Módulo 1

Introducción al Análisis de Vibración

Principios básicos de la vibración

Definición de vibración:
- Una vibración es el movimiento oscilatorio de un cuerpo o sistema alrededor de su posición de equilibrio. También se define como la oscilación de un cuerpo respecto a un punto de referencia. En esencia, una vibración es un tipo de movimiento repetitivo.

Movimiento periódico:
- Es un movimiento que se repite en intervalos de tiempo regulares. El tipo más simple de movimiento periódico es el movimiento armónico simple.

Movimiento armónico:
- Es una forma básica de vibración descrita por la ecuación:
  x(t) = A cos(ωt - α),
  donde:
  - A: Amplitud (desplazamiento máximo).
  - ω: Frecuencia angular (relacionada con la frecuencia y el período).
  - α: Fase (desplazamiento angular inicial).

Relaciones clave: ω = 2πf y f = 1/T.

Frecuencia (f):

Es el número de ciclos completos que ocurren en una unidad de tiempo. Se mide en Hertz (Hz) o ciclos por segundo. También puede expresarse en ciclos por minuto (cpm). Es un parámetro fundamental en el análisis de vibraciones

Período (T):
- Es el tiempo que tarda un sistema en completar un ciclo de vibración. Se mide en segundos (s).

Amplitud:
- Es la magnitud del movimiento de un sistema respecto a su posición de equilibrio. Representa la distancia máxima desde el punto de equilibrio.

Velocidad:
- Es la tasa de cambio del desplazamiento con respecto al tiempo. Está directamente relacionada con la severidad de la vibración.

Aceleración:
- Es la tasa de cambio de la velocidad con respecto al tiempo. Es una medida importante para evaluar fuerzas dinámicas en sistemas vibratorios.

Desplazamiento:

Es la distancia que recorre un cuerpo desde su posición de equilibrio durante la vibración

Tipos de vibración:

Vibración libre:
- Ocurre cuando un sistema oscila debido a una perturbación inicial y continúa vibrando sin la influencia de fuerzas externas.
Vibración forzada:
- Se produce cuando un sistema es sometido a una fuerza externa periódica o constante que induce su oscilación.
Vibración armónica:
- Es el tipo más simple de vibración, caracterizado por un movimiento armónico simple.
Vibración periódica:
- Es un movimiento que se repite en intervalos regulares de tiempo.
Vibración aleatoria:
- Ocurre de manera impredecible y contiene un rango amplio de frecuencias. No sigue un patrón repetitivo.

Causas comunes de las vibraciones:

Desequilibrio en elementos rotativos.
Desalineación en acoplamientos.
Engranajes desgastados o dañados.
Rodamientos deteriorados.
Fuerzas aerodinámicas o hidráulicas.
Problemas eléctricos, como desbalanceo en motores.

Análisis de vibraciones:

El análisis de vibraciones es fundamental para el mantenimiento predictivo de maquinaria y se basa en:

Interpretación de señales de vibración:
- Se comparan los niveles de vibración con los límites de tolerancia indicados por el fabricante o normas técnicas.
Dominios de análisis:
- Dominio del tiempo: Observación de la forma de onda de la vibración.
- Dominio de la frecuencia: Identificación de las frecuencias presentes en la señal.
Análisis espectral:
- Permite identificar las frecuencias dominantes y sus amplitudes.

Medición de vibraciones:

Transductores

Los transductores son dispositivos que convierten el movimiento mecánico de las vibraciones en señales eléctricas para su análisis. Existen diferentes tipos según la naturaleza del movimiento que miden:

De desplazamiento:
- Contacto: Miden el desplazamiento físico a través de contacto directo con la superficie.
- Sin contacto: Utilizan métodos como sensores inductivos, capacitivos o láser para medir el desplazamiento sin tocar la superficie.
De velocidad: Registran la velocidad del movimiento vibratorio, típicamente mediante sensores como velocímetros.
De aceleración: Detectan la aceleración del movimiento vibratorio utilizando acelerómetros, los cuales son los más comunes en aplicaciones modernas.

Causas de la vibración:

Las vibraciones pueden ser causadas por diversos factores, incluyendo problemas mecánicos, eléctricos y fuerzas externas. Algunas causas comunes son:

Desequilibrio (desbalance):
- Ocurre cuando el centro de masa de una pieza no coincide con su centro geométrico, generando fuerzas centrífugas. Puede ser:
  - Estático: El eje de inercia está desplazado paralelamente al eje de rotación.
  - Dinámico: El eje de inercia no está alineado con el eje de rotación.

Desalineación:
- Ocurre cuando dos piezas conectadas no comparten la misma línea de centro. Puede ser:
  - Paralela: Vibraciones radiales a frecuencias armónicas de 2 veces la velocidad de giro.
  - Angular: Vibraciones axiales a frecuencias de 2 o 3 veces la velocidad de giro.

Holguras:
- Son espacios entre superficies de piezas acopladas. Pueden generar vibraciones debido a fuerzas de excitación, como desbalance o desalineación. Las holguras pueden aparecer en la base de la máquina o en los cojinetes.

Rodamientos defectuosos:
- Defectos como sobrecarga, lubricación inadecuada, contaminación o instalación incorrecta pueden causar vibraciones. Cada componente del rodamiento (rodillos, pistas, jaula) genera frecuencias características.

Casquillos defectuosos:
- La falta de lubricación, contaminación o remolinos de aceite pueden causar vibraciones.

Eje doblado:
- Un eje doblado puede generar vibraciones con un componente a 1X la velocidad de giro, debido al peso del eje o efectos térmicos.

Partes flojas:
- La soltura mecánica en elementos ensamblados puede generar vibraciones.

Fallas electromagnéticas:
- Desbalances en el campo magnético, cortocircuitos en devanados del estator o rotor pueden causar vibraciones.

Problemas eléctricos:
- Fuerzas desiguales causadas por la forma interna de un elemento pueden generar vibraciones. Estas desaparecen al desconectar la corriente.

Fuerzas hidrodinámicas y aerodinámicas:
- El paso de álabes, aspas o paletas en bombas, ventiladores y turbinas puede generar vibraciones debido a fuerzas hidráulicas o aerodinámicas.

Transmisiones por poleas y correas:
- Problemas en el montaje o envejecimiento de las correas pueden causar vibraciones.

Impacto de las vibraciones en la eficiencia y vida útil de los equipos industriales:

Las vibraciones tienen un impacto significativo en la eficiencia y la vida útil de los equipos industriales. Un análisis adecuado de las vibraciones puede prevenir fallas, mejorar la eficiencia y prolongar la vida útil de la maquinaria.

Impacto en la vida útil:

Desgaste y deterioro:
- Las vibraciones excesivas causan desgaste y deterioro en componentes como rodamientos, engranajes y acoplamientos. Un análisis continuo de las vibraciones permite evaluar el estado de los equipos y tomar medidas correctivas para minimizar daños.
Sobrecarga y desalineamiento:
- El desequilibrio y la desalineación son causas comunes de fallas en las máquinas. Estos problemas generan cargas indebidas en los rodamientos, reduciendo su vida útil. El análisis de vibraciones detecta estos problemas y permite su corrección oportuna.
Fallas en rodamientos:
- Los rodamientos son componentes críticos en máquinas rotativas. Las vibraciones pueden indicar problemas como lubricación inadecuada, sobrecarga, contaminación o defectos de fabricación, lo que reduce su vida útil. Un análisis preciso permite identificar estos problemas y tomar medidas para prolongar su duración.
Resonancia:
- La resonancia ocurre cuando la frecuencia de excitación de una máquina coincide con su frecuencia natural, causando niveles de vibración extremadamente altos y daños estructurales. El análisis de vibraciones detecta la resonancia y ayuda a evitar daños.
Aumento de la vida útil:
- Al identificar y corregir problemas de vibración, se extiende la vida útil de los equipos y se evitan reemplazos prematuros. El mantenimiento predictivo permite anticiparse a las fallas y prolongar la vida útil de las máquinas.

Beneficios del mantenimiento predictivo:

El mantenimiento predictivo ofrece múltiples ventajas para las empresas, centrándose en la detección temprana de fallas y la planificación eficiente del mantenimiento. Este enfoque, que utiliza técnicas como el análisis de vibraciones, permite optimizar la operación de los equipos y reducir costos. A continuación, se detallan los principales beneficios:

Reducción de costos:
- Evita reparaciones mayores y paros no programados. Al programar el mantenimiento de manera oportuna, se minimiza el tiempo de inactividad y los gastos asociados con la sustitución de equipos. Es más económico que el mantenimiento correctivo, que implica reparar las máquinas después de que fallan.
Optimización del tiempo de mantenimiento:
- Maximiza el uso de las piezas y equipos, ya que el mantenimiento se realiza cuando es realmente necesario, basándose en la condición del equipo y no en intervalos de tiempo fijos. Esto permite intervenciones más eficientes sin alterar el funcionamiento normal de las instalaciones.
Aumento de la vida útil de los equipos:
- Detecta y corrige problemas en las máquinas, previniendo el desgaste prematuro de los componentes y extendiendo la vida útil de los equipos. La detección temprana de problemas, como desbalanceo o desalineación, mejora el rendimiento del sistema y evita futuros inconvenientes.
Mejora de la seguridad:
- Evita fallas inesperadas en las máquinas, contribuyendo a mejorar las condiciones de seguridad en la planta y protegiendo a los trabajadores de posibles accidentes.
Planificación eficiente del mantenimiento:
- Permite programar paradas de producción sin afectar los tiempos de entrega. El mantenimiento se coordina con paradas programadas de la planta, reduciendo la interrupción de la producción.
Mejora en la calidad del producto:
- Un equipo en buen estado y con mantenimiento oportuno tiene menos probabilidades de producir artículos defectuosos, asegurando la calidad del producto.
Cumplimiento de normas internacionales:
- Ayuda a las empresas a cumplir con estándares internacionales que exigen la mejora continua de la calidad del producto y el mantenimiento de la maquinaria.
Control del estado de las máquinas:
- Proporciona a la gerencia un control total sobre el estado de las máquinas y los programas de mantenimiento, facilitando una planificación más precisa.
Reducción de inventarios:
- Al planificar con precisión las necesidades de mantenimiento, se pueden reducir los inventarios de refacciones y repuestos.
Identificación de causas de fallas:
- Incluye técnicas como el análisis de vibraciones para identificar no solo el problema, sino también la causa raíz del fallo. Esto permite implementar soluciones más efectivas y evitar que el mismo problema se repita.
Optimización de recursos:
- Programa las actividades de mantenimiento según la condición de los equipos, optimizando el uso de los recursos de la empresa.
Mayor disponibilidad de la maquinaria:
- Reduce la posibilidad de paros no planificados y mantiene la capacidad operativa de la maquinaria, incrementando su disponibilidad.

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