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El análisis de vibraciones de la maquinaria industrial ha existido durante muchas décadas, pero ha ganado importancia con la introducción y el uso generalizado del ordenador personal en el mantenimiento predictivo. Definir qué es el análisis de vibraciones es referirse al proceso de medición de los niveles y frecuencias de vibración de la maquinaria industrial, y a la utilización de esa información para determinar la «salud» de la máquina y sus componentes.

El mantenimiento predictivo tiene la función de monitorear el rendimiento y la condición del equipo cuando trabaja normalmente a diario en un proceso productivo para reducir la probabilidad de fallas. También conocido como mantenimiento basado en la condición, el mantenimiento predictivo ha sido utilizado en el mundo industrial desde la década de 1990.

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El análisis industrial de vibraciones es una herramienta utilizada para identificar, predecir y prevenir fallas en las máquinas rotativas. La implementación de esta tecnología mejorará la fiabilidad de las máquinas, consiguiendo una mejor eficiencia de la máquina y una reducción del tiempo de inactividad, eliminando las fallas mecánicas o eléctricas.

Los procedimientos para el análisis de vibraciones se utilizan, hoy en día, en todas las partes de la industria de todo el mundo para identificar las fallas en la maquinaria, planificar las reparaciones de la maquinaria y mantener el funcionamiento de la maquinaria durante el mayor tiempo posible sin fallar.

Cuando una máquina industrial (como un ventilador o una bomba) está operativa, genera vibración. Esta vibración puede ser medida, usando un dispositivo llamado acelerómetro. El cual genera una señal de voltaje, proporcional a la cantidad de vibración, así como a la frecuencia de vibración, o a cuántas veces por segundo o minutos se produce la vibración. Esta señal de voltaje del acelerómetro está conectada a un colector de datos, que registra esta señal ya sea como una forma de onda de tiempo (amplitud vs. tiempo), como una Transformada Rápida de Fourier (amplitud vs. frecuencia), o como ambas. Esta señal puede ser analizada por un analista de vibraciones entrenado, o por el uso de un algoritmo de un programa informático «inteligente».

Por su parte, este metodo de análisis no es una novedad tecnología. El efecto piezo-eléctrico y la salida de carga de ciertos materiales fue descubierta en 1880 por los Curies. El primer acelerómetro fue incorporado a la industria en 1923. En los últimos 100 años, esta tecnología ha evolucionado para su uso en el mercado industrial de hoy en día, proporcionando mediciones rápidas y eficientes de la vibración de la maquinaria. Los sensores están diseñados para resistir los duros entornos industriales y proporcionar mediciones críticas año tras año.

Por qué se aplica el análisis de vibraciones

Los datos analizados se utilizan para determinar la «salud» de la máquina e identificar cualquier problema inminente en la maquinaria, como desalineación, desequilibrio, un problema de cojinetes o lubricación, piezas deformadas, entre otras. Se entiende por vibración a un movimiento armónico de muy pequeña amplitud que se suele detectar en una carcasa o en un eje de la máquina.

Por ejemplo, si tomamos un ventilador industrial general, quitamos una de las aspas del ventilador y lo ponemos en marcha, podemos esperar que el ventilador vibre, debido a una rueda del ventilador desequilibrada. Esta fuerza de desequilibrio se produce 1 vez/vuelta del ventilador. Si volvemos a instalar la pala del ventilador, esta vibración se reduciría.

El uso del análisis de vibración puede determinar problemas causados debido a una instalación incorrecta, errores de maquinado, lubricación insuficiente, alineación incorrecta de ejes o poleas, tornillos sueltos, ejes doblados y un largo etc. En la mayoría de los casos, puede detectar estos problemas mucho antes de que el daño pueda ser visto por el técnico de mantenimiento, y mucho antes de que dañe otros componentes de la máquina. La aplicación del análisis de vibración, monitoreo de las condiciones, o mantenimiento predictivo ha hecho grandes avances aumentando la vida útil de la maquinaria.

Tipos de fallas identificadas por el análisis de vibración:

Hay varias fallas características en la rotación de las máquinas que se pueden identificar mediante la medición y el análisis de la vibración generado por la máquina:

– Máquina desequilibrada
– La máquina está desalineada
– Resonancia
– Ejes doblados
– Alteraciones de la malla del engranaje
– Mal estado de los cojinetes y rodamientos
– Perturbaciones en el paso de la hoja
– Perturbaciones en el paso de las paletas
– Sujeción adecuada del equipo
– Fallas electromagnéticas
– Recirculación y Cavitación
– Fallos en el motor (rotor y estator)
– Fallos en los rodamientos
– Soltura mecánica
– Velocidades críticas de la máquina
– Estado de los lubricantes

Tipos de instrumentos para el análisis de vibraciones

La práctica del análisis de vibraciones requiere de la medición y el análisis de la rotación. Para ello se utilizan una serie de diferentes sensores de vibración (acelerómetros, transductores de velocidad o sondas de desplazamiento). El sensor más común y más utilizado en la industria es el acelerómetro.

Los sistemas de medición que se comercializan hoy en día son principalmente digitales, es decir, la presión acústica y las vibraciones se convierten en valores digitales para su posterior tratamiento en procesadores de señal más o menos avanzados. Mientras que la tecnología digital ofrece cada vez más posibilidades sofisticadas, los sistemas de medición se adaptan a menudo para comparar los resultados obtenidos con los tomados en el pasado utilizando la tecnología analógica.

Los instrumentos de medición de vibraciones y los analizadores de vibraciones miden, muestran y analizan las vibraciones. La vibración es un simple movimiento armónico que puede ser medida por los siguientes instrumentos de uso común en la industria:

  • Los acelerómetros son pequeños, fáciles de instalar y tienen una gran frecuencia (1-10.000 Hz), pero requieren la integración de herramientas de medición de velocidad para medir la aceleración y son susceptibles a los golpes y a los requisitos de potencia. Los acelerómetros están montados en una carcasa con un perno permanente o imán portátil para sujetarlos en su lugar. Estos miden la vibración de la rotación y emiten un voltaje o una corriente proporcional a la vibración y relativa a una «g» (unidad de atracción gravitacional). Esta señal también puede ser integrada para proporcionar una medición de salida en base a la velocidad (pulgadas/segundo o mm/segundo). Es muy importante elegir la opción correcta de acelerómetro, cable, conector y montaje para cada aplicación. Esto proporcionará mediciones de calidad y datos de vibración precisos para la identificación de fallos en máquinas rotativas.
  • Los sensores de proximidad o proxímetros se utilizan en la monitorización de vibraciones de máquinas para medir la variación de la distancia entre un eje y su cojinete de apoyo. Esto es común en grandes turbinas de vapor, compresores y motores que utilizan cojinetes tipo manguito.
  • En los sensores de desplazamiento, la punta de la sonda contiene una bobina de alambre encapsulada que irradia la alta frecuencia del transductor como un campo magnético. Cuando una superficie conductora se acerca a la punta de la sonda, se generan corrientes de Foucault (se produce cuando un conductor atraviesa un campo magnético variable, o viceversa.) en la superficie del objetivo, disminuyendo la intensidad del campo magnético y provocando una disminución en la salida de C.C. del excitador. Los sensores de desplazamiento son dispositivos robustos que tienen un rango de frecuencia limitado (0-1000 Hz) y son susceptibles a descargas eléctricas o mecánicas. A su vez, requieren sondas de desplazamiento para medir el valor real para el movimiento del eje dentro del cojinete de casquillo. Estas sondas sin contacto miden la vibración del eje y el espacio entre el eje y el diámetro interior del rodamiento. Usando un remolino en el proceso actual, estas sondas proporcionarán una tensión de salida proporcional al desplazamiento (pulgadas o mm).
  • Los sensores de velocidad o velocimetros son más fáciles de instalar que los sensores de desplazamiento, pero son grandes, susceptibles a problemas de calibración y también tienen un rango de frecuencia limitado. El sensor de velocidad se utiliza principalmente para medir las operaciones de equilibrado y movimiento en máquinas rotativas. Estos sensores son ideales para detectar vibraciones de baja y media frecuencia.
  • Los vibrómetros son instrumentos que reciben la señal eléctrica de un transductor y la procesan, aplicando filtración e integración, para obtener el valor total del nivel de vibración en velocidad. La mayoría de ellos están diseñados para tomar medidas de acuerdo a ciertos estándares de severidad de vibración. Por ejemplo, según ISO 2372, el valor de la vibración en velocidad RMS debe medirse en un rango de frecuencia entre 10 y 1000 Hz.7.
  • Los analizadores de frecuencia son, en esencia, ordenadores portátiles pequeños. Su principal virtud es la gran capacidad de diagnosticar problemas asociados a frecuencias características relacionadas con problemas mecánicos en elementos rotativos. Actualmente estos analizadores son equipos digitales con microprocesadores integrados para el cálculo del FFT (transformada rápida de Fourier). Son capaces de obtener el espectro en tiempo real y tienen una multitud de funciones para ayudar en el análisis.
  • El Monitoreo de vibraciones online ofrece una reducción drástica de los intervalos de recolección de datos. Ya que estos se toman continuamente. Permite detectar inmediatamente cualquier cambio en la vibración de la máquina. Asi mismo,  proporciona menores costes de operación. La adquisición automática de datos elimina los costes de mano de obra asociados a la recogida de los datos de vibración de la máquina y mayor calidad en la recolección de datos. La precisión de la medición de datos es mayor, ya que los datos siempre se miden exactamente en el mismo lugar y con el mismo sensor, y además podemos condicionar la recogida de datos a determinadas condiciones de funcionamiento de la máquina (velocidad y carga).  La adquisición de datos de vibración en maquinaria industrial evoluciona hacia sistemas automatizados (sistemas continuos u on-line) que en muchos casos ofrecen mayores beneficios que la adquisición de datos con colectores de datos portátiles.

 

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Diagrama Básico de Análisis de Vibraciones

Cómo realizar el análisis de vibraciones

Aunque se pueden utilizar varias técnicas sofisticadas, los métodos más fundamentales para presentar los datos de vibración son la forma de onda del tiempo (amplitud en función del tiempo) y el espectro de frecuencias (amplitud en función de la frecuencia). A partir de estas dos variables se utilizan generalmente diferentes técnicas que nos ayudan a medir la posición o el desplazamiento de la carcasa o eje, la velocidad a la que se mueve y la aceleración, tomando cómo referencia el modo del tiempo.

Técnicas que se utilizan para hacer la medición de vibraciones

Calculo del Espectro de Vibración Esperado

Basándose en las características de un sistema, es posible modelar su espectro de vibración. Para un activo rotatorio dado, esto incluiría un pico esperado en la frecuencia de rotación fundamental del eje, picos síncronos (armónicos) basados en componentes adicionales como álabes de ventilador y engranajes, etc. En particular, se pueden utilizar herramientas electrónicas para modelar muy eficazmente el comportamiento esperado del sistema.

Digitalización de la señal

Los datos de vibración son capturados por acelerómetros instalados en uno o más ejes ortogonales. La velocidad de muestreo de los acelerómetros debe ser lo suficientemente rápida para capturar el comportamiento de interés. A continuación, la señal debe digitalizarse a una frecuencia de muestreo adecuada para que pueda reconstruirse digitalmente. El resultado es la forma de onda temporal (amplitud de oscilación en función del tiempo) de la vibración a lo largo de los ejes de interés.

Convertir a espacio de frecuencia

Esta técnica consiste en realizar un algoritmo de transformación rápida (FFT) para convertir la forma de onda del tiempo en un espectro de vibración-frecuencia-espectro de frecuencias. El alcance del espectro de frecuencias depende de los acelerómetros y del convertidor analógico-digital (ADC) utilizado. Por lo general, gran parte de la información proporcionada por el análisis de vibraciones se basa en la correlación de los picos de frecuencia con las características físicas del sistema.

Revisar los armónicos

El proceso de correlación comienza con el examen de los denominados picos síncronos – picos que son armónicos de la frecuencia de vibración síncrona – picos fundamentales de rotación del eje. Tomando como ejemplo un motor de 1800 RPM, 3 Hz que es impulsado por una entrada eléctrica de 480 V, 60 Hz. La frecuencia fundamental sería de 30 Hz. Cualquier latido sincrónico – picos en 2X, 3X, 4X, etc. – proporcionan información sobre cuestiones directamente relacionadas con la rotación del eje del motor.

Análisis del tiempo y de la forma de onda

El análisis de la forma de onda en el tiempo puede mejorar el análisis de vibración. No debe considerarse como una herramienta primaria, sino más bien como una herramienta para proporcionar información adicional. Puede ser útil para aplicaciones de baja velocidad porque revela la forma en que la máquina se está moviendo. El análisis de la forma de onda en el tiempo se utiliza frecuentemente para analizar engranajes, por ejemplo. Hay un punto de cruce alrededor de 100 RPM – por debajo de esa velocidad, el análisis del tiempo y la forma de onda proporciona mejores resultados y el análisis de frecuencia no es efectivo.

Análisis de fase

La otra herramienta que complementa el análisis de frecuencia y tiempo-forma de onda es el análisis de fase. Este es un análisis complejo que permite determinar dónde se produce la vibración del eje en relación con el eje. Esto puede ser una vibración introducida por cualquier cosa que se correlacione con la frecuencia de rotación del eje, como un defecto del cojinete.

Análisis de datos de vibración

Las características de los espectros de vibración pueden separarse en señales de estado estacionario, que repiten señales continuas y transitorias, que ocurren como resultado de eventos específicos. Las características de la señal pueden subdividirse en síncronas, asíncronas y sub-síncronas como se indica a continuación:

  • Picos de vibración síncrona:

En los equipos rotativos, el espectro de vibración tendrá un pico en la frecuencia de rotación fundamental del eje. Esto es cierto para cualquier sistema, no sólo para uno con defectos. El sistema típicamente también mostrará picos en múltiplos de la frecuencia fundamental, conocidos como 2X, 3X, etc. Estos se conocen como picos sincrónicos. Frecuentemente están ligados a las características físicas del sistema. Por ejemplo, un engranaje con 32 dientes introducirá un pico de vibración a 32X, o 32 veces la frecuencia fundamental.

  • Picos sub-sincrónicos.

Los espectros de vibración pueden mostrar un tercer tipo de característica conocida como picos sub-sincrónicos. Estos son básicamente armónicos de la frecuencia fundamental. Son causadas por cualquier elemento físico del sistema que opera a una frecuencia inferior a la del eje principal. Una correa suelta en un eje que gira a 30 Hz, por ejemplo, puede deslizarse lo suficiente como para moverse a sólo 29,19 Hz. Esto creará un pico de frecuencia inmediatamente al lado del pico fundamental a 30 Hz. Otros ejemplos incluyen defectos en las carcasas de los rodamientos de bolas, turbulencias, etc.

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Aula21 tiene disponible un curso de análisis de vibraciones presencial, totalmente práctico, para que el participante aprenda cómo interpretar la señal de vibración de los equipos rotativos y cómo reconocer desajustes, un rodamiento defectuoso, piezas dobladas o sueltas etc. – y distinguirlas. Al finalizar el curso se obtienen conocimientos de cómo calcular el ROI de implementación de la tecnología de análisis de vibraciones en una empresa, los diferentes tipos de métodos y tipos de señal empleados en la industria para la su optimización.

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