Análisis De Vibraciones

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El análisis de vibraciones ayuda a monitorear y detectar problemas usando datos de vibraciones. Lee sobre metodología, herramientas y técnicas de análisis de vibraciones, métodos de medición de análisis de vibraciones y más.

¿Qué es el análisis de vibraciones?

El análisis de vibraciones se define como un proceso para medir los niveles de vibración y las frecuencias de la maquinaria y luego usar esa información para analizar qué tan saludables están las máquinas y sus componentes. Si bien el funcionamiento interno y las fórmulas utilizadas para calcular varias formas de vibración pueden complicarse, todo comienza con el uso de un acelerómetro para medir la vibración. Siempre que una pieza de maquinaria está en funcionamiento, produce vibraciones. Un acelerómetro conectado a la máquina genera una señal de voltaje que corresponde a la cantidad de vibración y la frecuencia de vibración que está produciendo la máquina, generalmente cuántas veces por segundo o minuto ocurre la vibración.

Todos los datos recopilados del acelerómetro van directamente a un recopilador de datos (software), que registra la señal como amplitud frente a tiempo (conocida como forma de onda de tiempo), amplitud frente a frecuencia (conocida como transformada rápida de Fourier) o ambas. Todos estos datos se analizan mediante algoritmos de programas informáticos, que a su vez son analizados por ingenieros o analistas de vibraciones capacitados para determinar el estado de la máquina e identificar posibles problemas inminentes como holgura, desequilibrio, desalineación, problemas de lubricación y más. El análisis de vibraciones puede detectar problemas como:

Desequilibrio
Fallos de cojinetes
Aflojamiento mecánico
Desalineación
Resonancia y frecuencias naturales
Fallos del motor eléctrico
Ejes doblados
Fallos de la caja de cambios
Espacio vacío o burbujas (cavitación) en bombas
Velocidades críticas

VibrAlign, un distribuidor y proveedor de capacitación en alineación y mantenimiento, utiliza el ejemplo de tomar un ventilador industrial, quitar una paleta del ventilador y ponerlo en marcha. Como era de esperar, el ventilador vibra debido a una rueda de ventilador desequilibrada. Esta fuerza desequilibrada ocurrirá una vez por revolución del ventilador. Otro ejemplo sería una pista de rodamiento dañada que hace que un rodillo de rodamiento genere vibraciones cada vez que entra en contacto con la astilla (similar a un bache en una carretera). Si tres rodillos de los cojinetes golpean la astilla por revolución, debería ver una señal de vibración de tres veces la velocidad de funcionamiento del ventilador.

Metodología de análisis de vibraciones

Si bien los acelerómetros siguen siendo la herramienta más común utilizada para recopilar datos de vibración, la tecnología moderna y la tecnología de sensores mejorada han permitido sensores láser de alta velocidad sin contacto que pueden detectar problemas que los acelerómetros no pueden. Esto permite un análisis más preciso y localizado, y abre el análisis de vibraciones a más metodología. El análisis de vibraciones generalmente se divide en cuatro principios, y cada principio le brinda información específica sobre las condiciones de trabajo y las características de las partes vibratorias.

Dominio del tiempo: cuando se capta una señal de vibración de un transductor (dispositivo que convierte una cantidad física en una señal eléctrica) y se muestra en la pantalla de un osciloscopio, se denomina forma de onda. Esta señal está en el dominio del tiempo. El dominio del tiempo es la amplitud graficada contra el tiempo. Si bien la mayoría de los problemas de vibración de las máquinas se detectan mediante el análisis de espectro, algunos tipos se ven más fácilmente en forma de onda.
Dominio de la frecuencia: cuando la forma de onda discutida anteriormente se somete a un análisis de espectro, el resultado final es una imagen de frecuencia frente a amplitud, conocida como espectro. El espectro está en el dominio de la frecuencia como la vibración está en el dominio del tiempo. La mayor parte del análisis en profundidad de la vibración de la maquinaria se realiza en el dominio de la frecuencia o mediante el análisis de espectro.
Dominio conjunto: dado que las señales de vibración varían con el tiempo, puede resultar útil calcular más de un espectro a la vez. Para hacer esto, se puede utilizar una técnica de tiempo conjunto llamada Gabor-Wigner-Wavelet. Esta técnica se utiliza para calcular variaciones de la transformada rápida de Fourier (discutida a continuación), incluida la transformada de Fourier de corta duración (STFT).
Análisis modal: el análisis modal toma las funciones de respuesta de frecuencia medidas de una pieza de maquinaria y las coloca en un modelo de computadora. El modelo de computadora se puede mostrar con animaciones de todos los diferentes modos de vibración. El modelo se puede ajustar agregando o quitando elementos como masa o rigidez para ver los efectos.

Fuera de estos cuatro principios básicos se encuentran numerosas formas de análisis, cálculos y algoritmos utilizados para determinar diferentes aspectos del análisis de vibraciones. Éstas incluyen:

Forma de onda de tiempo: una forma de onda de tiempo es la aceleración frente al tiempo que se muestra como tablas y gráficos. Las formas de onda de tiempo muestran una muestra breve de vibración en bruto, revelando pistas sobre el estado de la maquinaria que no siempre son claras en el espectro de frecuencias. Un método para emplear señales de vibración en forma de onda de tiempo como herramienta de análisis de vibraciones es mediante FFT.

Transformada rápida de Fourier (FFT): FFT (Fast Fourier Transform) se define como un algoritmo utilizado para calcular un espectro a partir de una forma de onda de tiempo. En otras palabras, es un cálculo destinado a descomponer una señal en todas sus frecuencias. Si recuerdas el dominio del tiempo y el dominio de la frecuencia discutidos anteriormente, FFT convierte una señal del dominio del tiempo en el dominio de la frecuencia. La transformada rápida de Fourier se usa con mayor frecuencia para detectar fallas en la máquina, como desalineación o desequilibrio.
Medición de fase: cuando se habla de análisis de vibraciones, la fase es una diferencia de tiempo relativa entre dos señales medidas en unidades de ángulo en lugar de tiempo. Solo funciona si las dos señales que se comparan tienen la misma frecuencia. La medición de fase se usa en conjunto con FFT para descifrar fallas de la máquina como piezas sueltas, desalineación y desequilibrio.
Análisis de pedidos: el análisis de pedidos es una variación del análisis FFT y se utiliza principalmente para cuantificar las vibraciones de máquinas con diferentes revoluciones por minuto (RPM). En otras palabras, el análisis de orden es un análisis de frecuencia donde el eje de frecuencia del espectro se muestra en órdenes de RPM en lugar de hercios. El término “órdenes” se refiere a una frecuencia que es un múltiplo de una velocidad de rotación de referencia. Por ejemplo, si una señal de vibración es igual al doble de la frecuencia de rotación del motor, el orden es dos.
Densidad espectral de potencia (PSD): la densidad espectral de potencia (Power spectral density) se calcula multiplicando la amplitud de la FFT por sus diferentes formas para normalizarla con el ancho del intervalo de frecuencia (el ancho del intervalo se refiere a los valores agrupados del eje x). Piensa en PSD como si observaras vibraciones o movimientos “aleatorios” en muchas frecuencias diferentes. PSD compara con precisión las señales de vibración aleatorias que tienen diferentes longitudes de señal.

Análisis envolvente: el análisis envolvente es una forma de análisis de vibraciones que puede detectar impactos con muy baja energía, a menudo ocultos por otras señales de vibración. Es una herramienta de diagnóstico popular para dientes de engranajes y rodamientos de rodillos dañados.
Órbita: la órbita se define como un gráfico de la línea central de un cojinete de manguito. Se mide colocando dos sondas en la carcasa del cojinete con una separación de 90 grados. Los datos de estas sondas pueden mostrarse digitalmente y usarse para detectar las vibraciones del eje causadas por el remolino de aceite: el aceite gira en el interior, lo que hace que el muñón se mueva.
Análisis de resonancia: el análisis de resonancia identifica todas las vibraciones y frecuencias naturales en las máquinas. La presencia de resonancia significa una alta vibración, que podría alcanzar niveles dañinos.

Categorías de medición de vibraciones

Nivel general de vibración: puedes pensar en verificar el nivel general de vibración como una “revisión preliminar” en una máquina. Al tocar una máquina con la mano, puedes determinar una sensación general de si está funcionando aproximadamente en una banda de frecuencia ancha. Esta verificación inicial es mejor en maquinaria rotativa, en particular máquinas de alta velocidad. Por lo general, no se aplica a las máquinas recíprocas.
Análisis espectral de vibraciones: el análisis espectral es el proceso de transformar una señal del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia. A menudo se hace usando FFT. La señal se analiza para determinar las frecuencias sustanciales que provienen de los componentes de la máquina. Donde hay un pico en la señal de frecuencia, esa es la fuente probable de vibración. Las aplicaciones comunes para el análisis espectral incluyen la velocidad de rotación de un eje o la frecuencia con la que se produce el engrane de dientes en un par de ruedas dentadas.
Monitoreo de frecuencia discreta: si necesitas monitorear un componente específico dentro de una máquina, el monitoreo de frecuencia discreta mide el nivel de vibración que se genera a una frecuencia particular que se espera que genere ese componente. Por ejemplo, si deseas mirar dentro de un determinado eje en una máquina, cambiarías el control a la velocidad de rotación de esa máquina. La frecuencia discreta se calcula utilizando el algoritmo FFT.
Monitoreo del pulso de choque: El monitoreo del pulso de choque es una técnica de mantenimiento predictivo que monitorea los rodamientos con un instrumento de mano. El instrumento de mano emite una frecuencia natural que se agita con los golpes o vibraciones generados por los rodamientos. En otras palabras, cuando dos piezas de metal se tocan entre sí mientras están en movimiento, se desarrollan ondas de choque a partir del impacto, que viaja a través del metal. Esta onda de choque se utiliza en la monitorización de impulsos de choque.
Medición de la curtosis: la curtosis le da una medida del “pico” de una señal aleatoria. Las señales con un valor de curtosis más alto tienen más picos que son más de tres veces el valor cuadrático medio (RMS, root mean square) de la señal. En el análisis de vibraciones, la curtosis se usa para monitorear el desarrollo de la fatiga en rodamientos con un instrumento simple.
Promedio de la señal: dado que las señales cambian con el tiempo, el promedio de la señal es importante en el análisis del espectro porque determina el nivel de la señal en cada frecuencia. Es particularmente importante para las mediciones de baja frecuencia porque necesitan un tiempo promedio más largo para obtener una estimación estáticamente precisa del espectro. El promedio de señal se usa a menudo en el monitoreo de un engranaje en relación con su velocidad de rotación. En este ejemplo, el promedio de la señal te mostrará la acción cíclica de cada diente en el engranaje. Si un diente tiene una grieta grande, se detectará debido a su mayor flexibilidad.
Análisis cepstrum: originalmente inventado para caracterizar los ecos sísmicos producidos por terremotos y explosiones de bombas, el cepstrum se usa para observar los patrones repetidos en un espectro. Los patrones repetidos en el espectro se detectan como uno o dos componentes en el cepstrum con múltiples conjuntos de bandas laterales, lo que puede resultar confuso. El cepstrum separa esas bandas laterales como la forma en que el espectro separa patrones de tiempo repetitivos en la forma de onda. El análisis cepstrum se utiliza a menudo para observar las interacciones entre la frecuencia de rotación de los rotores de palas y la frecuencia de paso de las palas. Otro ejemplo es el examen de las frecuencias de engrane de los dientes de los engranajes y las velocidades de rotación de los engranajes.

Parámetros de medición de análisis de vibraciones

Todas estas técnicas de análisis de vibraciones ayudan a identificar tres parámetros principales: aceleración, velocidad (RMS) y desplazamiento. Cada uno de estos parámetros enfatiza ciertos rangos de frecuencia a su manera y se pueden analizar juntos para diagnosticar problemas. Echemos un vistazo a cada parámetro.

Aceleración: la aceleración otorga mayor importancia a las altas frecuencias. Sin embargo, una señal de aceleración no es exclusiva. La señal de aceleración se puede convertir en velocidad o desplazamiento.
Desplazamiento: al igual que la aceleración da mayor importancia a las frecuencias altas, el desplazamiento se ve en las frecuencias bajas. Las mediciones de desplazamiento generalmente solo se usan cuando se examina el panorama general de las vibraciones mecánicas. Puede utilizar el desplazamiento para descubrir el desequilibrio en una pieza giratoria debido a una cantidad significativa de desplazamiento en las frecuencias de rotación del eje de la máquina.
Velocidad: la velocidad está relacionada con la fuerza destructiva de la vibración, por lo que es el parámetro más importante. Da igual importancia a las frecuencias altas y bajas. Por lo general, el valor RMS de la velocidad (medido en el rango de 10 a 10,000 Hz) muestra el mejor signo de severidad de la vibración. El valor eficaz se calcula multiplicando la amplitud máxima por 0,707.

A continuación se muestra un ejemplo de cómo se ven la aceleración, el desplazamiento y la velocidad en la misma señal. Puedes ver algunos picos en las mismas frecuencias, pero cada uno tiene diferentes amplitudes. Esta es una buena imagen de cómo cada parámetro asigna una importancia diferente a los rangos de frecuencia.

Herramientas y tecnología de análisis de vibraciones

La tecnología avanzada, en particular los avances en tecnología inalámbrica, ha mejorado enormemente la forma en que los analistas de vibraciones recopilan, interpretan y comparten datos. Hoy en día, los analizadores de vibraciones son extremadamente portátiles, se comunican con teléfonos inteligentes y tabletas en tiempo real y pueden generar FFT en una resolución extremadamente alta. Muchas empresas de instrumentos de vibración desarrollan sus propias aplicaciones para comunicarse entre sí.

Otra forma de tecnología avanzada que verás con los instrumentos de interpretación de análisis de vibraciones son las simulaciones 3D de formas de deflexión operativa (ODS, operating deflection shapes) de las vibraciones de la maquinaria. En pocas palabras, este tipo de software exagera los movimientos inducidos por vibraciones en un modelo 3D para que pueda visualizar las fuerzas que impactan en su máquina mientras está funcionando.

Algunas compañías de instrumentos de análisis de vibraciones ofrecen bases de datos con miles de frecuencias de fallas de rodamientos precargadas para ayudarte a identificar ciertas frecuencias de fallas para sus rodamientos. Algún software puede monitorear continuamente la geometría de sus elementos rodantes y advertirle cuando pueden ocurrir posibles fallas prematuras.

Como ocurre con la tecnología más avanzada, la mayoría de los datos de análisis de vibraciones se cargan automáticamente en la nube y están disponibles en tu dispositivo móvil, computadora o directamente desde tu navegador. Esto es especialmente útil si estás realizando un análisis de vibraciones como consultor externo, de modo que puedes compartir espectros libremente con sus clientes.

Beneficios del monitoreo continuo de vibraciones

Los métodos y herramientas discutidos en este artículo no sólo son excelentes para determinar qué está mal con un equipo o maquinaria (reactivo), sino que también se pueden usar para detectar problemas antes de que causen un tiempo de inactividad significativo (proactivo). El uso de análisis y monitoreo de vibraciones le permite observar cuantitativamente la debilidad o la holgura estructural, la holgura de los componentes giratorios y si hay resonancia.

Si se implementa correctamente, el monitoreo continuo de vibraciones te ayuda a optimizar el rendimiento de la maquinaria. Con el uso de tecnología moderna, puedes tomar lecturas de vibraciones continuas en varios equipos en tiempo real y hacer que los datos se envíen directamente a tu teléfono inteligente, tableta o computadora de escritorio a través de la nube.

Monitorear el equipo crítico: el equipo crítico es cualquier pieza de equipo o máquina que podría causarle un gran impacto financiero si ocurriera una falla. El monitoreo continuo de vibraciones ayuda a detectar discrepancias en el espectro de vibraciones, lo que puede revelar problemas de lubricación y defectos en los rodamientos mucho antes de que aparezcan problemas importantes.
Monitorear equipos muy usados: muchas plantas operan 24 horas al día, 7 días a la semana, y solo se detienen mensualmente o trimestralmente para el mantenimiento de rutina. Detener más que esto puede costarle a la planta una cantidad significativa de dinero. El monitoreo continuo de vibraciones en línea ayuda a monitorear la condición de maquinaria muy usada o maquinaria con problemas y envía alertas cuando esa condición cambia.
Monitorear equipos de difícil acceso: realizar el mantenimiento de equipos ubicados en lugares de difícil acceso es difícil. Las máquinas en tejados, torres de refrigeración y aquellas que operan en áreas de alta temperatura pueden monitorearse continuamente para detectar anomalías de vibración, lo que permite realizar el mantenimiento en el momento conveniente. Esto evita el tiempo de inactividad no planificado y evita que el personal de mantenimiento acceda a estas ubicaciones innecesariamente.

Estudio de caso de análisis de vibraciones

Las herramientas y técnicas utilizadas en el proceso de análisis de vibraciones pueden ser un poco confusas en papel, así que echemos un vistazo a un ejemplo del mundo real de IVC Technologies. Este estudio de caso particular examina las pruebas de una unidad de tratamiento de aire en una instalación farmacéutica. La unidad es necesaria para hacer funcionar dos ventiladores de suministro a su capacidad para cumplir con los requisitos de flujo de aire encerrado. La unidad de tratamiento de aire tiene dos ventiladores de acoplamiento directo, cada uno equipado con un motor de 150 horspower. La evaluación inicial de la unidad de ventilador mostró que la unidad funcionaba normalmente cuando un ventilador estaba funcionando, pero una vez que se encendió el segundo ventilador, se presentaron problemas de vibración en ciertos puntos de ajuste.

El análisis de vibraciones reveló que una vez que se encendió el ventilador n. ° 2, se produjo un ligero aumento en la amplitud de la vibración en los tres puntos de medición, mientras que el ventilador n. ° 1 permaneció igual. Las pruebas mostraron que la amplitud más alta apareció en la vertical del motor fuera de borda a 0.456 pulgadas por segundo, con un pico dominante a 841 ciclos por minuto, según IVC Technologies. Esto indicó que el problema podría ser una vibración de resonancia estructural, ya que los datos espectrales no mostraron otros signos de problemas mecánicos.

Resultados de la prueba de vibración *(Ambos ventiladores funcionan simultáneamente)*
Punto de medición	Velocidad VFD	Ventilador #2	Ventilador #1
Motor Outboard Vertical (MOV)	55.6 Hz	0.456 In./Seg.	0.255 In./Seg.
Motor Inboard Vertical (MIV)	55.6 Hz	0.347 In./Seg.	0.174 In./Seg.
Motor Inboard Horizontal (MIH)	55.6 Hz	0.260 In./Seg.	0.96 In./Seg.

* Información del caso de estudio de la unidad de tratamiento de aire de IVC Technologies

Como consultor, IVC Technologies recomendó que la empresa inspeccionara la estructura del marco y el amortiguador dinámico del ventilador No. 2. También se recomendó una prueba de impacto para localizar y analizar la vibración de resonancia.