Análisis de vibraciones

La vibración en una máquina es una de las preocupaciones más extendidas dentro de la industria, pues esta puede indicar problemas tales como:

• Desequilibrio de elementos rotativos.

• Desalineación en acoplamientos.

• Engranajes desgastados o dañados.

• Rodamientos deteriorados.

• Problemas eléctricos.

• Alineación incorrecta del eje.

• Holgura.

Por ejemplo, la alineación incorrecta del eje causa vibración porque los ejes no están correctamente centrados, así que existe una alineación angular incorrecta. Este ejemplo concreto puede ocurrir cuando los ejes de un motor y de una bomba no se encuentran en paralelo, o bien, sí lo están, pero no son coincidentes. Esta clase de desalineación también puede surgir durante el montaje o desarrollarse a lo largo del tiempo debido a aspectos como la dilatación térmica o el desplazamiento de los componentes. En dicho caso, las vibraciones que se presentan en la aplicación pueden ser de tipo radial o axial.

Con base en lo anterior, también es posible considerar las vibraciones mecánicas como un indicador acerca de la salud de una máquina y del correspondiente desempeño de los componentes que la integran, tales como reductores o acoplamientos, por ejemplo. Como tal, este fenómeno físico requiere un monitoreo constante para poder realizar los ajustes oportunos en la maquinaria y evitar fallos trascendentes y costosos. En nuestro blog “Sistemas de control” nos hemos referido al espectro de vibración como el indicador concreto que permite la predictibilidad de fallas a partir de cálculos matemáticos.

El espectro obtenido en una máquina saludable es relativamente simple comparado con el de una máquina que presenta fallas. Las imágenes presentadas a continuación sirven como ejemplos para interpretar lo siguiente: cuando una máquina no tiene holguras mecánicas y muestra buena salud, su espectro es más constante y uniforme. Si la máquina, por otro lado, manifiesta algún problema (en este caso, de soltura), entonces sus picos serán más numerosos y de mayor amplitud.

Por lo anterior, tener en cuenta el concepto que se refiere al análisis de vibraciones es indispensable dentro de la labor de automatización que los sistemas de control facilitan, pues estos requieren un monitoreo y mantenimiento regular. En este blog recordaremos, en primer lugar, el concepto básico de vibración para ofrecerte, al final, un panorama general de lo que implica el análisis de vibraciones. La vibración es, básicamente, un tipo de movimiento y nosotros somos expertos en el control de movimiento, así que puedes confiar en que te ofreceremos las mejores alternativas para que logres integrar una maquinaria saludable.

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¿Qué son las vibraciones?

La vibración es una oscilación mecánica que ocurre en torno a una posición de equilibrio. Es el resultado de las fuerzas dinámicas que tienen lugar tanto en las máquinas como en estructuras con partes en movimiento o que están sometidas a acciones variables. Por ello, las máquinas que se encuentran en operación producen vibraciones de baja amplitud y que son naturales a su funcionamiento en sí mismo, pues dichas vibraciones son causadas por la fuerza necesaria para rotar ejes, soportar cargas o ajustar componentes internos, por ejemplo. De ahí que, sea necesario seleccionar componentes adecuados y realizar supervisiones constantes del funcionamiento de estos mediante sistemas o técnicas para monitorear las vibraciones, ya que estas pueden llegar a ser nocivas para las máquinas si no se realiza algún ajuste o intervención oportuna.

Entonces, las vibraciones severas son el resultado de los problemas mecánicos derivados de las fuerzas que ejercen los componentes de una máquina al cambiar de dirección o de intensidad como parte de los movimientos rotativos. Es importante considera que, las diferentes partes de la máquina vibrarán con distintas frecuencias y amplitudes. En cualquier caso, la vibración puede causar fatiga y averías. Debido a lo anterior, comenzar a analizar lo referente a un estudio de vibraciones implica conocer las variables más relevantes acerca de este fenómeno.

Dado que la vibración surge cuando una oscilación tiene lugar sobre una posición de referencia, entonces la frecuencia es la variable que aquí consideraremos la más significativa en un análisis de vibraciones, porque consiste en el número de veces que un ciclo de movimiento completo ocurre durante un periodo determinado. Si bien la frecuencia se mide en hercios (Hz), para el análisis de las vibraciones también se pueden emplear los ciclos por minuto (cpm), porque existe una relación importante entre la frecuencia y la velocidad angular de los elementos rotativos. La correspondencia entre cpm y rpm permite identificar el problema y la pieza responsable de la vibración, pues las fuerzas cambian de dirección y amplitud de acuerdo con la velocidad de giro.

En cuanto a la amplitud de la vibración como indicador de la salud de una máquina, esta se mide con base en las variables de velocidad, desplazamiento o aceleración. En otras palabras, la severidad de la vibración es indicada de una forma precisa al medir la velocidad, aceleración o desplazamiento de la vibración según el intervalo de frecuencias entre la que ocurre. De esta forma, para frecuencias por debajo de 600 cpm, se toman medidas de desplazamiento; en cambio, en el intervalo entre 600 y 60000 cpm, se mide velocidad; y para frecuencias mayores a 60000 cpm, se toman aceleraciones.

Tipos de vibraciones

Las vibraciones producidas por las máquinas no suelen presentar solo un tipo de frecuencia, sino que son una mezcla de vibraciones de diferentes frecuencias. Alfonso Fernández nos explica en el blog “Vibración en maquinaria industrial” que una vibración compuesta es la suma de varios tipos de vibraciones simples; en consecuencia, la vibración de una máquina es una vibración compuesta por una serie de vibraciones simples asociadas a sus componentes internos en movimiento. Con base en ello, es posible adelantar que la forma de onda de vibración de una máquina no necesariamente es una señal sinusoidal, más bien puede llegar a ser muy compleja.

Las complejidad de las vibraciones abarca fenómenos como lo aleatorio o la intermitencia. A continuación, te describiremos brevemente los tipos de vibraciones que Alfonso Fernández explica para comprender de mejor manera lo referente a un análisis de vibraciones.

• La vibración aleatoria es la que no presenta patrones concretos o cuya lectura dificulta identificar dónde comienza y termina un ciclo. Estas vibraciones suelen estar asociadas a turbulencia en sopladores y bombas, a problemas de lubricación y contacto metal-metal en elementos rodantes, así como a cavitación en bombas. La sugerencia que podemos darte, por el momento, es analizar este tipo de vibraciones mediante el espectro y no con base en el comportamiento de la onda en el tiempo.

• Existen vibraciones que se comportan como golpeteos intermitentes y que, por lo tanto, están asociadas a impactos continuos que crean una señal repetitiva. Esto es un fenómeno común en los engranajes, rodamientos o en el paso de las aspas de un impulsor o ventilador, por mencionar algunos ejemplos. Cabe destacar que, este tipo de señales tiende a morir debido a la amortiguación del entorno.

• También existen las vibraciones que se caracterizan por variar en la amplitud de su señal debido a la influencia que reciben de alguna otra señal (por lo regular, de una frecuencia más baja). A este fenómeno se le conoce como modulación de amplitud (AM). En este caso, la frecuencia que se modula es denominada portadora. En la siguiente imagen podrás apreciar que la vibración componente más importante es la portadora y que las otras vibraciones componentes, las cuales parecen armónicas, se denominan bandas laterales. Estas últimas se ubican simétricamente a cada lado de la portadora y su distancia es igual a la frecuencia moduladora.

Las imágenes fueron tomadas de nuestra lectura recomendada para este blog: Vibración en maquinaria industrial

¿Qué es el análisis de vibraciones?

Al compartirte todo el panorama anterior, hemos tenido el propósito de recordar la trascendencia de un fenómeno que, si bien se encuentra presente de forma natural en el funcionamiento de cualquier máquina, también puede resultar nocivo para la operación de la misma. Una vibración a la que se le permite crecer debido a falta de mantenimiento o a una selección de componentes incorrecta o de baja calidad, eventualmente, llevará a paros de maquinaria. Así que, es importante tener en cuenta el análisis de las vibraciones.

El análisis de vibraciones es, básicamente, el proceso que mide los niveles y las frecuencias de vibración de la maquinaria industrial. La finalidad es monitorear el estado de las máquinas y sus componentes para, a su vez, predecir y prevenir fallas en las máquinas rotativas. Confiabilidad, eficacia y optimización son las cualidades asociadas con un análisis de vibraciones llevado a cabo de forma apropiada. Ahora bien, los acelerómetros son los dispositivos diseñados para recoger la información de las vibraciones y así procesar los datos con ayuda de un analizador de espectro o mediante un algoritmo.

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Los acelerómetros generan una señal de voltaje que es proporcional a la cantidad de vibración, así como a la frecuencia de vibración (las veces por segundo o minutos que se produce la vibración). Dicha señal de voltaje está conectada a un colector de datos que registra la señal de dos maneras posibles:

• como una forma de onda de tiempo (amplitud frente a tiempo);

• como una Transformación Rápida de Fourier (amplitud frente a frecuencia);

• o, incluso, como ambas.

En cualquier caso, la forma de onda obtenida será procesada posteriormente mediante un software de análisis de vibraciones, el cual permitirá visualizar gráficos especializados tales como el espectro o la cascada. La finalidad de dicho software es facilitar el diagnóstico a través de la información recogida de las vibraciones. Este proceso permite conocer qué tan grave es la vibración a través del uso del Valor Global o de la Intensidad de Vibración. Dicho valor resulta luego de medir la amplitud de la forma de onda en el eje y, lo cual se puede llevar a cabo de tres maneras diferentes:

• De punta a punta (amplitud pico-pico).

• Del centro de la onda a la punta más alta (amplitud cero-pico).

• La tercera forma consiste en una medición que es similar al promedio de la amplitud de la onda, lo que se conoce como RMS (raíz cuadrada media). Esta manera es la más utilizada para determinar los valores de alarma, pues está normalizada y, en la práctica, descarta picos atípicos o transitorios en tan solo un instante.

Además de lo anterior, actualmente, existen diversos instrumentos y técnicas que permiten recoger la información acerca del comportamiento de las vibraciones para, después, interpretarla y poder determinar el estado de la maquinaria o de alguno de sus componentes. Así, los analizadores de vibraciones son dispositivos que miden, muestran y analizan dicho movimiento. Entre tales instrumentos de medición se encuentran:

• Acelerómetros

• Sensores de proximidad o proxímetros

• Sensores de desplazamiento

• Sensores de velocidad

• Vibrómetros

Analizar la frecuencia de las vibraciones sirve para identificar las variables que antes te hemos mencionado:

• Aceleración: otorga mayor importancia a las frecuencias altas. Es importante tener en cuenta que la señal de aceleración se puede convertir a velocidad o desplazamiento.

• Desplazamiento: este parámetro en particular puede ayudar a descubrir el desbalanceo en una parte giratoria, debido a la acumulación de desplazamientos que presentan las frecuencias de rotación del eje de la máquina.

• Velocidad: este parámetro está asociado con la capacidad destructiva de la vibración. Regularmente, 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.

Un análisis de vibración te ayudará a prevenir problemas en tu maquinaria, incluso, mucho antes de que el daño sea detectado por el técnico de mantenimiento; es importante aplicar estos análisis con las herramientas adecuadas y de forma oportuna para aumentar la vida útil de tus aplicaciones. Sin embargo, a esta herramienta se suman alternativas que, en conjunto, te garantizarán un entorno de producción saludable. Con ello, nos referimos a una selección de componentes basada en el cálculo y, por supuesto, a componentes de alta calidad tales como actuadores con puertos de lubricación, acoplamientos con alta rigidez torsional o elementos de soporte que favorezcan movimientos con la menor fricción posible.

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En cuanto a esto último, tanto los bujes como los rodamientos son componentes mecánicos cuya función es apoyar o servir de guía para piezas mecánicas que giran, oscilan o se deslizan. De esta manera, al soportar, permitir y restringir el movimiento, concentran y disipan las fuerzas que se generan al interior del mecanismo. Debido a esta función, son elementos ideales para escuchar las anomalías asociadas con vibraciones que tengan lugar durante la operación de la máquina. Por ello, las vibraciones deben registrarse mediante sensores colocados lo más cerca posible a los rodamientos, pues esto ayudará a obtener información clara para el respectivo diagnóstico. En máquinas que incluyen rodamientos, es común el uso de acelerómetros para medir la vibración y en máquinas que integran bujes o cojinetes de película de aceite (por ejemplo, las que son impulsadas por turbinas) es habitual emplear sensores de proximidad.

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