¿Qué es el análisis de vibraciones y cómo puede ayudar a optimizar el mantenimiento predictivo?

El análisis de vibraciones (o monitorización de vibraciones) es una potente herramienta de diagnóstico para identificar, monitorizar y prevenir fallos mecánicos en maquinaria rotativa y recíproca. Es un componente esencial de los programas de mantenimiento predictivo, que permite a los técnicos detectar problemas en desarrollo en los equipos antes de que provoquen costosos tiempos de inactividad no planificados o fallos catastróficos.

El análisis de vibraciones (un componente de los sistemas de monitorización de condiciones) utiliza sensores de vibración para medir las frecuencias en un activo y detectar anomalías que puedan indicar un problema. En esencia, el análisis de vibraciones es el estudio de los movimientos oscilatorios de las máquinas y sus componentes alrededor de un punto de equilibrio establecido. Estas oscilaciones pueden deberse a diversos problemas, como desequilibrios, desalineaciones, holguras, ejes doblados o defectos en los cojinetes.

Al medir y analizar las vibraciones de las máquinas, los técnicos pueden evaluar mejor el estado y el rendimiento de los equipos, lo que les permite detectar problemas e implementar acciones correctivas. Y, dado que los componentes giratorios y recíprocos (por ejemplo, motores, compresores, bombas, etc.) tienden a vibrar más intensamente y con mayor ruido a medida que envejecen, el análisis de los cambios en la vibración puede ayudar a los responsables de mantenimiento a supervisar el estado de las máquinas en tiempo real e identificar de forma proactiva el desgaste y los daños de los activos.

Las vibraciones son multidimensionales, por lo que las pruebas de vibración requieren tener en cuenta diversos parámetros. Los parámetros principales son la amplitud, la frecuencia y la fase:

• La amplitud se refiere a la magnitud de la vibración, normalmente medida en unidades como desplazamiento (milésimas de pulgada o micrómetros), velocidad (pulgadas por segundo o milímetros por segundo) o aceleración (g).
• La frecuencia mide el número de oscilaciones por unidad de tiempo, normalmente expresada en hercios (Hz).
• La fase se refiere a la temporización relativa de la forma de onda de vibración, normalmente medida en grados.

Los analizadores de vibraciones pueden utilizar estos factores, junto con otros como la forma de onda y el contenido armónico, para identificar fallos específicos de la máquina y su gravedad. 

También hay dos tipos principales de vibraciones:

• La vibración forzada se produce cuando se aplica una fuerza externa a un sistema, lo que hace que vibre. Algunos ejemplos son las vibraciones producidas por un motor o una bomba en funcionamiento.
• La vibración natural, también conocida como resonancia, se produce cuando un sistema vibra a su frecuencia natural. Este tipo de vibración puede ser problemática si la frecuencia natural de la máquina coincide con la frecuencia de funcionamiento, ya que puede provocar vibraciones excesivas.

En el competitivo panorama industrial de hoy, asegurar el funcionamiento suave y la longevidad de su maquinaria es primordial. Seguir un proceso de análisis de vibraciones paso a paso puede ayudarle a aprovechar las vibraciones de la máquina para comprender mejor el estado del equipo y del sistema.

Paso 1. Recopilar datos preliminares

Para realizar un análisis de vibraciones, comience recopilando datos sobre el equipo y/o la estructura que analizará. Asegúrese de identificar la ubicación y el tipo de sensores que necesitará para las mediciones de vibraciones, incluidos los rangos de amplitud y frecuencia, ya que los sensores le servirán como recopiladores de datos durante todo el proceso. También es importante recopilar información sobre las condiciones de funcionamiento del equipo, como la velocidad, la carga y la temperatura.

Paso 2. Medir las vibraciones

El próximo paso del proceso es medir las vibraciones de la maquinaria elegida. El análisis de vibraciones suele implicar la medición de la amplitud de vibración de un activo o sistema.

En este caso, confiará en un acelerómetro conectado a sitios clave de vibración para tomar medidas. Los acelerómetros (acelerómetros piezoeléctricos, sondas de proximidad, vibrómetros láser Doppler, etc.) utilizan respuestas de alta frecuencia para medir la aceleración de un objeto vibrante en tres direcciones: arriba y abajo, de lado a lado y de adelante hacia atrás.

También puede medir las vibraciones utilizando sensores de velocidad y sensores de desplazamiento. Los sensores de velocidad miden la velocidad de un objeto que vibra, ofreciendo una respuesta de frecuencia media ideal para monitorizar el estado general de la máquina. Los sensores de desplazamiento, por otro lado, miden el desplazamiento de un objeto que vibra, proporcionando una respuesta de baja frecuencia adecuada para detectar problemas estructurales y desequilibrios.

Paso 3. Analizar los datos

Una vez que haya recopilado todos los datos relevantes, es hora de analizarlos. La etapa de análisis requerirá que utilice algoritmos informáticos y software para identificar patrones de vibración y tendencias de datos, y deberá comparar los datos con los estándares y pautas establecidos.

Los equipos de mantenimiento pueden utilizar una variedad de técnicas para analizar los datos de vibración, incluidas las siguientes: 

• Análisis en el dominio del tiempo: para realizar un análisis en el dominio del tiempo, se analizará la señal de vibración sin procesar a lo largo del tiempo. Los técnicos pueden extraer y evaluar datos (p. ej., amplitud máxima, factor de cresta, asimetría, raíz cuadrática media (RMS), etc.) de la señal directamente desde la forma de onda temporal. Esta técnica es útil para detectar fenómenos transitorios como impactos o sacudidas. 
• Análisis en el dominio de la frecuencia: mediante una operación matemática de análisis de frecuencia denominada transformada rápida de Fourier (FFT), el análisis de frecuencia consiste en convertir la señal del dominio del tiempo en una señal del dominio de la frecuencia. El espectro de frecuencias resultante facilita la identificación de las frecuencias específicas asociadas a fallos mecánicos.
• Análisis de envolvente: rambién conocido como demodulación, el análisis de envolvente se utiliza principalmente para detectar defectos en los rodamientos en una fase temprana. Esta técnica consiste en extraer las señales de impacto de alta frecuencia generadas por los cojinetes dañados de la señal de vibración general, lo que permite a los técnicos identificar la presencia y la gravedad de los fallos en los cojinetes.
• Análisis modal: el análisis modal es una técnica más avanzada que se centra en identificar las frecuencias naturales, las formas de los modos y las características de amortiguación de una máquina. El estudio de estas propiedades ayuda a los analistas a evaluar el comportamiento dinámico de una máquina e identificar posibles problemas estructurales y/o condiciones de resonancia.

Paso 4. Interpretar los resultados

Un análisis exitoso requerirá que los analistas de vibraciones comprendan las frecuencias específicas asociadas con diversos problemas mecánicos. Algunas frecuencias de fallos comunes incluyen las siguientes:

• Frecuencia fundamental: la frecuencia a la que un componente giratorio completa una rotación completa. Las desviaciones de la frecuencia fundamental de referencia pueden ayudarle a identificar fallos específicos, como desequilibrio, desalineación y holgura.
• Armónicos: los múltiplos enteros de la frecuencia fundamental a menudo asociados con problemas de engranajes u otros eventos cíclicos.
• Bandas laterales: resultado de la modulación de la frecuencia fundamental por otra frecuencia, como en la interacción entre un fallo de rodamiento y la frecuencia de un componente giratorio. Las bandas laterales a menudo aparecen como picos simétricos alrededor de la frecuencia fundamental o sus armónicos y pueden ser indicativos de problemas en los rodamientos y/o dientes de engranajes rotos.

Paso 5. Tomar medidas correctivas

Una vez que identifique posibles problemas en la etapa de interpretación, establezca umbrales de alarma que activen una respuesta cuando las vibraciones los superen. Estos umbrales pueden basarse en estándares del sector, datos históricos o recomendaciones del fabricante. Los tipos de umbrales de alarma más utilizados son los umbrales absolutos, los umbrales de tendencia y los umbrales estadísticos.

• Los umbrales absolutos son valores fijos basados en niveles aceptables de vibración para tipos específicos de equipos. 
• Los umbrales de tendencia son valores dinámicos que cambian con el tiempo en función del rendimiento histórico del equipo. Cuando los niveles de vibración aumentan repentinamente, puede indicar un problema en desarrollo.
• Los umbrales estadísticos se derivan de análisis estadísticos de datos históricos, teniendo en cuenta la media y la desviación estándar de los niveles de vibración.

Cuando un sistema o activo supera el umbral de alarma, el gestor de mantenimiento debe tomar las medidas adecuadas para abordar el asunto. Esto puede implicar programar el mantenimiento, ajustar los parámetros operativos o realizar más análisis para identificar la causa del problema.

La implementación del análisis de vibraciones como parte de un programa de mantenimiento predictivo ofrece numerosos beneficios:

• Detección temprana de fallos: el análisis de vibraciones puede detectar fallos en desarrollo en la maquinaria mucho antes de que sean visibles o audibles para los sentidos humanos. Estas capacidades de detección temprana ayudan a los equipos de mantenimiento a programar reparaciones o sustituciones antes de que se produzca un fallo, lo que reduce el tiempo de inactividad y mejora la productividad general.
• Mejora de la programación del mantenimiento: al identificar la gravedad de los fallos de las máquinas, el análisis de vibraciones permite a los equipos de mantenimiento priorizar sus esfuerzos y asignar recursos de forma más eficaz. Este enfoque específico puede suponer un importante ahorro de costes y una mayor fiabilidad del equipo.
• Reducción de los costes de mantenimiento: encontrar y corregir los fallos de las máquinas antes de que provoquen fallos catastróficos puede ayudar a las organizaciones a evitar costosas reparaciones y sustituciones de equipos. Además, el mantenimiento predictivo basado en el análisis de vibraciones puede prolongar la vida útil de la maquinaria, reduciendo aún más los gastos de capital a largo plazo. 
• Mayor seguridad: el análisis de vibraciones puede desempeñar un papel crucial en el mantenimiento de un entorno de trabajo seguro para los empleados. Detectar y abordar de forma proactiva posibles fallos mecánicos reduce significativamente el riesgo de accidentes y lesiones en el lugar de trabajo.
• Mejora de la eficiencia energética: la maquinaria defectuosa suele consumir más energía de la que debería, lo que aumenta los costes operativos. La rectificación de problemas mediante el análisis de vibraciones ayuda a las organizaciones a optimizar la eficiencia de los activos y reducir el consumo de energía.

La versatilidad del análisis de vibraciones lo convierte en una metodología útil en una amplia gama de sectores y equipo.

Las plantas de fabricación utilizan el análisis de vibraciones para monitorizar el estado de los motores (incluidos los motores eléctricos), cajas de cambios, transportadores y máquinas herramienta. Los datos de vibraciones se pueden utilizar para optimizar los procesos de producción, reducir el riesgo de fallo del equipo y mejorar la eficiencia general de la planta.

En la industria de la automoción, el análisis de vibraciones es importante para el diseño, desarrollo y ensayo de componentes. El análisis de las características de vibración de los motores, las transmisiones y los sistemas de suspensión puede ayudar a los ingenieros a optimizar sus diseños para mejorar el rendimiento y la fiabilidad en el mundo real y aumentar la comodidad de los pasajeros.

En el sector aeroespacial, el análisis de vibraciones permite a los ingenieros identificar y abordar problemas como la vibración excesiva, la resonancia o la fatiga del material para mejorar la fiabilidad y la longevidad de los sistemas de las aeronaves. Y en el sector energético, el análisis de vibraciones ayuda a los operadores de turbinas a monitorizar el estado de las turbinas para identificar desequilibrios de palas, fallos en la caja de cambios y/o defectos en los cojinetes.

El análisis de vibraciones es una herramienta inestimable en el mundo del mantenimiento predictivo, que ofrece a las organizaciones la capacidad de detectar fallos en las máquinas desde el principio. Comprender los principios del análisis de vibraciones y utilizar software avanzado como IBM Maximo Application Suite puede ayudar a los equipos de mantenimiento a mejorar significativamente la fiabilidad, la eficiencia y la seguridad de sus equipos.

IBM Maximo es una plataforma integrada que ayuda a las empresas de fabricación a optimizar el rendimiento de los activos y agilizar las operaciones diarias. Con Maximo, los equipos pueden configurar medidores para observar y medir el estado de los activos y conectar esos medidores a sensores de vibración instalados en activos clave, lo que les ayuda a almacenar y acceder más fácilmente a los datos de las máquinas.

Utilizando una plataforma integrada con IA, basada en la nube, Maximo ofrece capacidades de CMMS, EAM y APM que producen análisis avanzados de datos de vibración y ayudan a los gerentes a tomar decisiones de mantenimiento más inteligentes y más basadas en datos.

A medida que los sectores continúan evolucionando y adoptando nuevas tecnologías, el análisis de vibraciones seguirá estando a la vanguardia para mantener la salud de las máquinas y garantizar un rendimiento óptimo. Al aprovechar las características y capacidades avanzadas de IBM Maximo, las empresas pueden transformar las operaciones de mantenimiento para seguir el ritmo del panorama de fabricación en constante cambio.