Los conceptos básicos del análisis de vibraciones

Existen varios métodos de pruebas no destructivas (END) que podemos emplear para evaluar el estado de los diferentes componentes de la máquina, sin la necesidad de detener y desmontar el equipo. El análisis de vibraciones es una herramienta NDT prominente que se utiliza en muchas industrias.

En este artículo, analizaremos muy bien las complejidades del proceso de análisis de vibraciones, los parámetros, las herramientas y los casos de uso.

¿Por qué vibrar?

Las vibraciones ocurren en toda la maquinaria en movimiento mientras está en funcionamiento. Cada material tiene un patrón característico de vibración bajo condiciones específicas. La medición, el registro y el estudio de los cambios en estas características de vibración se pueden utilizar para comprender los cambios en el material de prueba en sí.

¿Qué es el análisis de vibraciones?

El análisis de vibraciones es un proceso que utiliza señales de vibración para identificar anomalías en los patrones de vibración. Un cambio en el patrón de vibración indica un cambio en las propiedades físicas del objeto de prueba.

En el mantenimiento de equipos, el análisis de vibraciones nos ayuda a rastrear y evaluar el estado de nuestros equipos.

Cuando se observa un patrón anómalo, podemos realizar un análisis de la causa raíz para identificar el motivo del cambio. Una vez que sepamos eso, si se considera necesario, podemos programar la acción de mantenimiento correctiva adecuada.

¿Dónde y cuándo se usa?

El análisis de vibraciones es adecuado para probar componentes que experimentan movimiento giratorio, es decir, componentes que experimentan fuerzas de torsión. Se utiliza para probar o rastrear las condiciones de:

• cojinetes, engranajes, ejes, rotores
• motores, ventiladores, transmisiones, cajas de cambios
• bombas, motores de pistón, compresores y otras máquinas recíprocas

No tome esto como una lista completa:el análisis de vibraciones tiene muchas más aplicaciones específicas y no se limita solo a la maquinaria rotativa o la vibración de la maquinaria.

Por ejemplo, se pueden recopilar datos de vibración para medir los cambios y fluctuaciones en los campos eléctricos y magnéticos, así como para monitorear la integridad estructural de puentes, tuberías y otra infraestructura.

Inspección de cajas de cambios

Los engranajes rotos son algo común en las cajas de cambios. Los engranajes rotos causarán mucho daño antes de que puedas ver que algo anda mal. El análisis de vibraciones ayuda a identificar los dientes de los engranajes rotos con anticipación, sin necesidad de desmontar nada.

De esta manera, podemos crear una orden de trabajo y solucionar el problema antes de que cause una falla catastrófica.

Detección de defectos en los rodamientos

Las fallas en los rodamientos provocan una vibración excesiva en máquinas con piezas giratorias. El monitoreo de las condiciones de los rodamientos mediante el análisis de vibraciones lo ayuda a identificar fallas en los rodamientos y tomar las medidas correctivas adecuadas.

El análisis de vibraciones arroja luz sobre el defecto exacto del rodamiento, que puede incluir:

• carga inversa
• brotes falsos
• sobrecalentamiento
• fatiga
• corrosión
• problemas de ajuste
• desalineación
• desequilibrio

Supervisión del estado de las canalizaciones

Los oleoductos son otro gran ejemplo de operaciones encubiertas. Un problema común aquí es la corrosión que puede provocar fugas y peligros de incendio. Como probablemente ya pueda adivinar:utilizando datos de frecuencias de oscilación y vibración, es posible analizar y medir la corrosión dentro de las tuberías con la ayuda del análisis de vibraciones.

Las tuberías corroídas que transportan el fluido con una tasa de flujo fija tienen características de vibración diferentes en comparación con una tubería sana con la misma tasa de flujo.

Proceso de análisis de vibraciones

Los pasos estándar que debemos seguir para realizar un análisis de vibraciones son:

1. Establecer una línea de base . Realice un análisis de vibraciones en una máquina que esté funcionando con características ideales. Los niveles de vibración se registran para servir como base para este (tipo de) máquina.
2. Desarrolle una rutina . El análisis debe realizarse a intervalos regulares. Elija un intervalo adecuado para realizar el análisis de vibraciones. El intervalo elegido debe reflejar las características de la máquina y las condiciones de funcionamiento. (Si instala sensores para transmitir datos de vibración en tiempo real, puede omitir este paso).
3. Estandarice el proceso . Las herramientas y técnicas utilizadas para realizar el análisis de vibraciones deben estandarizarse. El uso del mismo equipo con procedimientos operativos estándar consistentes debería dar resultados comparables.
4. Garantizar el mantenimiento de registros . Los resultados de todos los análisis periódicos deben almacenarse. Esto ayuda a mantener un registro de los datos históricos de la máquina. Esto es esencial para un análisis continuo. (Si tiene un sistema de monitoreo en línea, almacenará automáticamente los datos de vibraciones pasadas).
5. Realizar análisis de vibraciones . El resultado de cada inspección de análisis de vibraciones se compara con los datos de referencia para detectar anomalías y defectos, y realizar el trabajo de mantenimiento requerido.

Parámetros de medición de vibraciones

Cada vibración, representada como una forma de onda, tiene una frecuencia, amplitud y período:

• Frecuencia :Es el número de vibraciones que ocurren cada segundo. La frecuencia se mide en hercios (Hz).
• Amplitud :Es el desplazamiento máximo de la onda desde la posición de equilibrio. El valor RMS es el valor comúnmente utilizado para la amplitud.
• Periodo :El tiempo entre dos crestas o valles en una forma de onda es el período. Se mide en segundos u otras unidades de tiempo adecuadas. El período es el inverso de la frecuencia.

En el análisis de vibraciones, la amplitud se mide y se registra en términos de tres parámetros físicos. Ellos son:

• Desplazamiento :Representa la distancia entre la posición de reposo del componente y la posición máxima a la que se desvía. Mide cuánto se mueve el componente. Las unidades de medida son milímetros (mm), micrómetros (μm) u otras unidades de desplazamiento apropiadas.
• Velocidad :Representa el desplazamiento por unidad de tiempo. Es una medida de la rapidez con la que vibra el componente. Las unidades son milímetros por segundo (mm / s) o micrómetros por segundo (μm / s).
• Aceleración :Representa la tasa de cambio de velocidad. Es el más alto cuando el movimiento del componente se invierte en dirección. Se mide en milímetros por segundo al cuadrado (mm / s2) o micrómetros por segundo al cuadrado (μm / s2).

La vibración se puede dividir en tres categorías según las percepciones humanas; algo que podemos ver, sentir al tocar o escuchar. Fuente: IMV Corporation

¿Necesita un equipo de análisis de vibraciones especial para realizar VA?

La respuesta es sí. No podemos medir la vibración con un destornillador. Analicemos brevemente los importantes equipos de análisis de vibraciones que debe conocer.

Sensores de vibración

Se miden diferentes parámetros de vibración con diferentes tipos de sensores. Por lo tanto, podemos diferenciar entre sensores de desplazamiento, sensores de velocidad y acelerómetros.

Los tipos más utilizados son los sensores de acelerómetro como acelerómetros piezoeléctricos, sensores microelectromecánicos (MEMS), sondas de proximidad, vibrómetro láser Doppler y similares.

Diferentes tipos de sensores de vibraciones

¿Qué sensor deberías comprar? Bueno, eso depende de tu aplicación. Dejando a un lado el precio de compra, debe considerar características como:

• amplitud de vibración
• sensibilidad
• ancho de banda
• ruido
• opciones de montaje del sensor
• número de ejes que puede cubrir a la vez
• frecuencia de muestreo

No entraremos en demasiados detalles aquí, pero para todos los que quieran aprender más sobre estas funciones, lea esta excelente guía sobre cómo elegir el sensor adecuado para el análisis de vibraciones.

Software de análisis de vibraciones

Aquí hay una breve lista de diferentes software de análisis de vibraciones con los que nos encontramos al escribir este artículo:

• EI Analytic
• Vibinspect de ReVibe Energy
• Dplot
• Software de control de Vibration Research
• ProAnalyst de Xcitex
• Software de laboratorio de enDAQ
• FEMtools

Algunas de esas soluciones se utilizan específicamente para el análisis de vibraciones, mientras que otras forman parte de paquetes de software más grandes que tienen muchas otras aplicaciones. Haga su debida diligencia antes de realizar cualquier compra.

Sistema de monitoreo de vibraciones en línea

El sistema de monitoreo de vibraciones en línea presenta una configuración donde:

• ha instalado sensores de vibración en su equipo crítico
• esos sensores envían continuamente datos en tiempo real a la nube
• su software de vibración seleccionado lee y analiza los datos de vibración entrantes y escupe advertencias y recomendaciones

Según el análisis, puede programar las acciones de mantenimiento adecuadas.

Equipo portátil de monitoreo de vibraciones

La instalación de sensores no es la única forma de obtener datos de vibraciones. Hay muchos ingenieros y técnicos de mantenimiento de equipos de vibración portátiles que pueden utilizar para realizar mediciones de vibraciones.

Equipo portátil de monitoreo de vibraciones

Los medidores de vibración portátiles son muy útiles para las organizaciones que realizan mantenimiento basado en condiciones. Pueden usar un sistema de gestión de mantenimiento computarizado (CMMS) para programar mediciones de vibración regulares para diferentes componentes / máquinas.

La parte del "analizador" del análisis de vibraciones

Los datos de los sensores y equipos de vibración se recopilan y registran mediante herramientas de software de recopilación de datos. El software registra los datos en uno de dos formatos (o en ambos):

1. Forma de onda de tiempo :La forma de onda de tiempo son los datos brutos del sensor. Las dos variables que constituyen la forma de onda son la amplitud y el tiempo. Hoy en día, su uso es cada vez más raro.
2. Transformada rápida de Fourier (FTT) :La onda de transformada rápida de Fourier se genera a partir de la forma de onda del tiempo. La amplitud se representa como frecuencia representada en función del tiempo. La tecnología informática ha hecho de FFT una herramienta mucho mejor para analizar el estado de la máquina.

Los datos de vibración del sensor pueden ser analizados por analistas de vibraciones capacitados o ingenieros de confiabilidad. También se pueden emplear algoritmos informáticos y herramientas de análisis para detectar anomalías y verificar el estado de los componentes probados.

Uso del análisis de espectro FTT para el análisis de vibraciones. Fuente: IMV Corporation

El análisis de la forma de onda del tiempo puede mostrar si hay defectos en el sujeto de prueba. Pero no puede determinar la causa de la anomalía . Con la Transformada Rápida de Fourier, por otro lado, podemos identificar la causa raíz del defecto.
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Vamos a mostrar eso usando un ejemplo.

Imagine que está realizando un análisis de vibraciones del mundo real en un sistema con un motor, una correa y un eje de transmisión. Los datos de vibración se detectan mediante sensores apropiados y se registran mediante el software del analizador. Los datos se capturan como una forma de onda de tiempo simple. Puede identificar que hay una anomalía desde la línea de base. Pero nada mas. La forma de onda de tiempo no puede determinar si el defecto está en el motor, la correa o el eje de transmisión.

Aquí es donde entra en juego FFT. Dado que FFT ofrece formas de onda discretas para cada uno de los diferentes componentes (motor / correa / eje de transmisión) , puede identificar la ubicación exacta del defecto, lo que en última instancia conduce a un tiempo de inactividad mucho más corto. El uso de algoritmos para realizar el análisis ha hecho que FFT sea más precisa y precisa.

Capacitación, certificación y acreditación

El análisis de vibraciones es realizado por ingenieros de confiabilidad y analistas de vibraciones capacitados. Hay institutos que capacitan y certifican a analistas de vibraciones e ingenieros de confiabilidad para realizar análisis de vibraciones:

• Sociedad Estadounidense de Pruebas No Destructivas (ASNT) es un pionero en acreditar ingenieros de confiabilidad para pruebas no destructivas. El análisis de vibraciones es parte de los cursos y certificaciones de ASNT.
• El instituto de vibraciones se dedica a capacitar y certificar analistas de vibraciones. La certificación va desde Categoría I a Categoría IV analistas de vibraciones. Vibration Institute está reconocido por el American National Standards Institute (ANSI).
• Instituto Mobius proporciona capacitación en ingeniería de confiabilidad de activos, mantenimiento y monitoreo de condiciones. Ofrecen formación y certificaciones para análisis de vibraciones. Las certificaciones del instituto están acreditadas por la Organización Internacional de Normalización (ISO).

Observemos también que el departamento de trabajo de EE. UU. También reconoce a los especialistas en ensayos no destructivos. Esto incluye especialistas que se especializan en análisis de vibraciones. Más allá de eso, cada país tiene sus propios sistemas de certificación y acreditación para reconocer a los ingenieros de confiabilidad calificados.

Análisis de vibraciones y mantenimiento de equipos

A continuación se ofrecen breves explicaciones sobre cómo las mediciones de vibraciones pueden ayudar tanto en escenarios de mantenimiento proactivo como reactivo.

Uso del análisis de vibraciones para el mantenimiento predictivo

Saber cuándo y por qué fallará un componente o una máquina es la clave para el éxito de los programas de mantenimiento predictivo. El análisis de vibraciones proporciona puntos de datos útiles que alimentará a su modelo de datos predictivos, para mejorar su precisión en la predicción de fallas en los equipos.

Para aprovechar al máximo el análisis de vibraciones y el análisis predictivo, debe combinarlo con un software CMMS moderno como Limble. Limble puede comunicarse con su sensor de vibración y, según cómo lo configure, activar automáticamente Órdenes de trabajo de emergencia.

Un WO desencadenado en Limble CMMS basado en datos del sensor de vibración

Uso del análisis de vibraciones para averías y mantenimiento correctivo

El análisis de vibraciones también puede ser útil en un escenario reactivo. Puede realizar un análisis de vibraciones como parte de su proceso de mantenimiento de averías para ayudar a identificar la causa raíz de la falla. Esto le ayudará a:

1. tomar la acción correctiva apropiada para solucionar la falla
2. evitar que se produzcan fallos similares en el futuro

Si está utilizando Limble CMMS, los técnicos pueden dejar comentarios mientras cierran una orden de trabajo, dejando notas importantes sobre las causas de fallas descubiertas, los datos de las pruebas de vibración, el estado del equipo y el tiempo de inactividad.

Estos datos pueden ser utilizados por:

• ingenieros de confiabilidad al realizar análisis de fallas
• gerentes de mantenimiento para evaluar los costos de mantenimiento
• por otros técnicos para acelerar futuros procesos de reparación y resolución de problemas en este tipo de equipo

Ventajas y limitaciones del análisis de vibraciones

Como cualquier otra herramienta o técnica de mantenimiento, el análisis de vibraciones tiene ventajas y limitaciones específicas. Conocerlos le ayudará a identificar casos de uso viables para el análisis de vibraciones en el piso de su planta

Ventajas del análisis de vibraciones:

• Se puede usar para monitorear componentes de difícil acceso sin paradas planificadas.
• Con la configuración correcta, se puede utilizar de forma remota.
• Puede proporcionar información en tiempo real sobre el estado de sus activos críticos.
• Existen muchos procedimientos operativos estándar, metodologías y software establecidos que puede utilizar para simplificar el proceso de análisis de vibraciones.
• Hoy en día, hay muchos sensores disponibles comercialmente desarrollados para rastrear condiciones operativas específicas.

Limitaciones del análisis de vibraciones:

• Se necesitan experiencia, capacitación y certificaciones para realizar correctamente el análisis de vibraciones.
• No se puede usar para rastrear defectos de movimiento rápido (defectos que se propagan a través de la máquina en un corto período de tiempo).
• Requiere una inversión inicial en equipos de vibración y herramientas de software.
• Puede resultar complicado realizar la localización de fallas.

Al fin y al cabo, el monitoreo de vibraciones es un poderoso aliado para cualquier organización que esté ejecutando mantenimiento predictivo o mantenimiento basado en condiciones. Dicho esto, cualquier implementación de sensores y herramientas debe ir precedida de un análisis de costo-beneficio.

El que madruga se lleva el gusano

Detectar el deterioro del equipo lo antes posible puede ahorrarle a su organización una tonelada de dinero a largo plazo, especialmente si sus procesos comerciales dependen de activos físicos costosos.

Con más espacio para respirar, su equipo de mantenimiento tiene tiempo suficiente para solicitar piezas de repuesto, asignar las herramientas necesarias y programar el trabajo de mantenimiento en coordinación con Producción y otros departamentos.

Gracias al CMMS, el análisis de vibraciones y otras herramientas de monitoreo de condición, organizar el trabajo de mantenimiento nunca ha sido tan fácil.