Análisis de vibraciones explicado

Jonathan Trout, Noria Corporation. Traducido por Noria Latín América

El análisis de vibraciones lo ayuda a monitorear y detectar problemas utilizando los datos de las vibraciones. Lea acerca de la metodología, herramientas y técnicas de análisis de vibraciones, sus métodos de medición y más.

¿Qué es el análisis de vibraciones?

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

Todos los datos recopilados del acelerómetro van directamente a un colector 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 son analizados por algoritmos de programas de computadora, que a su vez son analizados por ingenieros o analistas de vibraciones capacitados para determinar la salud de la máquina e identificar posibles problemas inminentes como soltura, desbalanceo, desalineación, problemas de lubricación y más. El análisis de vibraciones puede detectar problemas como:

• Desbalanceo
• Fallas de rodamientos
• Soltura mecánica
• Desalineación
• Resonancia y frecuencias naturales
• Fallas del motor eléctrico
• Ejes doblados
• Fallos de caja de engranajes
• Burbujas (cavitación) en las bombas.
• Velocidades críticas

VibrAlign, distribuidor de equipos y proveedor de capacitación en alineación y mantenimiento, utiliza el ejemplo de tomar un ventilador industrial, quitar un aspa del ventilador y ponerlo en marcha. Como es de esperarse, el ventilador vibra debido a que está desbalanceado. Esta fuerza desbalanceada ocurrirá una vez por revolución del ventilador. Otro ejemplo sería una pista dañada en un rodamiento que hace que el rodillo genere vibraciones cada vez que entra en contacto con la fisura (similar a un bache en una carretera). Si tres rodillos golpean la fisura por cada 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 comúnmente utilizada para recopilar datos de vibraciones, la tecnología moderna y la mejorada tecnología de los sensores ha permitido sensores láser de alta velocidad, los cuales pueden detectar problemas sin estar en contacto, cosa que los acelerómetros no pueden detectar. Esto permite un análisis más preciso y localizado, abriendo el análisis de vibraciones a más metodología. El análisis de vibraciones generalmente se divide en cuatro principios; cada uno le brinda información específica sobre las condiciones de trabajo y las características de las partes que vibran.

• 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 onda. Esta señal está en el dominio del tiempo. El dominio del tiempo es la amplitud trazada contra el tiempo. Si bien la mayoría de los problemas de vibración de la máquina se detectan mediante un análisis del espectro, algunos tipos se ven más fácilmente en forma de onda.
• Dominio de frecuencia: Cuando la forma de onda discutida anteriormente se somete a análisis de espectro, el resultado final es una imagen de frecuencia vs. amplitud, conocida como espectro. El espectro está en el dominio de la frecuencia como la vibración está en el dominio del tiempo. La mayoría del análisis en profundidad de la vibración de la maquinaria se realiza en el dominio de la frecuencia o mediante un análisis del espectro.
• Dominio conjunto: Como las señales de vibración varían con el tiempo, calcular más de un espectro a la vez puede ser útil. Para hacer esto, se puede utilizar una técnica conjunta de tiempo llamada Gabor-Wigner-Wavelet. Esta técnica se utiliza para calcular las variaciones de las transformadas rápidas de Fourier (que se analiza a continuación), incluyendo las transformadas de Fourier a corto plazo (STFT, por sus siglas en inglés).
• Análisis modal: El análisis modal toma las funciones de respuesta de frecuencia medidas de un componente 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 cosas tales 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. Entre estos se incluyen:

•  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 enseñan una muestra breve de vibración en bruto, revelando pistas sobre la condición de la maquinaria que no siempre está clara en el espectro de frecuencia. Un método de emplear señales de vibración de forma de onda de tiempo como herramienta de análisis de vibración es mediante el uso de transformadas rápidas de Fourier.
• Transformada rápida de Fourier (FFT, por sus siglas en inglés): FFT se define como un algoritmo utilizado para calcular un espectro a partir de una onda de tiempo. En otras palabras, es un cálculo destinado a descomponer una señal en todas sus frecuencias. Si recuerda el dominio de  tiempo y el dominio de frecuencia discutidos anteriormente, FFT convierte una señal del dominio de tiempo al dominio de frecuencia. La transformada rápida de Fourier se usa con mayor frecuencia para detectar fallas de la máquina, como desalineación o desbalanceo.
• Medición de fase: Cuando se habla del 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 son de la misma frecuencia. La medición de fase se utiliza junto con FFT para descifrar fallas de la máquina, como piezas sueltas, desalineación y desbalanceo.
• Análisis de orden: El análisis de orden es una variación del análisis FFT y se utiliza principalmente para cuantificar las vibraciones de máquinas con revoluciones por minuto (RPM) variables. En otras palabras, el análisis de orden es un análisis de frecuencia en el cual el eje de frecuencia del espectro se muestra en órdenes de RPM en lugar de Hertz. 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, por sus siglas en inglés): La densidad espectral de potencia se calcula multiplicando la amplitud de la FFT por sus diferentes formas para normalizarla con el ancho del contenedor de frecuencia (el ancho del contenedor se refiere a los valores agrupados del eje x). Piense en PSD como si estuviera mirando vibraciones o movimientos “aleatorios” en muchas frecuencias diferentes. PSD compara con precisión las señales aleatorias de vibración que tienen diferentes longitudes de señal.
• Análisis de envolvente: El análisis de envolvente es una forma de análisis de vibración que puede detectar impactos con muy poca 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 diagrama de la línea central de un cojinete. Se mide colocando dos sondas en el alojamiento 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 latigazo de aceite: el aceite girando en su interior hace que el eje se mueva.
• Análisis de resonancia: El análisis de resonancia identifica todas las vibraciones y frecuencias naturales en las máquinas. La presencia de resonancia significa alta vibración, que podría alcanzar niveles perjudiciales.

Categorías de medición de vibraciones

• Nivel general de vibración: Puede pensar en verificar el nivel global de vibración como un “control aproximado” en una máquina. Al sentir una máquina con la mano, puede determinar en un sentido general si está funcionando aproximadamente en una banda de frecuencia amplia. Esta verificación inicial es mejor en maquinaria rotativa, particularmente en máquinas de alta velocidad. Por lo general, no es aplicable a máquinas reciprocantes.
• Análisis espectral de la vibración: 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 cualquier frecuencia sustancial proveniente 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 engranan los dientes en un par de ruedas dentadas.
• Monitoreo de frecuencia discreta: Si necesita monitorear un componente específico dentro de una máquina, el monitoreo de frecuencia discreto mide el nivel de vibración que se genera a una frecuencia particular que se espera que genere ese componente. Por ejemplo, si desea mirar dentro de un eje determinado en una máquina, debe activar la supervisión a la velocidad de rotación de esa máquina. La frecuencia discreta se calcula utilizando el algoritmo FFT.
• Monitoreo de pulso de choque: El monitoreo de pulso de choque es una técnica de mantenimiento predictivo que monitorea los aspectos de elementos rodantes con un instrumento de mano. El instrumento de mano emite una frecuencia natural que es impulsada por golpes o vibraciones generadas 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 el monitoreo del pulso de choque.
• Medición de curtosis: La curtosis le proporciona una medida de qué tan “puntiaguda” es una señal aleatoria. Las señales con un valor de curtosis más alto tienen más picos que son tres veces más grandes que el valor de la raíz cuadrada media (RMS, por sus siglas en inglés) de la señal. En el análisis de vibraciones, la curtosis se utiliza para controlar el desarrollo de la fatiga en rodamientos con un instrumento simple.
• Señal promedio: Dado que las señales cambian con el tiempo, la señal promedio 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 estática precisa del espectro. La señal promedio 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 le mostrará la acción cíclica de cada diente en el engranaje. Si un diente tiene una grieta grande, se detectaría debido a su mayor flexibilidad.
• Análisis de cepstrum: Originalmente inventado para caracterizar los ecos sísmicos producidos por terremotos y explosiones de bombas, el cepstrum se utiliza para observar los patrones repetidos en un espectro. Los patrones repetidos en el espectro se perciben como uno o dos componentes en el cepstrum con múltiples conjuntos de bandas laterales, lo que puede ser confuso. El cepstrum separa esas bandas laterales como la forma en que el espectro separa los patrones de tiempo repetitivos en la onda. El análisis de Cepstrum a menudo se utiliza para observar las interacciones entre la frecuencia de rotación de los rotores de las palas y su frecuencia de paso. Otro ejemplo es examinar las frecuencias de engrane de los dientes del engranaje y sus velocidades de rotación.

Parámetros de medición del 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 frecuencias altas. Sin embargo, una señal de aceleración no es exclusiva. La señal de aceleración se puede convertir a velocidad o desplazamiento.
• Desplazamiento: Al igual que la aceleración les da mayor importancia a las frecuencias altas, el desplazamiento observa las frecuencias bajas. Las mediciones de desplazamiento generalmente solo se utilizan cuando se examina la imagen general de las vibraciones mecánicas. Puede usar el desplazamiento para descubrir el desbalanceo en una parte 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 RMS 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. Puede ver algunos picos en las mismas frecuencias, pero cada uno tiene diferentes amplitudes. Esta es una buena imagen de cómo cada parámetro asigna diferente importancia a los rangos de frecuencia.

Herramientas y tecnología de análisis de vibraciones

La tecnología avanzada, particularmente 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 compañías de instrumentos de vibración desarrollan sus propias aplicaciones para comunicarse entre sí.

Otra forma de tecnología avanzada que verá con los instrumentos de interpretación de análisis de vibraciones es operar simulaciones 3D de formas de deflexión (ODS) de vibraciones de maquinaria. En pocas palabras, este tipo de software exagera los movimientos inducidos por la vibración en un modelo 3D para que pueda visualizar las fuerzas que afectan su máquina mientras está en funcionamiento.

Algunas compañías de instrumentos de análisis de vibraciones ofrecen bases de datos con miles de frecuencias de falla de rodamientos precargadas para ayudarlo a identificar ciertas frecuencias de falla para sus rodamientos. Algunos softwares pueden monitorear continuamente la geometría de sus elementos rodantes y advertirle sobre posibles fallas prematuras.

Al igual que con la tecnología más avanzada, la mayoría de los datos de análisis de vibraciones se cargan automáticamente en la nube y están disponibles en su dispositivo móvil, computadora o directamente desde su navegador. Esto es especialmente útil si realiza análisis de vibraciones como consultor externo, para que pueda compartir libremente los espectros con sus clientes.

Beneficios del monitoreo continuo de vibraciones

Los métodos y herramientas discutidos en este artículo no solo 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 del análisis y monitoreo de vibraciones le permite observar cuantitativamente la debilidad o soltura estructural, soltura de componentes rotativos y si existe resonancia.

Si se implementa correctamente, el monitoreo continuo de la vibración lo ayuda a optimizar el desempeño de la maquinaria. Con el uso de la tecnología moderna, puede tomar lecturas continuas de vibración en varios equipos en tiempo real y enviar los datos directamente a su 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 golpe financiero si ocurriera una falla. El monitoreo continuo de la vibración ayuda a detectar discrepancias en el espectro de vibración, lo que puede revelar problemas de lubricación y defectos de los rodamientos mucho antes de que aparezcan problemas importantes.
• Monitorear los equipos muy utilizados: Muchas plantas operan las 24 horas, los 7 días de la semana, y solo se detienen mensual o trimestralmente para el mantenimiento de rutina. Detenerse más de 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 los equipos de difícil acceso: Realizar tareas de mantenimiento en equipos ubicados en lugares de difícil acceso es complicado. Las máquinas en azoteas, torres de enfriamiento y aquellas que operan en áreas de alta temperatura pueden monitorearse continuamente para detectar anomalías de vibración, lo que permite realizar el mantenimiento en un momento conveniente. Esto evita el tiempo de inactividad no planificado y evita que el personal de mantenimiento acceda a estas ubicaciones innecesariamente.

Caso de estudio de análisis de vibraciones

Las herramientas y técnicas utilizadas en el proceso de análisis de vibraciones pueden ser un poco confusas en el papel, así que echemos un vistazo a un ejemplo del mundo real de IVC Technologies. Este caso de estudio en 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 toda capacidad para cumplir con los requisitos de flujo de aire. La unidad de tratamiento de aire tiene dos ventiladores directamente acoplados, cada uno equipado con un motor de 150 HP. La evaluación inicial de un ventilador mostró que la unidad operaba normalmente, pero una vez que se encendió el segundo ventilador, los problemas de vibración se presentaron en ciertos puntos de ajuste.

El análisis de vibración reveló que una vez que se encendió el ventilador No. 2, se produjo un ligero aumento en la amplitud de la vibración en los tres puntos de medición, mientras que el ventilador No. 1 permaneció igual. Las pruebas mostraron que la amplitud más alta apareció en el motor externo vertical 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.

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

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