Análisis de vibraciones: qué es y como se realiza

Así como un electrocardiograma se aplica a nuestros corazones para determinar la frecuencia cardíaca y evaluar su estado de salud, sobre las máquinas se aplican análisis de vibraciones. Este análisis sirve para medir la magnitud y frecuencia de las vibraciones, y determinar si estas magnitudes están dentro o fuera de los parámetros requeridos.

De manera similar a cómo los médicos interpretan los electrocardiogramas para diagnosticar problemas cardíacos, los especialistas en mantenimiento utilizan el análisis de vibraciones para evaluar la condición y el rendimiento de la maquinaria, permitiendo una intervención temprana y precisa si se detectan anomalías.

Definición del Análisis de Vibración

El análisis de vibraciones es el proceso de medir y evaluar las vibraciones complejas de las máquinas, que se componen de varias vibraciones simples vinculadas a sus componentes internos en movimiento. Utilizando herramientas como acelerómetros para detectar los niveles y frecuencias de vibración, este análisis ayuda a descifrar la condición y el rendimiento actual de los equipos.

Esta técnica es parte importante en las estrategias de mantenimiento predictivo y del mantenimiento basado en la condición aplicado en la mayoria de las industrias.

¿Cómo se generan estas vibraciones en las máquinas?

Las vibraciones son creadas típicamente por las partes móviles dentro del sistema. Estas pueden incluir componentes rotativos, engranajes, rodamientos, ejes o cualquier otra parte que pueda oscilar. Un desequilibrio o desalineación en estos componentes puede llevar a vibraciones.

Por ejemplo, un rotor ligeramente doblado en un motor podría hacer que exista vibración al girar. Estas vibraciones pueden ser simples (constantes en frecuencia y amplitud) o complejas (compuestas por muchas frecuencias y amplitudes diferentes).

Vibraciones en el Dominio del tiempo

Es esencialmente una representación gráfica de la amplitud de la vibración trazada contra el tiempo, mostrando el patrón o forma de la onda de vibración en cualquier instante dado.

Analizar una forma de onda en el dominio del tiempo ayuda a comprender el comportamiento general de la vibración. Proporciona una idea directa de la ocurrencia de eventos periódicos o transitorios en la señal de vibración, y a menudo es el punto de partida para un análisis adicional en el dominio de la frecuencia, que puede ofrecer información más detallada sobre las frecuencias específicas involucradas.

Para entender mejor este concepto, es necesario definir cuáles son las magnitudes involucradas al momento de leer la gráfica.

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Frecuencia y Periodo

Es la duración que emplea una masa en desplazarse hasta el punto A y regresar al mismo punto. A este intervalo de tiempo constante se le conoce como período de oscilación, y usualmente se mide en segundos o milisegundos, representando la finalización de un ciclo completo por parte del muelle. La frecuencia, comúnmente se expresa en Hz (ciclos por segundo) o CPM (ciclos por minuto), siendo el valor inverso del período, lo que significa que F= 1 / P.

La vibración a menudo puede estar vinculada a la velocidad de un elemento rotativo u otros movimientos periódicos dentro de la máquina. Comprender la frecuencia ayuda a diagnosticar problemas específicos, ya que diferentes componentes pueden vibrar en diferentes frecuencias características.

Amplitud

La amplitud de la vibración es un reflejo de su intensidad, evidenciando el grado de su severidad. Su medición puede realizarse a través de diversos métodos. El primero de ellos consiste en determinar la amplitud de pico, que en este contexto es de A. Al segundo, se conoce como amplitud pico-pico, ya que la onda es simétrica y presenta un movimiento correspondiente de amplitud -A en la dirección opuesta.

Finalmente, el tercer enfoque es conocido como valor RMS (root-mean-square), una métrica más intrincada. Esta representa la raíz cuadrada del promedio de los cuadrados de los valores de la onda. En el caso de una onda sinusoidal, el valor RMS es igual a 0.707 del valor pico. Sin embargo, es importante destacar que esto solo es válido en el caso de las ondas sinusoidales. El valor RMS es útil como un indicador de la energía encapsulada en la forma de onda.

Vibraciones en el Dominio de la frecuencia

Las vibraciones en el dominio de la frecuencia se refieren al análisis de una señal de vibración examinando sus frecuencias constituyentes. A diferencia del dominio del tiempo, donde se representa el comportamiento de una señal a lo largo del tiempo, el dominio de la frecuencia representa la amplitud y la fase de la señal en diversas frecuencias.

Analizar las vibraciones en el dominio de la frecuencia es particularmente útil para entender los componentes distintos que componen una señal de vibración compleja. Ayuda a identificar las frecuencias particulares en las que un sistema está vibrando y la contribución de cada frecuencia a la vibración general.

A continuación, se explican algunos conceptos relacionados a las vibraciones en el dominio de la frecuencia.

Espectro de Frecuencia: Esta es una gráfica que muestra la amplitud de las vibraciones en varias frecuencias. El espectro puede revelar frecuencias dominantes que pueden corresponder a componentes mecánicos específicos, ayudando a identificar posibles problemas o desequilibrios en el sistema

Armónicos: Muchos sistemas mecánicos exhiben vibraciones armónicas, donde ciertas frecuencias son múltiplos enteros de una frecuencia fundamental. Analizar estos armónicos en el dominio de la frecuencia puede proporcionar una idea del comportamiento del sistema y posibles problemas.

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Transformada de Fourier: A menudo, la transición del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia se logra mediante la Transformada de Fourier, particularmente la Transformada Rápida de Fourier (FFT). Esta técnica matemática descompone una señal en el dominio del tiempo en sus ondas seno y coseno constituyentes, representándolas como frecuencias.

Contextualizando, las vibraciones representadas en forma de onda se refieren a la gráfica en el dominio del tiempo, mientras que el espectro es la denominación de la gráfica en el dominio de la frecuencia. Transformar la información de la señal del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia es lo que se conoce como análisis del espectro a través de la Transformada Rápida de Fourier (FFT).

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Unidades de medida en el análisis de espectros

Un analizador de espectros utiliza la transformada rápida de Fourier (FFT) para descomponer la señal compleja de una máquina en sus series constituyentes de señales sinusoidales. Posteriormente, estas series se muestran de manera individualizada en una gráfica de espectro, donde se pueden visualizar parámetros clave de la vibración, como el desplazamiento, la velocidad y la aceleración, ofreciendo una detallada representación de las características de la vibración.

Aceleración: La aceleración enfatiza las altas frecuencias dentro de un análisis de vibración, pero no es un parámetro exclusivo. Puede ser convertida en otros parámetros, como velocidad o desplazamiento, ofreciendo una visión más completa de las vibraciones de la máquina.

Desplazamiento: El desplazamiento se centra en las bajas frecuencias y se utiliza principalmente para obtener una visión general de las vibraciones mecánicas. Es especialmente útil para detectar desbalances en componentes giratorios, ya que una cantidad significativa de desplazamiento en las frecuencias de rotación del eje puede indicar problemas.

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¿Cómo se miden las vibraciones?

La instrumentación para medir vibraciones en máquinas rotativas se clasifica en dos categorías principales: sistemas portátiles, que pueden ser transportados y utilizados según se necesiten, y sistemas instalados de forma permanente, que ofrecen un monitoreo constante y en tiempo real de las condiciones de las máquinas.

Transductores

El transductor convierte las vibraciones mecánicas en señales eléctricas analógicas, permitiendo su procesamiento y análisis. Existen diferentes tipos de transductores para medir desplazamiento, velocidad y aceleración, cada uno adecuado para distintas aplicaciones industriales.

Es importante mencionar que la precisión en las lecturas de amplitud y frecuencia son esenciales, ya que ofrece información exacta sobre los defectos mecánicos. La coherencia en la detección de estas vibraciones, incluso con señales de la misma amplitud, proporciona datos cruciales para identificar la causa subyacente de las vibraciones.

Medidas de desplazamiento: Son adecuadas para vibraciones a baja frecuencia y vitales cuando se requiere conocer con detalle el movimiento de un rotor, más allá de la vibración transmitida al soporte del rodamiento. Utilizando transductores de desplazamiento, estas mediciones indican el esfuerzo o deformación que experimenta la máquina.

Medidas de velocidad: Tienen una aplicación más amplia, ya que la velocidad es un indicador de la severidad de la vibración y se relaciona proporcionalmente con el nivel de fatiga del sistema mecánico. Aunque se pueden utilizar sensores de velocidad, los acelerómetros son más comunes debido a su mejor respuesta en frecuencia y menor costo. Además, la señal del acelerómetro se procesa para convertirla en unidades de velocidad.

Medidas de aceleración: Son óptimas para analizar fenómenos a altas frecuencias (Fallas en rodamientos, por ejemplo), ya que la aceleración brinda una comprensión precisa de las fuerzas internas asociadas a una fuente específica de vibración, tal como se refleja en la relación F = m × a.

Toda esta categorización de mediciones ofrece una visión completa y detallada del comportamiento vibratorio de las máquinas.

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Fallas detectadas por los sensores de vibración

Los sensores de vibración pueden detectar una amplia variedad de fallas, ofreciendo información vital para el mantenimiento predictivo y preventivo. Aquí tienes una lista de algunas fallas comunes que estos sensores pueden identificar:

  • Desbalanceo y desalineación
  • Desgaste en Rodamientos
  • Fallas en Engranajes
  • Fricción Excesiva
  • Holguras mecánicas y pie suave en los apoyos
  • Fisuras o Grietas Estructurales
  • Problemas de Lubricación
  • Cavitación en Bombas
  • Resonancia y sobrecarga

Importancia de hacer análisis de vibraciones de forma 

El análisis de vibraciones es un componente crítico en el mantenimiento predictivo y la supervisión de la condición de las máquinas rotativas. La importancia de este análisis puede resumirse en los siguientes aspectos técnicos:

  • Identificación Temprana de Anomalías: A través de la detección precisa de las frecuencias y amplitudes de vibración, el análisis de vibraciones permite identificar anomalías incipientes en rodamientos, desbalanceo, desalineación, holguras, y otros defectos mecánicos.

  • Análisis Espectral y Modal: Utilizando técnicas como la Transformada Rápida de Fourier (FFT), se puede transformar la señal en el dominio del tiempo en el dominio de la frecuencia. Esto proporciona una representación espectral que ayuda a detectar y diagnosticar fallas específicas según sus características de frecuencia.

  • Reducción del Tiempo de Inactividad: La identificación proactiva de fallas incipientes permite una intervención temprana, previniendo fallas catastróficas y reduciendo el tiempo y los costos asociados con el tiempo de inactividad no planificado.

  • Extensión de la Vida Útil de los Componentes: Al prevenir el funcionamiento en condiciones no óptimas y corregir los defectos a tiempo, ayuda a extender la vida útil de los componentes, optimizando la inversión en equipos.

  • Cumplimiento de Normativas y Estándares: La aplicación sistemática del análisis de vibraciones garantiza el cumplimiento de normativas y estándares de calidad y seguridad, mitigando riesgos potenciales.

  • Caracterización Detallada de Fuentes de Vibración: Mediante el análisis modal, es posible identificar las formas modales y frecuencias naturales, proporcionando una comprensión detallada de cómo las vibraciones se propagan a través del sistema, lo que es fundamental para el diseño y mejoras en la ingeniería.

La implementación del análisis de vibraciones en máquinas es una estrategia crucial en el mantenimiento moderno. A través de técnicas avanzadas y una comprensión profunda de las dinámicas de vibración, permite proporcionar una visión única y detallada de la condición y el rendimiento de los equipos.

La habilidad para detectar y diagnosticar fallas incipientes, optimizar la eficiencia, extender la vida útil de los componentes y cumplir con normativas y estándares hace que el análisis de vibraciones sea una herramienta indispensable. En última instancia, contribuye a una gestión de activos más inteligente y sostenible, reduciendo costos y minimizando riesgos.