¿Qué es el análisis de vibraciones? Técnicas y herramientas

Ya hemos visto los beneficios de implementar técnicas de mantenimiento predictivo, como el ultrasonido en mantenimiento, que hemos visto anteriormente. En esta oportunidad profundizaremos en la técnica de análisis de vibraciones y cómo puede contribuir al éxito del mantenimiento.

¿Qué es el análisis de vibraciones en el mantenimiento predictivo?

De manera sencilla, podemos resumir que el análisis de vibraciones es el estudio de los procesos de medición sobre los niveles de frecuencias vibratorias de una maquinaria industrial. 

Es decir, el diagnóstico de vibraciones se encarga de identificar, prevenir y predecir fallas en los equipos. ¿Cómo lo hace? 

Lo logra mediante la captación de las ondas vibratorias y las frecuencias. Para ello, se colocan acelerómetros en los distintos componentes que generarán una carga de voltaje similar a la cantidad, la frecuencia y el tiempo de vibración. 

Esta información será recogida por un colector de datos basados en ondas de tiempo o en las transformadas rápidas de Fourier. En este punto, será el analista de vibraciones o un software especializado quien recurrirá a la lectura e interpretación de los datos. 

Beneficios del análisis de vibraciones

• Reducción de los costes de reparación y sustitución de maquinarias.
• Reducción de la inactividad por fallas inesperadas.
• Optimización de la productividad y la seguridad de los empleados en la planta.

¿Qué fallas detecta el análisis de vibraciones?

Una falla puede definirse como cualquier alteración en una pieza, componente o estructura que difiera de su diseño original e interfiera con su funcionamiento. En un análisis de vibraciones, se pueden clasificar las fallas en causas relacionadas con:

• Fragilidad inherente al diseño y el material de fabricación.
• Uso incorrecto o fuerzas mal ejecutadas, contrarias al movimiento natural del equipo. 
• Deterioro gradual debido al paso del tiempo, desgaste, corrosión o rozamientos entre otras. 

Limitaciones de los análisis de vibraciones

Frecuencia Máxima

Normalmente, los sensores tienen una frecuencia de entre 10 a 15 kHz. Esto deja a las frecuencias superiores a 15 por fuera del espectro y las mediciones. 

Ultra Bajas Frecuencias

Las bajas frecuencias también son complejas de medir. No por una imposibilidad de los elementos de medición de vibraciones, si no porque requieren mayor tiempo de muestreo en los sensores. 

Estado del Lubricante 

Los sensores sólo pueden indicar el faltante de lubricante, no la calidad o el estado del mismo. 

Fundamentos y Principios Básicos del Análisis de Vibraciones

Vibración

Las vibraciones se producen por el movimiento repetitivo de una estructura, máquina o conjunto de componentes. Ocurre a partir de una posición de equilibrio y se repite en intervalos de tiempo debido a la fricción y las fuerzas centrífugas. 

Estas suelen variar en amplitud y frecuencia, las cuales sirven para posteriores análisis de vibraciones. 

Amplitud

La amplitud es la extensión más amplia entre lo más bajo y lo más alto de una onda. Para calcular el nivel de energía contenida en este movimiento durante un diagnóstico de vibraciones se utilizará la Raíz Cuadrática Media o RMS.

Frecuencia

La frecuencia es el número de ciclos por segundo Hz de la vibración. Y cada pieza mecánica dentro de un equipo posee una huella vibratoria en particular, con respectivas frecuencias y amplitudes que responden a distintas causas. 

FFT

Para identificar las frecuencias y amplitudes que componen una señal, se utiliza la Transformada Rápida de Fourier. Esta descompone una señal en todas sus frecuencias. 

Parámetros de Medición

Se distinguen por la importancia que cada parámetro le da a la frecuencia: 

• Aceleración: Se enfoca en las altas frecuencias para comprobar el estado de engranajes y rodamientos.
• Velocidad: Se enfoca en altas y bajas frecuencias para medir la energía destructiva de la vibración.
• Desplazamiento: Se enfoca en las bajas frecuencias para evaluar el desbalance dinámico y las órbitas.

¿Cuándo realizar un análisis de vibraciones? Ejemplos

Ejemplos de Análisis de vibraciones en las pruebas de Aceptación

Se aplican los análisis de vibraciones en el producto antes de salir de la fábrica y luego de su instalación en planta. Esta permite averiguar si su desempeño coincide con los parámetros de diseño y fabricación, o si hubo inconvenientes en el traslado del equipo. 

Ejemplos de servicio de análisis de vibraciones para la detección de Pérdidas y Cuerpos Extraños

El diagnóstico de vibraciones permite identificar la presencia de cuerpos extraños en líneas de procesos o en las válvulas. 

Detección de Fugas mediante analizador de vibraciones y colector de datos

Los flujos de fuga generan una vibración muy natural y específica que el análisis de vibraciones puede detectar. Esto permitirá localizar y aislar la fuga hasta resolver el problema. 

Tipos de instrumentos que se usan en el análisis de vibraciones en el mantenimiento predictivo

• Acelerómetros: Miden la vibración de la rotación emitiendo un voltaje proporcional a la unidad de atracción gravitacional, g.  Se instala en el componente, y posee un espectro de frecuencia hasta 10000 Hz.
• Sensores de proximidad: Registran la variación de la distancia entre un eje y su cojinete de apoyo.
• Sensores de desplazamiento. Cuentan con una sonda y una bobina de alambre recubierto que irradia la frecuencia del conversor de energía, o transductor, como campo magnético. 
• Sensores de Velocidad: Miden las operaciones de equilibrio y movimiento en las máquinas rotativas. Se especializan en las vibraciones de baja y media frecuencias. 
• Vibrometros: Reciben la señal eléctrica de un transductor para luego aplicarle integraciones y filtros. Así consiguen el valor total del nivel de vibración en velocidad.
• Analizadores de Frecuencia: Similares a pequeños ordenadores, esta herramienta sirve para el análisis de vibraciones y ayuda a detectar problemas mecánicos de equipos rotativos. 

¿Cómo realizar un análisis de vibraciones? Mejores técnicas. 

El procedimiento de obtención de datos en un diagnóstico de vibraciones consta de tres pasos básicos. 

1. Montar los transductores en distintos puntos de la maquinaria
2. Conectar el transductor con un dispositivo de recolección de datos. 
3. Acondicionar la señal eléctrica. Para ello se realizan tareas de amplificación de señal y disminución de impedancia. 

A continuación se desarrollan las tareas de procesamiento de datos donde se incorporarán los analizadores de vibraciones. Veamos algunos ejemplos

1 | Cálculo del espectro de Vibración Esperado

En esta técnica de análisis de vibraciones, se realiza una modelación de su espectro de vibración. Ya que en cada componente rotatorio se puede predecir un pico en la frecuencia de vibración en la rotación fundamental del eje. Además de picos síncronos relacionados con otros componentes. 

2 | Digitalización de la señal en el análisis de vibraciones

Los datos de la vibración se capturan en los acelerómetros. Por ello, la alta velocidad de muestreo de la herramienta es vital para captar las señales más importantes. Posteriormente, dicha señal se digitalizará a una frecuencia de muestreo adecuada donde se verá la forma de la onda temporal de vibración.

3 | Conversión a espacio de frecuencia: Vibraciones FFT

Para convertir el espacio de frecuencia en un análisis de vibraciones, se utilizará el algoritmo de transformación rápida FFT.  Esta transforma la onda de tiempo al espectro de frecuencias. 

Luego se comparan los picos de frecuencia con las características propias del sistema. 

4 | Revisión de los armónicos en el análisis de vibraciones

Dicha comparación en un diagnóstico de vibraciones comienza con el exámen de los picos que son sincrónicos y armónicos al movimiento fundamental del eje. 

Cada latido sincrónico, en 2x, 3x, o 4x, brinda información exacta sobre las condiciones de funcionamiento del eje del motor.

5 | Análisis del tiempo y de la forma de onda

La técnica de análisis de vibraciones basados en la forma de onda en el tiempo es una herramienta secundaria. Es útil para aplicaciones de baja velocidad como es el caso del estudio de los engranajes.

6 | Análisis de Fase

Otro complemento del análisis de frecuencia, tiempo y forma de la onda es la fase. Este permite averiguar dónde se produce la vibración en relación con el eje. Se puede producir por cualquier elemento que interfiera con la frecuencia de rotación del eje, como los defectos del cojinete. 

7 | Análisis de datos de vibración

Como dijimos, las características del espectro de vibración pueden dividirse en señales de estado. Estas reflejan el movimiento continuo y transitorio producto de eventos específicos. A su vez, estas señales pueden dividirse en:

• Picos de vibración síncrona: Si el espectro de vibración es sincrónico al movimiento del eje representará que la máquina funciona correctamente.
• Picos Sub-sincrónicos: si son sub sincrónicas, devela que existe un componente vibrando a una frecuencia menor que el movimiento del eje. Es la pista clave que llevará a descubrir la falla de un elemento. 

Conclusión

En este artículo hemos repasado las principales herramientas, técnicas y conceptos del análisis de vibraciones. En este proceso es fundamental la incorporación de software de mantenimiento. Puedes chequear las opciones de Fracctal One, o Sismetro en el listado de Compara Software.