Una guía para el análisis de las vibraciones

¿Qué es el análisis de las vibraciones?

El análisis de las vibraciones recoge y procesa datos sobre las vibraciones mecánicas en una máquina, componente o estructura. Se usa para detectar vibraciones anormales que pueden indicar el estado general del objeto en prueba. Se han diseñado muchas herramientas y técnicas de análisis para medir, almacenar y extraer información sobre las vibraciones. Estas técnicas permiten monitorizar el estado de las máquinas y pueden ayudar a una empresa a mejorar la productividad, reducir costes y producir bienes de forma más sostenible.

¿Por qué medir las vibraciones?

La medición de las vibraciones ofrece un número de ventajas a los ingenieros encargados de controlar el estado de las estructuras y los componentes. Les puede permitir reaccionar en tiempo real a los cambios en el estado de los componentes y hace posible la monitorización remota del estado. También existen técnicas de análisis de vibraciones bien establecidas que se pueden usar en el mantenimiento predictivo.

Las dos principales aplicaciones de la monitorización de las vibraciones son la protección de la integridad estructural de infraestructuras como puentes y tuberías para garantizar su seguridad de uso, y la monitorización de componentes como motores y rodamientos para prolongar su funcionamiento y gestionar su ciclo de vida y su mantenimiento.

• Vibraciones en los motores y otras partes móviles

Las vibraciones también pueden producirse debido a los motores y otros componentes móviles. Es normal que los motores generen pequeñas vibraciones, pero los cambios o aumentos en las vibraciones del motor pueden indicar problemas. Existen distintas causas potenciales para las vibraciones del motor, como los desequilibrios debidos a defectos en los componentes, engranajes desalineados, mal funcionamiento de los cojinetes, desgaste general de los cojinetes y otras piezas, o un motor flojo en el montaje.

Las vibraciones podrían indicar problemas que reducen la eficiencia energética del motor, aumentando los costes. Con el aumento en los precios, esta es una preocupación creciente. Sin embargo, los mayores costes pueden surgir cuando un motor falla. Además de los costes de sustitución o reparación, se puede interrumpir la producción, perdiendo ingresos y generando más costes debido a la necesidad de reponer los materiales dañados.

• Garantizar la integridad estructural

Otro uso del análisis de las vibraciones es la monitorización de la integridad estructural de elementos infraestructurales como puentes, tuberías y turbinas eólicas. Por ejemplo, a medida que aumenta su tamaño, las turbinas eólicas están sujetas a mayores vibraciones estructurales. La medición de las vibraciones "normales" de un aspa de una turbina eólica y su posterior comparación con los cambios observados en ese patrón pueden sugerir un problema estructural, lo que permite abordar el problema antes de que cause un fallo catastrófico.

El fallo de los componentes también puede producirse rápidamente debido a las vibraciones inducidas por la aplicación de una carga de choque, que es una carga transitoria que presenta una amplitud muy elevada de corta duración. Los equipos electrónicos, por ejemplo, pueden ser enviados con sensores para detectar golpes y vibraciones excesivas.

¿Cómo se miden las vibraciones?

Los sensores de vibración son dispositivos que miden la fuerza y la frecuencia de una vibración en un componente o sistema en particular. La frecuencia de la vibración muestra la frecuencia con la que se produce. El seguimiento de los picos de vibración puede ayudar a encontrar la causa del problema. Los sensores de vibración también registran la intensidad de la vibración: cuanto más vibración presente el equipo, mayor será la intensidad de las mediciones.

Existen varios tipos de sensores de vibración, y cada uno funciona con principios diferentes y tiene su propia aplicación. Algunos requieren contacto directo con el componente sometido a prueba, mientras que otros pueden detectar las vibraciones a distancia. El tipo más común de sensores de vibración son los acelerómetros, aunque también se usan ampliamente las galgas extensométricas y los sensores de micrófono.

• Acelerómetros

Los acelerómetros miden los cambios de velocidad del componente. Las vibraciones indican un cambio de velocidad, cambios que hacen que el acelerómetro produzca una señal eléctrica. Estas señales se pueden procesar para generar datos de vibración usables. El tipo más usado son los acelerómetros piezoeléctricos. Son populares porque producen una señal fuerte y clara en la mayoría de las frecuencias, aunque los acelerómetros piezorresistivos también son cada vez más comunes y son capaces de detectar frecuencias altas y bajas, pero son bastante más costosos que los de tipo piezoeléctrico.

• Galgas extensométricas

Otro método de contacto son las galgas extensométricas, que adoptan la forma de una lámina aplicada directamente al componente. La lámina contiene una rejilla conductora de electricidad, que se deforma cuando el componente experimenta vibraciones. Estas deformaciones modifican la resistencia eléctrica de la rejilla y, leyendo el tiempo que tarda en pasar una corriente eléctrica a través de ella, se puede evaluar la vibración del objeto.

Para que funcionen, las galgas extensométricas deben estar bien adheridas a la superficie del componente, lo que puede hacer que su instalación sea un proceso largo.

• Sensores de micrófono

Los sensores de los micrófonos también son populares. Las vibraciones generan un sonido que a menudo va más allá del alcance del oído humano. Los sensores de los micrófonos pueden detectar cambios en estos sonidos de alta frecuencia y son un método rentable para proporcionar cierta información básica. A menudo se usan junto a los acelerómetros.

Existe una enorme gama de sensores de vibración disponibles para satisfacer los requisitos de casi cualquier aplicación.

¿Cuáles son las principales técnicas de análisis de las vibraciones?

Una vez los datos han sido adquiridos por los sensores, es necesario procesarlos para detectar problemas. Las técnicas de análisis de las vibraciones se basan en tres métodos principales: la aceleración máxima, el análisis de la frecuencia y la inteligencia artificial. La aceleración máxima estudia la cantidad de movimiento del objeto que vibra, el análisis de la frecuencia examina el ritmo al que se producen estos movimientos, y la IA usa los datos para detectar patrones que puedan indicar fallos.

• Aceleración máxima

La aceleración máxima contempla las vibraciones en el dominio del tiempo. Traza la amplitud de la vibración desde el punto más alto de la forma de onda registrada hasta el punto más bajo y en relación al eje del tiempo. El resultado es una cifra de aceleración en Gs. Como en el caso del índice de cambio de velocidad, representa las fuerzas experimentadas por el equipo o componente. La aceleración hace especial hincapié en las altas frecuencias y es una herramienta útil para evaluar el estado de los cojinetes.

La velocidad se deriva de los datos de aceleración y es la tasa de cambio del desplazamiento. Es una medida de la fatiga mecánica.

Las formas de onda temporales muestran una breve muestra de datos de vibración en bruto, lo que permite conocer el estado de la maquinaria que no siempre es fácil de interpretar a partir del espectro de frecuencias.

• Análisis de la frecuencia

Al igual que una pieza musical se compone de diferentes frecuencias, las vibraciones que experimenta una máquina también están compuestas por diferentes frecuencias. Por ejemplo, la vibración total puede estar conformada por muchas vibraciones diferentes procedentes del motor, el cojinete, el eje de transmisión o muchos otros componentes. Para analizar estas numerosas frecuencias, se usan las transformadas rápidas de Fourier (FFT). La técnica descompone la señal en todas sus frecuencias constitutivas, convirtiéndola del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia.

La transformada rápida de Fourier se usa con mayor frecuencia para detectar fallos en las máquinas, como la desalineación o el desequilibrio.

• Inteligencia artificial

Los sistemas de medición de las vibraciones pueden recoger grandes cantidades de datos. Esto hace que sea un desafío para los analistas de vibraciones humanos analizar e identificar los patrones. Una solución es potenciar sus esfuerzos haciendo uso de técnicas de Inteligencia Artificial (IA).

Como las herramientas de IA destacan en las tareas rutinarias, pueden examinar de inmediato cada dato de vibración y decidir si es irrelevante o si es una anomalía que se debe resaltar para que se le preste más atención. La capacidad de los sistemas de IA de usar técnicas de aprendizaje automático significa que no tienen que ser programados para saber cómo son las señales anómalas: pueden estudiar las vibraciones regulares y luego identificar las señales de vibración que difieren de estas condiciones normales.

El uso de la IA para detectar señales de advertencia en los datos puede ayudar a los analistas de vibraciones a concentrarse en desarrollar planes para responder a esas advertencias. Como tal, la IA es una herramienta importante en el desarrollo de una cultura de mantenimiento predictivo.

Uso del análisis de vibraciones para el mantenimiento predictivo

Muchas organizaciones están empezando a adoptar el mantenimiento predictivo para maximizar la disponibilidad y la vida útil de sus activos de producción. Esto difiere de las técnicas tradicionales, como el mantenimiento reactivo. En este caso, el activo se repara solo después de un fallo, lo que provoca una interrupción de la producción. El mantenimiento preventivo también puede ser disruptivo, ya que se lleva a cabo a intervalos recomendados y no cuando la máquina lo requiere o los programas de producción lo permiten.

Al predecir cuándo puede fallar una máquina o un activo y cuándo intervenir para evitarlo, el mantenimiento predictivo ofrece varias ventajas. Entre ellas, la reducción de la frecuencia de las tareas de mantenimiento, la disminución de la inactividad no planificada y el ahorro de recursos.

El uso del mantenimiento predictivo es más fácil si se emplea un sistema informático de gestión del mantenimiento, que centraliza la información sobre el mantenimiento, facilita los procesos y automatiza algunas tareas para mejorar la eficiencia. Un sistema informático de gestión del mantenimiento optimiza el uso, la disponibilidad y la vida útil de los equipos y la maquinaria para garantizar la máxima productividad y el retorno de la inversión.

Uno de los principios del mantenimiento predictivo es identificar y monitorizar los equipos críticos que pueden ser cualquier elemento o máquina que, si se desconecta, podría causar una grave interrupción de la producción, provocar un incidente de seguridad importante o causar el incumplimiento de la legislación medioambiental. Los motores se usan de forma generalizada en la industria apuntalando muchos procesos, por lo que a menudo se pueden clasificar como críticos. Elanálisis continuo de las vibraciones de los motores y de las máquinas que estos controlan o alimentan puede ayudar a detectar condiciones anómalas, revelando problemas de lubricación o un desgaste excesivo de los cojinetes.

El análisis de las vibraciones también puede usarse para monitorizar el estado de los equipos de uso intensivo, que son activos que se usan las 24 horas del día con pocas pausas. Los sensores de vibración pueden enviar alertas cuando las condiciones cambian para que se reduzcan al mínimo los periodos de inactividad.

Algunas máquinas, como los equipos de aire acondicionado, las grúas o los recipientes de procesamiento, son difíciles de mantener porque se encuentran en lugares de difícil acceso, requieren trabajar a cierta altura o están en zonas peligrosas para la salud. Monitorizarlas para detectar vibraciones anómalas permite realizar el mantenimiento en horarios más convenientes y evita el acceso innecesario del personal a zonas potencialmente peligrosas.