El análisis de vibraciones le ayuda a monitorear y detectar problemas utilizando datos de vibraciones. Obtenga información sobre la metodología, las herramientas y las técnicas de análisis de vibraciones, los métodos de medición de análisis de vibraciones y mucho más.

¿Qué Es el Análisis de Vibraciones?

El análisis de vibraciones se define como un proceso para medir los niveles y frecuencias de vibración de la maquinaria y luego usar esa información para analizar el estado de salud de 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 la vibración. Cada vez que una pieza de maquinaria está funcionando, está produciendo 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 produce la máquina, generalmente 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 vs.tiempo (conocida como forma de onda temporal), amplitud vs. 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 flojedad, desequilibrio, desalineación, problemas de lubricación y más. El análisis de vibraciones puede detectar problemas como:

• Desequilibrio
• Fallos de rodamientos
• Holgura mecánica
• Desalineación
• Resonancia y frecuencias naturales
• Fallos de motores eléctricos
• Ejes doblados
• Fallos de caja de cambios
• Espacio vacío o burbujas (cavitación) en bombas
• Velocidades críticas

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

Metodología de análisis de vibraciones

Aunque los acelerómetros siguen siendo la herramienta más común para recopilar datos de vibraciones, 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 detectar, lo que 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 uno de ellos le proporciona información específica sobre las condiciones de trabajo y las características de las piezas vibratorias.

1. Dominio de tiempo: Cuando una señal de vibración se recoge 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 de tiempo es la amplitud trazada contra el tiempo. Si bien la mayoría de los problemas de vibración de la máquina se detectan mediante análisis de espectro, algunos tipos se ven más fácilmente en forma de onda.
2. 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 de los análisis en profundidad de la vibración de la maquinaria se realizan en el dominio de la frecuencia o mediante el análisis del espectro.
3. Dominio conjunto: Debido a que 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 de tiempo de unión llamada Gabor-Wigner-Wavelet. Esta técnica se utiliza para calcular las variaciones de la transformada rápida de Fourier (discutida a continuación), incluida la transformada de Fourier de corto plazo (STFT).
4. 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 añadiendo o quitando cosas 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. Estos incluyen:

• Forma de onda de tiempo: Una forma de onda de tiempo es aceleración vs. hora mostrada como tablas y gráficas. Las formas de onda de tiempo muestran una muestra de vibración cruda de corto tiempo, revelando pistas sobre el estado de la maquinaria que no siempre están claras en el espectro de frecuencias. Un método para emplear señales de vibración de forma de onda temporal como herramienta de análisis de vibraciones es el uso de FFT.



• Transformada rápida de Fourier (FFT): FFT se define como un algoritmo utilizado para calcular un espectro a partir de una forma de onda temporal. 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 mencionados anteriormente, FFT convierte una señal del dominio de tiempo en el dominio de frecuencia. La transformada rápida de Fourier se utiliza con mayor frecuencia para detectar fallas de 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 son de la misma frecuencia. La medición de fase se utiliza en conjunto con FFT para descifrar fallas de la máquina como piezas sueltas, desalineación y desequilibrio.
• Análisis de órdenes: El análisis de órdenes es una variación del análisis FFT y se utiliza principalmente para cuantificar las vibraciones de máquinas con revoluciones variables 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 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): La densidad espectral de potencia se calcula multiplicando la amplitud del FFT por sus diferentes formas para normalizarlo con el ancho de la bandeja de frecuencia (el ancho de la bandeja se refiere a los valores agrupados del eje x). Piense en PSD como si observara vibraciones o movimientos «aleatorios» a muchas frecuencias diferentes. PSD compara con precisión las señales de vibración aleatorias que tienen diferentes longitudes de señal.



• análisis Envolvente: El análisis de 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 una gráfica de la línea central de un cojinete de cojinete de manguito. Se mide colocando dos sondas en el soporte del rodamiento a 90 grados de distancia. Los datos de estas sondas se pueden visualizar digitalmente y se pueden utilizar para detectar las vibraciones del eje causadas por el giro de aceite: el aceite gira alrededor del interior, lo que hace que el diario 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: Puede pensar en verificar el nivel general de vibración como una «comprobación aproximada» en una máquina. Al sentir una máquina con la mano, puede determinar una sensación general de si se está ejecutando aproximadamente sobre una banda de frecuencia ancha. Esta comprobación inicial es mejor en máquinas rotativas, en particular en máquinas de alta velocidad. Lo general, no es aplicable a las máquinas reciprocantes.
• Análisis espectral de 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 las frecuencias sustanciales procedentes de los componentes de la máquina. Cuando 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 acoplamiento de dientes en un par de ruedas dentadas.
• Monitorización de frecuencia discreta: Si necesita monitorear un componente específico dentro de una máquina, el monitoreo de frecuencia discreta mide el nivel de vibración que se genera en una frecuencia particular que se espera que genere ese componente. Por ejemplo, si desea observar un eje determinado en una máquina, debe girar el monitoreo 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 rodamientos de elementos rodantes con un instrumento de mano. El instrumento de mano emite una frecuencia natural que es excitada por choques o vibraciones generadas por 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 del pulso de choque. Medición de curtosis: La curtosis le da una medida de la» puntiaguda » de una señal aleatoria. Las señales con un valor de curtosis más alto tienen más picos que son más de tres veces el valor del cuadrado medio de raíz (RMS) de la señal. En el análisis de vibraciones, la curtosis se utiliza para controlar el desarrollo de fatiga en rodamientos con un instrumento sencillo.
• Promedio de señales: Dado que las señales cambian con el tiempo, el promedio de señales 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 señales se utiliza a menudo en el monitoreo de una marcha en relación con su velocidad de rotación. En este ejemplo, el promedio de señales 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 ecos sísmicos producidos por terremotos y explosiones de bombas, cepstrum se utiliza 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 juegos de bandas laterales, lo que puede ser confuso. El cepstrum separa esas bandas laterales de la misma manera que el espectro separa patrones de tiempo repetitivos en la forma de onda. El análisis de Cepstrum se utiliza a menudo para observar las interacciones entre la frecuencia de rotación de los rotores de cuchillas y la frecuencia de paso de las cuchillas. Otro ejemplo es examinar las frecuencias de acoplamiento de dientes de 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 da mayor importancia a las frecuencias altas. 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 centra en las frecuencias bajas. Las mediciones de desplazamiento generalmente solo se utilizan cuando se examina el panorama general de las vibraciones mecánicas. Puede usar 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 gravedad 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. Se pueden 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 en gran medida 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 verá con los instrumentos de interpretación de análisis de vibraciones es operar simulaciones 3D de formas de desviación (ODS) de vibraciones de 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 afectan a su máquina mientras está en funcionamiento.

Algunas compañías de instrumentos de análisis de vibraciones ofrecen bases de datos con miles de frecuencias de fallas de rodamientos precargadas para ayudarlo a identificar ciertas frecuencias de fallas para sus rodamientos. Algunos programas informáticos pueden supervisar continuamente la geometría de sus elementos rodantes y avisarle de posibles fallos prematuros.

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 está realizando análisis de vibraciones como consultor externo, para que pueda compartir espectros libremente con sus clientes.

Beneficios del monitoreo continuo de vibraciones

Los métodos y herramientas que se describen 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 de análisis y monitoreo de vibraciones le permite observar cuantitativamente la debilidad estructural o la holgura, la holgura de los componentes giratorios y si la resonancia está presente.

Si se implementa correctamente, el monitoreo continuo de vibraciones le ayuda a optimizar el rendimiento de la maquinaria. Con el uso de la tecnología moderna, puede tomar lecturas de vibración continuas en varios equipos en tiempo real y enviar los datos directamente a su teléfono inteligente, tableta o escritorio a través de la nube.

• Monitoree equipos críticos: Equipo crítico es cualquier pieza de equipo o máquina que podría causarle un gran golpe 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 de rodamientos mucho antes de que aparezcan problemas importantes.
• Monitor fuertemente equipos usados: Muchas plantas operan 24/7, deteniéndose sólo en forma mensual o trimestral para el mantenimiento de rutina. Detener más de esto puede costarle a la planta una cantidad significativa de dinero. El monitoreo continuo de vibraciones en línea ayuda a monitorear el estado de maquinaria muy usada o maquinaria con problemas y envía alertas cuando cambia esa condición.
• Supervisar 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 se pueden monitorear 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.

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 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 su capacidad para cumplir con los requisitos de flujo de aire cerrado. 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 el segundo ventilador se encendió, los problemas de vibración se presentaron en ciertos puntos de ajuste.

El análisis de vibraciones reveló que una vez que se encendió el ventilador No.2, se produjo un ligero aumento de 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 la vertical fueraborda del motor a 0.456 pulgadas por segundo, con un pico dominante a 841 ciclos por minuto, de acuerdo con las tecnologías IVC. 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 de IVC Technologies Unidad de Tratamiento de aire Estudio de caso

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