Toda máquina rotativa produce vibraciones mecánicas cuando está en funcionamiento.
Esto no es señal de mal funcionamiento.
Es una consecuencia física de la masa giratoria, las fuerzas de contacto de los cojinetes, las interacciones del engranaje y las resonancias estructurales que están presentes en todos los motores, bombas, ventiladores y cajas de engranajes, independientemente de su estado.
La vibración que produce una máquina en buen estado tiene una firma característica: una amplitud y una distribución de frecuencia específicas que reflejan la geometría, la velocidad y la carga de la máquina.
Cuando comienza a desarrollarse una falla —un defecto en un cojinete, un problema en un diente de engranaje, un desequilibrio en el eje, una desalineación— la falla produce un cambio en la señal de vibración.
Un rodamiento con un defecto incipiente en la pista exterior produce impactos a una frecuencia específica determinada por la geometría del rodamiento y la velocidad del eje —la frecuencia de paso de la bola en la pista exterior (BPFO, por sus siglas en inglés)— que no está presente en la firma de vibración de un rodamiento en buen estado.
Un engranaje con un defecto dental en desarrollo produce vibraciones a la frecuencia de engranaje y sus armónicos, con un patrón de modulación de amplitud característico que difiere del de un par de engranajes en buen estado.
Un eje que ha desarrollado un desequilibrio produce una mayor amplitud de vibración a la velocidad de funcionamiento del eje (la frecuencia fundamental), que no está presente cuando el eje está equilibrado dentro de las tolerancias.
El análisis de vibraciones consiste en medir estas señales de vibración, compararlas con valores de referencia normales e identificar las frecuencias de falla específicas que indican el desarrollo de modos de falla , antes de que esos modos de falla progresen a una falla funcional que detenga la producción y requiera una reparación de emergencia.
La justificación financiera para el análisis de vibraciones en el mantenimiento industrial se basa en una única observación consistente.
Las fallas en los rodamientos, el modo de falla más común en los equipos rotativos de fabricación, se desarrollan a lo largo de semanas o meses de manera que producen cambios claros en la señal de vibración antes de que se produzca una falla funcional.
El intervalo PF para una falla típica de un rodamiento de elementos rodantes —el tiempo entre la primera anomalía de vibración detectable y la falla funcional que detiene la máquina— es de cuatro a ocho semanas en la mayoría de las aplicaciones industriales.
Una planta de fabricación que no cuenta con un sistema de monitoreo de vibraciones en sus equipos rotativos críticos descubre fallas en los rodamientos cuando estos producen una falla repentina, ruidosa e interrumpe la producción, lo que marca el final de ese período de cuatro a ocho semanas.
Un proceso de fabricación con monitorización de vibraciones detecta el fallo incipiente del rodamiento al comienzo de ese periodo y lo sustituye durante un intervalo de mantenimiento programado en las próximas dos o tres semanas, antes de que se produzca un fallo funcional.
La diferencia en el resultado entre estos dos escenarios constituye la totalidad del argumento a favor de la inversión en análisis de vibraciones.
En el primer escenario: una parada de producción imprevista de entre 90 y 240 minutos, la adquisición de piezas de emergencia, horas extras de trabajo, posibles daños secundarios al eje y la carcasa, y una reparación reactiva que cuesta entre tres y cuatro veces más que una sustitución planificada.
En el segundo escenario: un reemplazo de rodamiento planificado de 45 minutos durante una ventana de producción que se incluyó en el cronograma, piezas estándar del stock confirmado del almacén, mano de obra regular y sin daños secundarios.
Aplicado a toda la flota de equipos rotativos críticos de una planta de fabricación —normalmente entre 50 y 200 motores, bombas y cajas de engranajes en una planta de producción de tamaño mediano—, el análisis de vibraciones previene las fallas en los rodamientos que, en conjunto, representan una proporción significativa del tiempo de inactividad no planificado y del costo de mantenimiento.
Para comprender qué mide el análisis de vibraciones, se requiere un conocimiento básico de las magnitudes físicas involucradas, no a un nivel de ingeniería, sino a un nivel que permita a los profesionales de mantenimiento y operaciones evaluar las opciones de implementación e interpretar los resultados resumidos.
¿Qué se mide?
La vibración se mide como la oscilación de una estructura física alrededor de su posición de reposo.
Esta oscilación se describe mediante tres magnitudes físicas.
El desplazamiento describe cuánto se mueve la estructura desde su posición de reposo, y se mide en micrómetros o milésimas de pulgada. La medición del desplazamiento es especialmente relevante para vibraciones de baja frecuencia, como el análisis de la órbita del eje en cojinetes de deslizamiento y la evaluación de la alineación de la maquinaria.
La velocidad describe la rapidez con la que se mueve la estructura, medida en milímetros por segundo o pulgadas por segundo. La medición de la velocidad se utiliza con mayor frecuencia para evaluar el estado general de la maquinaria, ya que proporciona una medida consistente en un amplio rango de frecuencias.
La aceleración describe la rapidez con la que cambia la velocidad, medida en metros por segundo al cuadrado o en g (múltiplos de la aceleración gravitatoria). La medición de la aceleración es más sensible a las vibraciones de alta frecuencia, como los impactos asociados a defectos en los cojinetes y fallas en los dientes de los engranajes.
Cómo se mide
La vibración se mide mediante acelerómetros, sensores electrónicos que convierten la vibración mecánica en una señal eléctrica proporcional a la aceleración de la superficie a la que están fijados.
Los acelerómetros piezoeléctricos son el tipo más utilizado en la monitorización de condiciones industriales: son robustos, precisos en un amplio rango de frecuencias y están disponibles en una variedad de formatos para diferentes requisitos de instalación.
La señal eléctrica del acelerómetro es procesada por un sistema de recolección de datos o de monitoreo, que convierte la señal bruta en el dominio del tiempo en datos en el dominio de la frecuencia a través de una transformación matemática llamada Transformada Rápida de Fourier (FFT), que revela las frecuencias específicas presentes en la firma de vibración.
Cómo se detectan las fallas
En una máquina en buen estado, el espectro de frecuencia de vibración contiene picos en las frecuencias de funcionamiento fundamentales —velocidad de giro del eje y sus armónicos, frecuencias de engranaje, frecuencias de paso de los cojinetes— con amplitudes características de un funcionamiento saludable.
Cuando se produce una falla, aparecen nuevos componentes de frecuencia en el espectro —en las frecuencias específicas del tipo de falla— o los componentes de frecuencia existentes aumentan su amplitud más allá de sus niveles de referencia normales.
El analista de vibraciones identifica estos componentes de frecuencia anómalos, los compara con las firmas de frecuencia de falla conocidas para la geometría específica de la máquina y diagnostica el tipo de falla que se está desarrollando a partir del patrón de frecuencias anómalas.
Cada tipo de falla en los equipos rotativos produce una firma de vibración característica: un patrón de componentes de frecuencia y comportamientos de amplitud que la distingue de otros tipos de fallas y de la vibración normal de la máquina.
Comprender estas señales a un nivel básico resulta útil para los profesionales de mantenimiento y operaciones que evalúan los resultados del análisis de vibraciones y se comunican con especialistas.
Fallos en los cojinetes
Las fallas en los rodamientos de elementos rodantes producen vibraciones a frecuencias específicas calculadas a partir de la geometría del rodamiento (las dimensiones del rodamiento y el número de elementos rodantes) multiplicadas por la velocidad del eje.
Se calculan cuatro frecuencias de fallo de los rodamientos para cada rodamiento.
La frecuencia de paso de la bola en la pista exterior (BPFO) se activa cuando un elemento rodante entra en contacto con un defecto en la pista exterior del rodamiento.
La frecuencia de paso de la bola en la pista interior (BPFI) se activa cuando un elemento rodante entra en contacto con un defecto en la pista interior del rodamiento.
La frecuencia de giro de la bola (BSF) se excita cuando existe un defecto en la superficie del elemento rodante.
La frecuencia fundamental del tren (FTF) se excita por defectos en la estructura de la jaula.
Las fallas iniciales en los cojinetes producen impulsos a estas frecuencias con amplitudes pequeñas en relación con el nivel general de vibración, lo que requiere mediciones de aceleración y técnicas de procesamiento de señales que realcen los componentes impulsivos en relación con la vibración de fondo.
A medida que avanza la falla, la amplitud de los componentes de frecuencia de la falla aumenta, y el nivel general de vibración se eleva a medida que se deteriora el estado del rodamiento.
Desequilibrio
El desequilibrio rotacional produce vibraciones principalmente a la velocidad de giro del eje —la frecuencia fundamental— en la dirección radial.
La amplitud es proporcional a la magnitud del desequilibrio y aumenta con el cuadrado de la velocidad de rotación.
El desequilibrio es una de las fuentes más comunes de vibraciones elevadas en la maquinaria rotativa y una de las más fáciles de diagnosticar a partir del espectro de vibración: un pico dominante en la frecuencia fundamental sin picos correspondientes en las frecuencias armónicas es la señal clásica de desequilibrio.
Desalineación
Por ejemplo, la desalineación del eje entre un motor y una bomba produce vibraciones predominantemente a la velocidad de giro del eje y su segundo armónico, y la amplitud relativa del fundamental y el segundo armónico depende de si la desalineación es principalmente angular, paralela o una combinación de ambas.
La desalineación también produce una vibración axial elevada —vibración en la dirección del eje del eje— que ayuda a distinguirla del desequilibrio, que es principalmente radial.
Fallos en los engranajes
Las fallas en los engranajes producen vibraciones a la frecuencia de engranaje —la velocidad del eje multiplicada por el número de dientes del engranaje— y sus armónicos.
Un defecto en un diente de engranaje produce bandas laterales alrededor de la frecuencia de engranaje —componentes de frecuencia adicionales espaciados a intervalos de velocidad de giro del eje por encima y por debajo de la frecuencia de engranaje— con amplitudes que aumentan a medida que avanza el defecto del diente.
El diagnóstico de fallos en los engranajes a partir de los espectros de vibración requiere conocer la geometría del engranaje —en concreto, el número de dientes de cada engranaje— para calcular las frecuencias de engranaje esperadas e identificar patrones anómalos de bandas laterales.
El análisis de vibraciones se implementa mediante dos enfoques fundamentalmente diferentes, cada uno con perfiles de costos, capacidades de detección y aplicaciones apropiadas distintas.
Medición periódica basada en rutas
En la medición basada en rutas, un analista o técnico capacitado lleva un colector de datos de vibración portátil a cada punto de medición en una ruta definida, recopilando mediciones de vibración de cada punto en cada visita y comparando las mediciones con líneas base históricas y umbrales de alarma.
La medición basada en rutas es el método más utilizado en la flota general de equipos rotativos; resulta rentable porque un solo instrumento portátil cubre docenas o cientos de puntos de medición, en lugar de requerir un sensor instalado permanentemente en cada punto.
El intervalo de medición (semanal, mensual o trimestral) determina el intervalo mínimo detectable de PF. Un intervalo de medición mensual permite detectar fallas con intervalos de PF de cuatro semanas o más. Sin embargo, no permite detectar fallas que se desarrollan y progresan hasta convertirse en fallas funcionales entre las visitas de medición.
La medición basada en rutas requiere personal capacitado para recopilar datos de manera confiable (técnica de medición consistente, colocación correcta de los sensores y configuración correcta de los instrumentos), así como analistas capacitados o software de diagnóstico automatizado para interpretar los resultados.
Monitoreo continuo en línea
En la monitorización en línea, los sensores instalados de forma permanente en cada punto de medición transmiten continuamente datos de vibración a un sistema de monitorización central, detectando cruces de umbral y cambios de tendencia en tiempo real, en lugar de entre visitas de medición periódicas.
La monitorización en línea es más apropiada para los activos de mayor criticidad, donde la monitorización continua se justifica por las consecuencias de la falla: activos de nivel 1 cuya falla detiene la producción por completo y cuyo intervalo PF es lo suficientemente corto como para que la medición mensual basada en rutas pueda pasar por alto fallas en desarrollo.
El coste de la monitorización en línea —sensores instalados de forma permanente, infraestructura de cableado o transmisión inalámbrica y licencias del sistema de monitorización— es significativamente superior al de la medición basada en rutas por punto de monitorización.
Sin embargo, para los diez o veinte activos rotativos más críticos de una planta de fabricación, el valor de la monitorización continua para la prevención de pérdidas de producción suele justificar la inversión, ya que una sola falla evitada en un activo de producción crítico recupera el coste de la infraestructura de sensores con creces.
La implementación práctica para la mayoría de las instalaciones de fabricación combina ambos enfoques : monitoreo en línea para los cinco a diez activos rotativos de mayor criticidad con intervalos de PF cortos, y monitoreo basado en rutas para el resto de la flota.
El análisis de vibraciones solo ofrece su valor financiero completo cuando las fallas que detecta se corrigen mediante intervenciones de mantenimiento planificadas dentro del intervalo de vida útil restante.
Este es el problema de la brecha de acción: el tiempo que transcurre entre la detección mediante análisis de vibraciones y una intervención de mantenimiento planificada determina si la detección previene la falla o simplemente proporciona una advertencia temprana de una falla que ocurre de todos modos.
Un programa de análisis de vibraciones que genera informes de detección de fallas revisados en la reunión mensual de mantenimiento —donde se discute por primera vez una falla en un rodamiento detectada hace tres semanas y se crea una orden de trabajo— ha consumido la mayor parte del intervalo PF en retrasos administrativos antes de que comience cualquier acción de mantenimiento.
Un programa de análisis de vibraciones que genera automáticamente una orden de trabajo de mantenimiento cuando se supera un umbral de amplitud de frecuencia de falla configurado —enviando la orden de trabajo al dispositivo móvil del técnico responsable con la identificación del rodamiento, el procedimiento de reemplazo recomendado y la confirmación de la disponibilidad de las piezas— actúa en cuestión de horas desde la detección, en lugar de semanas.
La diferencia entre estos dos escenarios radica en la conexión entre el sistema de monitorización del estado y el sistema de ejecución del mantenimiento.
Cuando están separados —la plataforma de monitorización de vibraciones en un sistema y el CMMS en otro— la conexión depende de la intermediación humana, lo que introduce latencia e inconsistencia.
Cuando se integran —la detección de vibraciones que activa la generación automática de órdenes de trabajo en la misma plataforma— se elimina la brecha de acción y se dispone de todo el intervalo de PF para la planificación y la ejecución, en lugar de consumirlo en la coordinación administrativa.
Esta integración —entre la detección mediante monitorización del estado y la respuesta en la ejecución del mantenimiento— es lo que convierte el análisis de vibraciones de una costosa herramienta de alerta en un auténtico programa de prevención de fallos.
¿Qué equipos deben ser monitorizados mediante análisis de vibraciones?
Los candidatos prioritarios para el análisis de vibraciones son los equipos rotativos que cumplen tres criterios.
El activo es de nivel 1 o nivel 2 en la clasificación de criticidad; su fallo produce consecuencias significativas para la producción, la seguridad o la calidad.
El modo de fallo predominante produce señales precursoras detectables por vibración: el desgaste de los cojinetes, el desequilibrio, la desalineación y los fallos en los engranajes cumplen este criterio.
El intervalo de PF para el modo de fallo dominante es lo suficientemente largo como para permitir una respuesta de mantenimiento planificada, normalmente dos semanas o más para la mayoría de las aplicaciones de rodamientos industriales.
En una planta de fabricación típica, esto incluye motores de bombas críticos, motores de accionamiento primario en las líneas de producción, cajas de engranajes en equipos de producción de alta velocidad, ventiladores y compresores en sistemas de climatización y procesos críticos para la producción, y separadores centrífugos y mezcladores en la fabricación de procesos.
¿Con qué frecuencia deben realizarse mediciones de vibración en función de la ruta?
La frecuencia de medición debe coincidir con el intervalo PF de los modos de fallo dominantes para cada activo.
Un modo de fallo de un rodamiento con un intervalo PF de cuatro a seis semanas justifica una medición mensual, lo que proporciona al menos dos oportunidades de medición dentro del intervalo PF para detectar el fallo antes de que se produzca un fallo funcional.
Un modo de fallo de un rodamiento con un intervalo de PF de ocho a doce semanas puede ser monitorizado adecuadamente mediante mediciones trimestrales.
Los activos con intervalos de PF cortos conocidos, donde las fallas históricas han progresado rápidamente, justifican una medición más frecuente o una monitorización continua en línea.
¿El análisis de vibraciones requiere conocimientos especializados?
La recopilación de datos basada en rutas puede ser realizada por técnicos de mantenimiento capacitados en técnicas de medición consistentes: colocación correcta de los sensores, configuración correcta de los instrumentos y condiciones de medición consistentes.
El análisis del espectro de vibraciones y el diagnóstico de fallas requieren un analista de vibraciones capacitado y certificado por un organismo reconocido como el Vibration Institute o la norma ISO 18436-2, o bien un sistema de diagnóstico automatizado que aplique algoritmos de análisis de frecuencia de fallas sin necesidad de interpretación manual del espectro.
La mayoría de las operaciones de fabricación comienzan con un software de diagnóstico automatizado que interpreta las mediciones basadas en rutas, lo que reduce la necesidad de conocimientos especializados al tiempo que proporciona la capacidad de detección de fallos que ofrece el análisis de vibraciones.
Cada rodamiento en una planta de fabricación tiene una historia que contar a través de su señal de vibración, semanas antes de que esa historia se manifieste en forma de una parada de producción imprevista. El análisis de vibraciones consiste en escuchar esa historia con la suficiente antelación para escribir un final mejor.
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