Sensores de Vibración Avanzados para IIoT: Potenciando el Mantenimiento Predictivo y la Fiabilidad de Activos

El análisis de vibración es una tecnología clave en el mundo en constante cambio del IIoT y el mantenimiento predictivo.

Puede ser la tecnología clave para evaluar la salud de activos rotativos en la industria y dar a su organización una alerta temprana de deterioro y falla inminente de activos.

Impulsa alta disponibilidad de activos a lo largo del ciclo de vida.

Pero, ¿de qué se trata todo esto?

Conceptos básicos de vibración

Manteniéndolo simple, la vibración es la oscilación o movimiento de un activo o componente hacia adelante y hacia atrás desde su posición de reposo.

Piense en un péndulo liberado desde su punto más alto.

Se balanceará hacia adelante y hacia atrás hasta que toda la energía de vibración se haya disipado. Y luego vuelve a su posición de reposo.

La única diferencia con sus activos es que la vibración se detiene solo cuando se detiene la energía rotativa del activo. La fuente de energía principal —generalmente el motor— debe detenerse para que la vibración se detenga.

Pero, ¿puede un fenómeno tan simple como la vibración decirle qué está saliendo mal en sus activos?

¡Sí!

Los parámetros de vibración medidos como amplitud, RMS y período le permiten calcular y ver las fuerzas mecánicas, rotacionales y de fricción que ocurren en sus activos.

Fuente: https://www.motioncontroltips.com/how-is-machine-vibration-defined/

Las fuerzas dentro del activo o equipo causan vibración y esto se mide típicamente en la carcasa del rodamiento. Las fuerzas provienen de los elementos rotativos en el activo, como rotores, engranajes, ejes, rodamientos e impulsores.

No todas las fuerzas y vibraciones son malas noticias.

Pero cuando lo son, usamos una Transformada Rápida de Fourier (FFT) para poder verlas en los dominios temporal y espectral.

Fuente: https://www.motioncontroltips.com/how-are-fast-fourier-transforms-used-in-vibration-analysis/

Aquí es donde podemos ver sus frecuencias y amplitudes individuales —en aceleración o velocidad— y relacionar sus patrones con fallas específicas de activos.

¿Qué tipos de fallas puede detectar?

Hay muchas fallas potenciales que el análisis de vibración puede detectar, aquí hay solo algunas:

• Rodamientos desgastados
• Cavitación de bomba
• Desalineación activo a activo
• Desgaste de dientes de engranajes
• Grietas estructurales en cimientos de activos
• Falta de lubricación
• Correas de transmisión desgastadas
• Resonancia

¿Alguna de estas le ha causado tiempo de inactividad significativo o dolores de cabeza en su planta?

¡Apostamos a que sí!

Los beneficios del análisis de vibración y el mantenimiento basado en condición en general son bien conocidos:

• Mayor disponibilidad de activos
• Aumento de la producción
• Menos tiempo de inactividad no planificado
• Reducción de costos de mantenimiento y ciclo de vida
• Optimización de recursos humanos
• Reducción de PM invasivas (revisiones mayores y reemplazos de componentes)
• Mejora en la planificación y programación de mantenimiento
• Mejor previsión de repuestos
• Información de análisis de causa raíz para eliminación de defectos

El análisis de vibración es una tecnología madura de mantenimiento predictivo y se usa en casi todas las industrias que se puedan imaginar. Es una tecnología predictiva de referencia en verticales industriales como petróleo y gas, alimentos y bebidas, papel y pulpa, siderurgia, automoción, minería, aviación, nuclear, químicos y muchas más.

¿Qué hay del proceso de monitoreo de condición y análisis de vibración?

Análisis de Vibración

El proceso de monitoreo de condición es sencillo y puede dividirse en tres partes: detección, diagnóstico y pronóstico. Veámoslos:

Detección — Ya sea que esté recopilando datos manualmente cada cuatro semanas o por hora con un sistema "en línea", los datos pueden seguirse en tendencia. Lo que realmente está siguiendo en tendencia es la severidad de la vibración en la carcasa del rodamiento.

Primero, es una mejor práctica establecer niveles base para todos sus activos. Esto es para conocer sus niveles operativos normales —asumiendo que están en buenas condiciones para empezar.

Una vez que la vibración supera un nivel de alarma preestablecido (en mm/s o Gs, por ejemplo), será momento de investigar más a fondo. Hay estándares internacionales que pueden ayudarle a configurar sus niveles de alarma, como la serie ISO 10816.

Diagnóstico — La pregunta aquí es: ¿qué le pasa a la máquina?

Ahora, aunque esté midiendo vibración en el rodamiento, no significa que la función de fuerza del defecto sea el resultado de un rodamiento defectuoso. Podría ser una multitud de causas. Mire aquí algunas razones típicas para desgaste de rodamientos que puede detectar con análisis de vibración:

• Desgaste de rodamiento debido a desalineación
• Desgaste de rodamiento debido a pie blando
• Desgaste de rodamiento debido a desbalanceo
• Desgaste de rodamiento debido a holgura

¿Y cómo los encuentra?

Antes vimos cómo las señales de vibración complejas pueden verse en el dominio temporal o el dominio de frecuencia. Aquí es donde se realiza el análisis. Ambos dominios contienen información valiosa para diagnosticar fallas comunes de equipos. El dominio temporal nos muestra la severidad de la vibración contra el tiempo. Esto es útil para diagnosticar fallas de rodamientos, cavitación, desbalanceo, vibración de batido y daño de dientes de engranajes. El dominio de frecuencia nos muestra las frecuencias individuales que componen la vibración compleja. Es particularmente bueno para diagnosticar fallas de rodamientos también, además de holgura, desbalanceo, desalineación, problemas de correas, falta de lubricación, pie blando y mucho más.

Pronóstico — Esta es la pregunta más difícil de todas. ¿Cuánto durará antes de fallar?

Las máquinas a menudo son complejas y exhiben comportamiento mecánico complejo. No hay dos iguales.

Estimar cuánto durará un motor o bomba una vez que se detecta un defecto es muy desafiante. Pero puede basarse en la pendiente de la tendencia de vibración. ¿Qué tan rápido está subiendo la severidad de la vibración con el tiempo? Una vez que detecta una falla incipiente, entonces puede tomar mediciones de vibración más regulares —especialmente en planta crítica. También puede estimar la vida útil restante si tiene datos sobre fallas previas o una buena comprensión de la curva P-F (Falla Potencial – Falla) específica para el equipo. La fase de pronóstico es difícil, pero si tiene buenos datos y conocimiento del equipo, puede reducir el riesgo de una falla inesperada.

La clave aquí es dedicar su tiempo a enfocarse en los problemas comunes encontrados en equipos rotativos. Los que ya mencionamos, como desalineación, desgaste de rodamientos, holgura y desbalanceo, son los más comunes. No dedique demasiado tiempo a problemas exóticos y de rara ocurrencia.

Imagine que conduce su auto. Gradualmente, durante varias semanas, empieza a vibrar cada vez más al acelerar por las marchas. La severidad de la vibración ha aumentado. Lo lleva al garaje, y van a buscar los problemas comunes. Cosas como desbalanceo de ruedas o baja presión de neumáticos. No desmontarían la caja de cambios y buscarían dientes de engranajes faltantes o engranajes excéntricos.

Esto es de lo que se trata el monitoreo de condición: enfocarse en los problemas comunes.

Y diagnosticarlos con precisión y rapidez.

Sensores de Vibración Inalámbricos

Los sensores de vibración han cambiado mucho.

Han quedado atrás (o van quedando) los acelerómetros pesados, cableados, alimentados externamente, de un solo eje del pasado. Hoy en día es más probable ver sensores de vibración inalámbricos, Bluetooth, alimentados por batería, de 3 ejes. Ahora encontrará que tienen la capacidad de ser registradores de datos, "despertar" y grabar cuando se superan ciertos umbrales de vibración, tendrán niveles de alarma ISO integrados, y muchos también pueden registrar la temperatura del activo.

Fuente: https://www.machinesentry.com/products/hardware/msf-1

Los proveedores tradicionales más grandes de monitoreo de condición están cambiando sus líneas de productos y modelos de negocio a medida que entramos en la era de la industria 4.0, y hay muchos nuevos participantes más jóvenes en el mercado desafiando el status quo y rompiendo viejos modelos de negocio.

Análisis de Vibración: El Antes y el Después

Así que sabemos que el monitoreo de condición —y más específicamente el análisis de vibración— ha cambiado, ¿verdad?

Pero veamos cómo ha cambiado en términos prácticos.

Antes — el trabajo manual era la orden del día. Primero, pueden requerirse permisos para acceder a algunos activos debido a riesgos de seguridad. En la mayoría de plantas globales, eso son 15 a 30 minutos de su tiempo perdidos. De vuelta en la oficina, un técnico necesitaría descargar una "ruta" a su colector de datos. Luego saldrían y caminarían por las plantas con un acelerómetro cableado y un colector de datos (¡generalmente uno pesado!). El técnico visitaría solo máquinas de alta criticidad, y mediría cada eje individual (X, Y, Z) en cada rodamiento individualmente. Pueden pasar 5 a 15 minutos en cada máquina. Con pies cansados, volverían a la oficina y subirían los datos a un software propietario en una computadora independiente. Esto significaba que los datos solo residían en esa computadora y solo la gente con acceso podía verlos.

Nada en la nube.

Con suerte, no olvidarían firmar el permiso de seguridad también.

El analista de vibración luego revisaría toneladas de datos, analizaría los datos manualmente y actualizaría su hoja de cálculo Excel o documento Word. Una vez hecho esto, entonces enviaría por correo electrónico sus recomendaciones e informes a planificadores y supervisores de mantenimiento.

¡Y esperar lo mejor!

Después de 4 semanas, repetirían este ciclo de nuevo.

(4 semanas siempre ha sido el ciclo predeterminado para la mayoría de analistas de vibración para recopilar datos. No mucho pensamiento se ha dedicado nunca a por qué.)