas diferencias localizadas en las propiedades magnéticas del material afectan a la interacción con los campos magnéticos de los sensores de corriente inducida. Las diferencias son el resultado de la composición química local, la estructura cristalina y los dominios magnéticos que se ven afectados por el historial térmico, el grado de tensión de trabajo en frío, los tratamientos superficiales y la exposición a los campos magnéticos. Cuanto mayores sean estas diferencias, mayor será la desviación eléctrica. A medida que el eje de acero magnético gira, la salida del sensor de corrientes de Foucault cambiará en respuesta a la excentricidad eléctrica del material, incluso si el espacio entre el sensor y el eje no cambia (sin excentricidad mecánica). Las imágenes de la derecha comparan un sensor capacitivo y un sensor de corrientes de Foucault que miden el mismo eje de acero magnético. Los materiales no ferrosos, como el cobre y el aluminio, no presentan este fenómeno en ningún nivel significativo. El acero no magnético, aunque es mejor que el acero magnético, sigue presentando una pequeña excentricidad eléctrica.
La excentricidad eléctrica suele ser inferior a 75 µm (0,003 pulgadas), lo que suele ser sólo una fracción del rango de medición del sensor de excentricidad del eje por corrientes de Foucault. En algunas aplicaciones, la excentricidad eléctrica es pequeña en comparación con la excentricidad base del eje y, por lo tanto, no introduce ningún error significativo en la medición de la excentricidad total del eje.
Mitigación de la excentricidad eléctrica
Si su medición de la excentricidad del eje debe ser tan precisa que la excentricidad eléctrica será un error significativo, tendrá que abordar el problema. La mejor manera de eliminar los errores de excentricidad eléctrica en los ejes magnéticos es utilizar sensores capacitivos. Pero las aplicaciones de los sensores de excentricidad del eje suelen estar en entornos húmedos y sucios que requieren un sensor de corriente de Foucault. Estos son algunos métodos para eliminar o reducir la excentricidad eléctrica.
Utilice la sonda más grande posible. El campo de detección de un sensor de runout de eje por corrientes de Foucault es tres veces mayor que el diámetro de la sonda. La salida de la sonda es un promedio de todo lo que hay dentro de ese campo. El uso de una sonda más grande promediará un área más grande del eje y sus inconsistencias magnéticas localizadas. Pero asegúrese de no utilizar una sonda demasiado grande para el eje (ver arriba).
Manga no magnética. El campo de detección de corrientes parásitas no penetra muy profundamente en el material. Un manguito de aluminio o cobre de 0,5 mm (o más grueso) proporcionará un objetivo no magnético para el sensor de excentricidad del eje.
Conclusión
La medición de la excentricidad del eje es una medida común y útil, especialmente para la monitorización del estado. El uso de un único sensor y de un método para obtener un único valor de excentricidad total le permite establecer números de excentricidad de referencia y umbrales para la intervención del operador. Tanto los sensores capacitivos como los de corriente de Foucault ofrecen excelentes soluciones en función de las especificaciones de la medición de la excentricidad del eje y de las condiciones ambientales de la aplicación.