Vibraciones y su diagnóstico

Vibraciones

Naturalmente, cualquier cuerpo en funcionamiento se encuentra en constante vibración. Para esto, debe tener oscilaciones periódicas entorno a una posición de equilibrio y se repitan de forma periódica. De esta forma, definimos la frecuencia de una vibración como f = 1/T. Donde T es el periodo de la vibración. Asimismo, para el mantenimiento predictivo u otra estrategia de mantenimiento, es de vital importancia el diagnóstico de vibraciones de una máquina y/o proceso. De lo contrario, las oscilaciones excesivas podrían causar daños irreversibles en los equipos.

En relación con lo anterior, las vibraciones poseen una característica muy peculiar llamada resonancia. Entonces, la resonancia es el incremento con tendencia al infinito de la amplitud de una vibración. Naturalmente, ocurre cuando la frecuencia de una fuerza periódica externa es igual o cercana a la frecuencia de vibración natural de un objeto.

Consecuentemente, la resonancia puede causar fatiga en un material al vibrar de forma abrupta en cierta frecuencia. Así, puede causar rupturas en las estructuras, mal funciones y ruidos indeseados. Por lo tanto, podemos incluir a la resonancia como uno de los principales causantes de fallas en los equipos industriales. No obstante, vale la pena destacar que la resonancia puede llegar a ser útil en campos como la medicina, para destruir cálculos renales.

Importancia del diagnostico de vibraciones

Como se ha dicho, las vibraciones pueden causar desastres en la maquinaria al carecer de cualquier tipo de mantenimiento. Ahora bien, para evitar dichos desastres debemos hacer uso de herramientas como vibrómetros para detectar las anomalías vibratorias. Haga click aquí para saber más acerca de las técnicas de mantenimiento predictivo y aquí para saber más sobre los vibrómetros.

Diagnóstico de vibraciones en maquinas rotatorias

Las vibraciones en máquinas rotatorias tienen dos orígenes posibles:

1. provenientes del interior de la máquina,
2. del exterior de la máquina.

Asimismo, las vibraciones provenientes del interior de la máquina tienen 3 orígenes posibles:

1. fuerzas generadas por fallas,
2. fuerzas inherentes al funcionamiento de la máquina,
3. fuerzas generadas por condiciones de trabajo fuera de los valores estándar.

Entonces, para hallar las fallas podemos usar las siguientes estrategias de diagnóstico de vibraciones:

Diagnóstico de vibraciones por análisis frecuencial

Esta técnica consiste en descomponer la señal captada por un sensor de vibraciones en sus componentes, espectrales o frecuenciales, que la generaron. Luego, se asocian dichas componentes con las fuerzas dinámicas actuando sobre la máquina. Entonces, para diagnosticar problemas de vibraciones se deben relacionar las oscilaciones medidas en los descansos de la máquina con las frecuencias dinámicas generadas dentro de ella.

Asimismo, sabemos que bajo ciertas condiciones una máquina puede presentar un comportamiento no lineal. Estos son:

1. solturas mecánicas,
2. rozamiento del eje con sus sellos,
3. rotor sometido a grandes vibraciones.

Así, cuando una máquina presenta un comportamiento no lineal ya no se cumple que la frecuencia de vibración de esta es igual a la frecuencia de fuerza excitadora. De esta forma, una fuerza excitadora externa de frecuencia ω también genera frecuencias múltiples de ella: 2ω, 3ω,…). De igual forma, puede hacer lo mismo con frecuencias submúltiplos de ella: ω/2, ω/3,…, dependiendo del tipo de no linealidad y velocidad de rotación.

Cabe destacar que existe literatura enfocada en indicar los valores estándar de funcionamiento de una máquina y tablas con los valores de las fallas más comunes. Sin embargo, la mejor forma de asegurarse es tener los valores del funcionamiento normal de la máquina en buenas condiciones y así compararlos con la posible avería.

Análisis de fase de vibraciones

Muchos problemas pueden generarse en máquinas rotatorias con vibraciones a 1x rpm. Por ejemplo, las más frecuentes son:

• rotor excéntrico,
• eje doblado,
• solturas mecánicas,
• resonancia,
• problemas eléctricos en el motor,
• desbalanceamiento,
• desalineamiento,
• problemas con poleas excéntricas y desalineadas.

En consecuencia, para detectar uno de estos posibles fallos es útil hacer un análisis de fase. Para esto, podemos definir la diferencia de fase entre dos vibraciones de igual frecuencia como la diferencia en grados o tiempo. Así, determinar con cuáles se alcanzan los valores máximos, mínimos o cero. Para lograrlo, se usan los analizadores de canal. Estos miden la fase de una vibración referida a un impulso de referencia. Por lo tanto, indican la diferencia en grados entre el pulso de referencia y el valor máximo de la vibración.

Características de las vibraciones generadas por fallas comunes y su importancia para el diagnostico de vibraciones

1.1. Desbalanceamiento de rotores

El desbalanceamiento ocurre cuando el centro de masa del disco no coincide con su centro de rotación. Este es la causa más común de altas vibraciones radiales a la frecuencia de rotación del rotor. De igual forma, es una de las formas más comunes de vibración en las máquinas.

Al girar el rotor se produce una fuerza centrifuga radial hacia afuera. En consecuencia, el eje del rotor se curve y la fuerza sea transmitida a los descansos de la máquina. Así, esta fuerza excitadora hace oscilar a la máquina con una vibración armónica con frecuencia exactamente igual a la velocidad de rotación de la máquina.

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1.2.Desalineamiento de acoplamientos

El desalineamiento de acoplamientos ocurre cuando los ejes de la máquina conductora y la conducida no están en la misma línea de centros. Entonces, el desalineamiento de acoplamientos se puede producir por:

• Problemas durante su operación. Problemas como asentamiento de fundaciones, deformaciones desiguales bajo carga, etc., causan la pérdida de alineamiento durante su operación.
• Problemas de montaje. Por ejemplo, ejes desalineados al montarlos.

Asimismo, el principal efecto de un desalineamiento de acoplamientos es la flexión del eje. En consecuencia, se produce un gran aumento de las cargas radiales sobre los descansos de las máquinas.

1.3. Distorsión de carcasa

Esta distorsión se caracteriza por cambia el alineamiento del acoplamiento y el de los descansos de la máquina.

Diagnostico de vibraciones en rodamientos

Para el diagnostico de fallas en rodamientos se pueden aplicar chequeos tales como el análisis de residuos de aceite o grasas lubricantes. No obstante, también se usan técnicas de análisis de vibraciones. Por ejemplo, tenemos:

• análisis de vibraciones en el dominio de tiempo,
• analizar el dominio de frecuencias,
• estudio de las emisiones acústicas,
• análisis de los impulsos de choque.

Vibraciones generadas por rodamientos dañados y técnicas para su diagnostico

Como vimos en el artículo vibraciones mecánicas existen diversas formas en las cuales se puede generar una vibración. No obstante, los rodamientos dañados presentan 4 tipos de vibraciones:

1. Vibraciones oscilatorias de alta frecuencia

Este tipo de vibraciones se caracterizan por tener una frecuencia por encima de los 5,000Hz y pueden medirse usando técnicas e instrumentos como:

• Ultrasonido,
• HFD (High Frequency Detection, detección de altas frecuencias),
• Impulsor de choque.

2. Vibraciones a las frecuencias naturales de los componentes de rodamiento

Como sabemos, cada material tiene una frecuencia natural de vibración propia. De esta forma, los materiales usados en los rodamientos tienen frecuencias naturales de 500 a 2,000Hz. Así, los materiales se excitan debido a los impulsos de los rodamientos dañados.

3. Frecuencias de los defectos

Se producen a la frecuencia de los impactos generados cuando los elementos rodantes se topan con un defecto de rodamiento.

4. Suma y diferencia de frecuencias

Cuando una falla se produce en un rodamiento es probable que comience una cadena de fallos en otros componentes. Naturalmente, cada fallo tiene su frecuencia característica. Así, cuando un elemento rodante pasa sobre un defecto local, genera una fuerza impulsiva. De esta forma, podemos detectar las vibraciones y ondas de esfuerzos producidos por la fuerza impulsiva.

Resumen

El diagnostico de vibraciones varía dependiendo del tipo de maquinaria o proceso a tratar. Por tal motivo, en este articulo solo estudiamos es diagnostico de vibraciones de los rodamientos y motores rotatorios.

En resumen, debemos tener en cuenta que las vibraciones son un fenómeno presente en todo tipo de máquina, proceso o estructura funcional. Por tal motivo, debemos contar con herramientas y métodos para medirlo. De esta forma, podremos detectar cualquier tipo de falla si tenemos en cuenta cuáles son las más comunes dependiendo del objeto a estudiar. Como vimos, cada falla tiene un origen distinto y una forma particular de medir. Por eso, es prioridad conocer las herramientas de medición y su funcionamiento, así como los objetos a analizar.