Módulo 2: Herramientas y Técnicas de Análisis de Vibración

1. Recolectores de datos:

   • Descomponen la señal de vibración en sus componentes frecuenciales para identificar fallos en la máquina. Este proceso se conoce como análisis de espectro o análisis en el dominio de la frecuencia.

1. Analizadores de espectro:

   • Proporcionan una representación gráfica de los componentes frecuenciales de la señal (armónicos), facilitando el diagnóstico de problemas.

1. Analizadores de vibraciones portátiles:

Combinan las funciones de analizadores de espectro y recolectores de datos. Son utilizados en campo y pueden incluir software para análisis de espectros, pronósticos de alarmas, organización de mediciones y configuración de rutas 

1. Modos de operación:

   • Los analizadores de vibraciones pueden operar en modo analógico o digital.

1. Selección del transductor:

   • Es crucial elegir el transductor adecuado, ya que cada tipo tiene rangos de frecuencia específicos que pueden influir en la precisión del diagnóstico. Por ejemplo:

     • Los transductores de velocidad tienen un rango efectivo de frecuencia entre 10 Hz y 2,000 Hz.

     • Los acelerómetros son ideales para frecuencias más altas.

   • La selección incorrecta del transductor puede llevar a mediciones imprecisas o a la pérdida de información relevante.

1. Dominios de análisis:

   • Dominio del tiempo: Muestra la variación de la amplitud de la vibración a lo largo del tiempo. Es útil para observar la forma de onda y detectar anomalías como impactos o fluctuaciones.

   • Dominio de la frecuencia: Descompone la señal de vibración en sus componentes de frecuencia (espectro). Permite identificar frecuencias específicas asociadas a problemas como desbalanceo, desalineación o fallas en rodamientos.

1. Direcciones de medición:

   • Las mediciones de vibraciones deben realizarse en las tres direcciones principales:

     • Horizontal

     • Vertical

     • Axial

   • Esto asegura una evaluación completa del comportamiento vibratorio de la máquina.

1. Técnicas complementarias:

   • Para obtener una visión más completa del estado de la máquina, se pueden combinar las mediciones de vibraciones con otras técnicas, como:

     • Análisis de lubricantes: Evalúa la condición del lubricante y detecta contaminación o desgaste de componentes.

     • Termografía: Identifica puntos calientes o desequilibrios térmicos que pueden indicar problemas mecánicos o eléctricos.

     • Análisis de ultrasonido: Detecta fugas, descargas eléctricas o fallas en rodamientos mediante el monitoreo de sonidos de alta frecuencia.

Configuración de los instrumentos:

1. Selección de transductores apropiados:

   • La elección del transductor depende de la magnitud de la vibración a medir (desplazamiento, velocidad o aceleración) y del rango de frecuencias de interés. Ejemplos:

     • Transductores de desplazamiento: Ideales para medir la expansión de la carcasa de una turbina o el movimiento orbital de un eje. Los transductores de proximidad miden la distancia entre el sensor y la superficie de la máquina, útiles para medir holguras dinámicas en cojinetes de deslizamiento. Rango de frecuencia: 1 a 10 kHz.

     • Transductores de velocidad: Miden la velocidad de vibración en un rango de 10 Hz a 2,000 Hz.

     • Acelerómetros: Miden la aceleración de la vibración y tienen una alta frecuencia de respuesta.

1. Selección del punto de medición:

   • Los puntos de medición deben capturar las vibraciones relevantes para el diagnóstico. Se recomienda colocarlos en los apoyos de los rodamientos, ya que por estos se transmiten las vibraciones. Para motores de más de 50 HP, cada rodamiento debe tener su propio punto de prueba. En máquinas sensibles a daños en rodamientos, cada rodamiento también debe tener su punto de prueba.

1. Orientación del sensor:

   • La orientación del sensor es crucial para la consistencia de las mediciones. Los sensores deben montarse de manera firme en la superficie de la máquina. Es común realizar mediciones triaxiales en tres direcciones ortogonales:

     • Axial: Paralela al eje de rotación.

     • Radial: Desde el transductor hacia el centro de la flecha.

     • Tangencial: 90 grados respecto a la radial, tangente a la flecha.

   • La orientación del sensor debe ser conocida por el software de análisis.

1. Acondicionamiento de la señal:

   • La señal del sensor debe ser acondicionada para su correcta adquisición y análisis. Esto incluye:

     • Conversión de señal analógica a digital.

     • Amplificación de la señal.

     • Filtrado para eliminar ruido.

Los preamplificadores se utilizan para minimizar el efecto del ruido y amplificar la señal para su procesamiento 

Calibración de los instrumentos:

1. Verificación de la cadena de medición:

   • La calibración debe realizarse en toda la cadena de medición, desde el sensor hasta el instrumento de análisis. Esto se hace utilizando un calibrador de vibraciones o patrón de referencia.

2. Uso de calibradores de acelerómetros:

   • Estos instrumentos generan vibraciones de amplitud y frecuencia conocidas para verificar la integridad del sistema de medición.

3. Ajuste de parámetros:

   • Incluye el ajuste de la ganancia del preamplificador y la normalización de la señal para asegurar que la salida corresponda con precisión a la magnitud física medida.

4. Calibración de espectros:

   • Es necesaria para una correcta aplicación de las funciones de análisis espectral.

Técnicas de medición de vibraciones:

Las técnicas de medición de vibraciones son fundamentales para el mantenimiento predictivo, ya que permiten detectar y analizar vibraciones en maquinaria, identificando posibles fallos y programando el mantenimiento de manera efectiva. Estas técnicas se basan en el análisis de señales de vibración en los dominios del tiempo y la frecuencia, y son aplicables a diversos tipos de maquinaria, como motores eléctricos, turbinas, bombas y rodamientos. 

1. Análisis en el Dominio de la Frecuencia:

   • Descripción: Descompone la señal de vibración en sus componentes de frecuencia, identificando las causas de la vibración.

   • Herramientas:

     • Espectro de vibración: Gráfica de la amplitud de la vibración en función de la frecuencia.

     • Transformada Rápida de Fourier (FFT): Convierte la señal del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia, permitiendo identificar componentes específicos asociados a fallas.

   • Aplicaciones:

     • En máquinas rotatorias, la gráfica de velocidad es la más utilizada, donde la frecuencia indica la causa de la vibración y la amplitud su gravedad.

     • Análisis de órdenes: Técnica especial basada en el seguimiento de niveles RMS de tonos sinusoidales relacionados con fuerzas periódicas. Es útil para analizar vibraciones dependientes de la velocidad de rotación.

     • Cepstrum: Herramienta auxiliar para interpretar espectros, especialmente en bandas laterales.

1. Análisis de Órdenes:

   • Descripción: Analiza vibraciones en máquinas rotativas, donde las frecuencias están relacionadas con la velocidad de rotación.

   • Aplicaciones:

     • Mide el ruido o vibración debida a una frecuencia de orden o resonancia.

     • El número de orden de la vibración dominante ayuda a deducir su origen.

     • Muestreo síncrono: Evita el efecto de manchado y mejora la resolución de componentes de frecuencia relacionados con el orden.

1. Análisis de Ultrasonido:

   • Descripción: Detecta ondas de sonido de baja frecuencia producidas por equipos, no perceptibles al oído humano.

   • Aplicaciones: Identifica mecanismos rotantes, fugas de fluido, pérdida de vacío y arcos eléctricos.

1. Análisis de Lubricantes:

   • Descripción: Evalúa el estado de los equipos rotativos mediante el análisis del lubricante.

   • Aplicaciones: Detecta contaminación, desgaste de componentes y condiciones del lubricante.

1. Medición de Fase:

   • Descripción: Mide las fases relativas de componentes de vibración para diagnosticar problemas de maquinaria.

   • Herramientas: Analizadores de dos canales o de un canal disparados por un tacómetro.

1. Medición Acústica:

   • Descripción: Mide el sonido producido por la maquinaria, que refleja las vibraciones generadas.

   • Ventaja: Captura vibraciones de todos los puntos de la máquina.

   • Desventaja: El ruido ambiental en entornos industriales puede interferir con las mediciones.

1. Medición de Superficie:

Descripción: Realiza mediciones directas de vibraciones en la superficie de la máquina mediante transductores 

Otras herramientas y técnicas complementarias:

• Análisis modal: Estudia las formas y frecuencias naturales de vibración de una estructura.

• Análisis de corriente: Detecta problemas en motores eléctricos mediante el análisis de la corriente.

• Demodulación de amplitud: Identifica fallas en rodamientos y engranajes.

• Kurtosis: Mide la "agudeza" de la señal de vibración, útil para detectar impactos.

• Análisis de tendencias: Monitorea cambios en los niveles de vibración a lo largo del tiempo para predecir fallas.

1. Selección de puntos de medición:

   • Los puntos de medición deben elegirse para capturar las vibraciones relevantes para el diagnóstico de fallas. Generalmente, se ubican en los soportes de los rodamientos, ya que las vibraciones se transmiten a través de estos.

   • En motores de más de 50 HP, cada rodamiento debe tener su propio punto de prueba.

2. Uso de transductores:

   • La selección del transductor depende de la magnitud de la vibración a medir (desplazamiento, velocidad o aceleración) y del rango de frecuencias de interés:

     • Transductores de proximidad: Miden el desplazamiento y son útiles para medir holguras dinámicas en cojinetes de deslizamiento.

     • Transductores de velocidad: Miden la velocidad de vibración en un rango de 10 Hz a 2,000 Hz.

     • Acelerómetros: Miden la aceleración de la vibración y tienen una alta frecuencia de respuesta.

3. Orientación del sensor:

   • La orientación del sensor es crucial para la consistencia de las mediciones. Los sensores deben montarse de manera firme en la superficie de la máquina.

   • Es común realizar mediciones triaxiales en tres direcciones ortogonales:

     • Axial: Paralela al eje de rotación.

     • Radial: Desde el transductor hacia el centro de la flecha.

     • Tangencial: 90 grados respecto a la radial, tangente a la flecha.

   • La orientación del sensor debe ser conocida por el software de análisis.

4. Acondicionamiento de la señal:

   • La señal del sensor debe ser acondicionada para su correcta adquisición y análisis. Esto incluye:

     • Conversión de señal analógica a digital.

     • Amplificación de la señal.

     • Filtrado para eliminar ruido.

5. Recolección de datos en tiempo real:

   • Los datos deben recolectarse en tiempo real para monitorear la salud de la maquinaria y evitar problemas inesperados.

   • Los recolectores de datos portátiles basados en microprocesadores adquieren y almacenan mediciones del estado mecánico de la máquina, como valores de magnitud total, espectros de frecuencia o datos de amplitud-tiempo.

6. Sistemas de medición computarizados:

   • Facilitan el análisis de vibraciones al proporcionar gráficas de las señales en los dominios del tiempo y la frecuencia.

   • Utilizan técnicas de procesamiento digital de señales para analizar las vibraciones.

7. Muestreo síncrono:

   • Para evitar el efecto de manchado y mejorar la resolución de componentes de frecuencia relacionados con el orden, se utiliza el muestreo síncrono. Este método muestrea la señal de vibración en ángulos iguales a lo largo de cada revolución del eje.

8. Registro de datos:

   • Los datos recolectados se almacenan en un búfer, pasan por un prefiltro analógico y se muestrean mediante un convertidor analógico a digital (ADC).

   • Es crucial registrar información relevante, como:

     • Fecha y hora.

     • Marca y modelo del equipo.

     • Puesto de trabajo.

     • Nombre del trabajador expuesto.

Valores de calibración. 

Análisis de Espectro (Dominio de la Frecuencia):

1. Transformación de la señal:

   • El análisis de espectro implica transformar una señal desde el dominio del tiempo al dominio de la frecuencia. Esto se logra mediante la Transformada de Fourier, que descompone la señal en sus componentes sinusoidales de diferentes frecuencias, amplitudes y fases. La Transformada Rápida de Fourier (FFT) es un algoritmo eficiente para realizar esta transformación.

2. Resultado del análisis:

   • El resultado es el espectro de la señal, una gráfica que muestra la amplitud de la vibración en función de la frecuencia. Este espectro revela las frecuencias predominantes, permitiendo identificar las causas de la vibración y diagnosticar fallas en la maquinaria.

3. Aplicaciones:

   • En máquinas rotativas, la gráfica de velocidad es la más utilizada, donde la frecuencia indica la causa de la vibración y la amplitud su gravedad.

   • Es útil para identificar componentes de frecuencia específicos asociados a fallas como desequilibrio, desalineación, desgaste de rodamientos o problemas eléctricos en motores.

   • También es importante para determinar si un problema de ruido o vibración se debe a un orden o a una resonancia estructural.

4. Técnicas relacionadas:

   • Análisis de orden: Técnica para analizar señales no estacionarias, como las de máquinas rotativas, basada en el seguimiento de los niveles RMS de tonos sinusoidales.

   • Escalas de frecuencia: Se utilizan escalas lineales (para resolución constante) y logarítmicas (para rangos amplios de frecuencias).

   • Análisis de banda de octava y tercio de octava: Útiles para el análisis de ruido y detección de fallas en máquinas.

   • Cepstrum: Análisis del espectro del espectro, útil para identificar patrones periódicos en el espectro.

Análisis de Tiempo (Dominio del Tiempo):

1. Descripción:

   • El análisis de tiempo se realiza directamente sobre la señal de vibración, observando su amplitud en función del tiempo. La señal en el tiempo contiene todas las frecuencias, armónicas y subarmónicas generadas por la máquina durante la medición.

2. Aplicaciones:

   • Permite observar la relación de fase entre las componentes de la señal, identificando pulsos, modulaciones en amplitud o frecuencia, señales truncadas y distorsiones.

   • Es útil para confirmar diagnósticos en fallas con espectros similares, como desbalance, desalineación y holgura.

   • Se utiliza en casos de impactos, frotación, holgura, y en máquinas de baja velocidad y cajas de cambio.

   • Permite identificar patrones temporales específicos asociados a defectos, como pulsos, recortes de señal y modulaciones en amplitud y frecuencia.

3. Medidas clave:

   • El valor RMS (Root Mean Square) de la vibración es importante, ya que está asociado a la potencia de la vibración.

4. Ventajas:

   • Es especialmente útil para el estudio de señales no estacionarias y transitorias, donde el contenido de frecuencia cambia con el tiempo.

Comparación y Complementariedad:

1. Información complementaria:

   • El análisis de espectro revela las componentes de frecuencia de la vibración, mientras que el análisis de tiempo muestra cómo varía la amplitud de la vibración a lo largo del tiempo.

2. Situaciones específicas:

   • La forma de onda en el dominio del tiempo puede proporcionar más información en casos de señales con impactos o ruido aleatorio.

   • Los espectros son más útiles para señales con pulsaciones o modulaciones de amplitud.

3. Importancia de ambos análisis:

   • Diferentes registros en el tiempo pueden producir espectros similares, por lo que es necesario considerar ambos tipos de análisis durante el diagnóstico.

   • El análisis de tiempo puede confirmar la existencia de armónicos y ayudar a identificar si las armónicas son verdaderas o ficticias.