Análisis de vibraciones

Las vibraciones

Todo equipo mecánico en movimiento genera una vibración o señal que indica su estado operativo. Por lo tanto, el análisis de vibraciones puede darnos información útil del funcionamiento de una máquina o el estado de una estructura. Por tal motivo, es fundamental en el área de mantenimiento predictivo y otras estrategias de mantenimiento en general.

Una vibración mecánica es un movimiento oscilatorio de una estructura, máquina o un conjunto de partes de un mismo entorno. Naturalmente, ocurre alrededor de una posición de equilibrio y se repite cada cierto intervalo de tiempo. Este intervalo se conoce como periodo de vibración, T. Por otro lado, la inversa del periodo 1/T se le denomina frecuencia, f, de la vibración y es expresada por ciclos por segundo (cps) o Hertz (Hz).

El desplazamiento de un objeto desde su posición de reposo se expresa como:

X = XMax*sin(ωt)

Donde:

  • X = desplazamiento.
  • t = tiempo.
  • XMax = desplazamiento máximo.
  • ω = velocidad angular (2πf).
  • f = frecuencia de la onda.

Entonces, podemos decir que la velocidad del objeto es proporcional a su desplazamiento y frecuencia. En consecuencia, su aceleración es proporcional al desplazamiento y al cuadrado de la frecuencia. Cabe destacar, que las unidades de medidas trabajadas son:

  • m/s (metros sobre segundo) para velocidad,
  • m (metros) para desplazamiento y,
  • m/s2(metros sobre segundo al cuadrado) para aceleración.

De igual forma, las vibraciones suelen expresarse en Hercios Hz.

Tipos de ondas

La vibración puede ser con forma de onda simple o senoidal o no senoidal. Así, las ondas mecánicas tienen la propiedad de propagarse de una región de un sistema a otra. Además, las ondulaciones transportan energía al desplazarse.

Entre los tipos de ondas mecánicas tenemos:

  • las ondas transversales,
  • ondas longitudinales.

Las primeras se caracterizan por viajar de forma perpendicular o transversal respecto a la fuerza aplicada en el medio. Por ejemplo, la siguiente gráfica:

Note que la fuerza aplicada es de arriba hacia abajo y el movimiento se produce de forma perpendicular a la fuerza.
Figura 1. Representación de una onda transversal.

Por otro lado, las ondas longitudinales se propagan en la misma dirección de la fuerza aplicada. Por ejemplo:

Note que la propagación de la vibración viaja en la misma dirección que la fuerza aplicada.
Figura 2. Onda longitudinal.

Como vimos, la vibración está presente en cualquier cuerpo que presente un movimiento repetitivo en torno a su estado de reposo. Cabe destacar, que la oscilación se diferencia de la vibración porque el movimiento oscilatorio suele tener mayor amplitud. Por ejemplo, al caminar las piernas oscilan con un rango de movimiento relativamente grande. Por otro lado, un movimiento vibratorio sería temblar por frío.

El análisis de vibraciones

Todo equipo mecánico en movimiento genera un perfil de vibración. Esto es cierto independientemente de la velocidad o si el modo de funcionamiento es de rotación, reciprocación o movimiento lineal. Por lo tanto, el análisis de las vibraciones es aplicable a todos los equipos mecánicos. El análisis de perfiles de vibración es una herramienta útil para el mantenimiento predictivo, diagnóstico y otros usos.

Recolección de datos y equipos de medición

Debemos poseer equipos especializados para recolectar y analizar los datos de las vibraciones de una máquina, estructura o proceso. Así como existen instrumentos para medir el “ruido” o intensidad sonora, existen equipos para medir las vibraciones. Entonces, cuando medimos vibraciones nos interesan datos como la aceleración, desplazamiento o velocidad de la vibración. El instrumento para recolectar estos datos se llama vibrómetro.

Los vibrómetros son instrumentos que reciben la señal eléctrica de un transductor y procesarla. Así, se obtiene el valor del nivel global de vibración en velocidad. Un transductor es un dispositivo electrónico que capta una cantidad física, temperatura, vibración o presión. Posteriormente, la convierte en una señal eléctrica proporcional a la magnitud de la medida.

Los datos de las vibraciones se obtienen siguiendo los siguientes pasos:

  1. Se montan los transductores en la maquinaria en diferentes sitios.
  2. Luego, conectamos el transductor con un dispositivo de recolección de datos.
  3. Se acondiciona la señal eléctrica; por ejemplo, amplificar la señal y disminuir la impedancia.

Luego, una vez la señal está acondicionada se pasa a la etapa de procesamiento. Procesar la señal consiste en:

  • medir el valor pico, pico a pico o RMS con el medidor de vibraciones;
  • analizar la forma de la señal respecto al dominio tiempo en un osciloscopio;
  • analizar el contenido frecuencias con un analizador de vibraciones.

Por último, se registra la señal en una computadora o en gráficos obtenidos por una impresora.

Aplicación del análisis de vibraciones

Los datos obtenidos en los análisis de vibraciones de cualquier máquina son de utilidad para el mantenimiento predictivo. De esta forma, podemos detectar problemas con antelación en los siguientes equipos y procesos:

Algunas de las pruebas usadas con el análisis de vibraciones son:

Podemos apreciar que el análisis de vibraciones se puede aplicar para múltiples procesos y máquinas.
Figura 3. Equipos y procesos donde aplica el análisis de vibraciones.

Prueba de aceptación

La prueba de aceptación consiste en aplicar el análisis de vibraciones para verificar el rendimiento real de la máquina. Luego, se comparta respecto a los parámetros de diseño de la máquina, proceso o estructura. El test se realiza en la fábrica del producto, conocida como prueba de pre aceptación, y luego en el lugar de instalación, la prueba de aceptación. Entonces, la finalidad es verificar posibles fallas de diseño y/o que el producto haya recibido daños en el traslado o en la instalación. De esa forma, poder anticipar mal funciones a tiempo y corregirlas.

Detección de pérdidas y cuerpos externos

El análisis de vibraciones es una herramienta útil para el diagnóstico de pérdidas y detección de objetos extraños en las líneas de proceso o válvulas. Por tal motivo, esta técnica fue un éxito en la industria de energía nuclear y ofrece los mismos beneficios para otras industrias.

Detección de fugas

En las industrias las fugas en recipientes y dispositivos como válvulas son problemas muy comunes y deben solucionarse de inmediato. Afortunadamente, el análisis de vibraciones monitorea el equipo o estructura. De esta forma, se identifica y se aísla la fuente de la fuga. Esto se logra al detectar la frecuencia de vibración natural única generada por el flujo de la fuga.

Control de ruido

En muchos países se toman muy enserio los niveles de ruido en el ambiente. Por lo tanto, las fábricas deben apegarse a esas normas de seguridad. El análisis de vibraciones permite detectar la fuente de un ruido y así proceder a aislarlo.

Resumen

Como vimos, el análisis de vibraciones es un área bastante extensa y muy útil para la estrategia de mantenimiento predictivo. Además, se puede aplicar para una amplia variedad de maquinaria, estructura y procesos para detectar fallas a tiempo. De esta forma, abaratar costos en reparación y con sin sacrificar la producción.

En resumen, para aplicar exitosamente este proceso es necesario combinarlo con otros tipos de técnicas de mantenimiento predictivo y así sacar provecho del 100% de estos análisis. Haga click aquí para conocer más sobre las técnicas del mantenimiento predictivo.

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