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Aplicación de la teoría de vibraciones

Se denomina vibración a la propagación de ondas elásticas produciendo

deformaciones y tensiones sobre un medio continuo (o posición de equilibrio).

En su forma más sencilla, una vibración se puede considerar como un movimiento

repetitivo alrededor de una posición de equilibrio. La posición de "equilibrio" es a la

que llegará cuando la fuerza que actúa sobre él sea cero. Este tipo de movimiento

no involucra necesariamente deformaciones internas del cuerpo entero, a

diferencia de una vibración.

4.1. Medición de las vibraciones

La medición y análisis de vibraciones es utilizado, en conjunto con otras técnicas,

en todo tipo de industrias como técnica de diagnóstico de fallas y evaluación de la

integridad de máquinas y estructuras. En el caso de los equipos rotatorios, la

ventaja que presenta el análisis vibratorio respecto a otras técnicas como tintas

penetrantes, radiografía, ultrasonido, etc., es que la evaluación se realiza con la

máquina funcionando, evitando con ello la pérdida de producción que genera una

detención.

Las etapas seguidas para medir y/o analizar una vibración, que constituyen la

cadena de medición, son: - etapa transductora, - etapa de acondicionamiento de la

señal, - etapa de análisis y/o medición, - etapa de registro.

El transductor es el primer eslabón en la cadena de medición y debería reproducir

exactamente las características de la magnitud que se desea medir. Un

transductor es un dispositivo electrónico que censa una magnitud física como

vibración y la convierte en una señal eléctrica (voltaje) proporcional a la magnitud

medida.

Típicamente hay cuatro tipos de sensores o transductores de vibraciones:

- Sensor de desplazamiento relativo sin contacto

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- Sensor de desplazamiento relativo con contacto

- Sensor de velocidad o velocímetro

- Sensor de aceleración o acelerómetro

Para la medición de vibraciones en el exterior de las máquinas y en las estructuras

hoy en día se utiliza fundamentalmente los acelerómetros.

El acelerómetro tiene la ventaja respecto al velocímetro de ser más pequeño,

tener mayor rango de frecuencia, y poder integrar la señal para obtener velocidad

o desplazamiento vibratorio. El sensor de desplazamiento se utiliza para medir

directamente el movimiento relativo del eje de una máquina respecto a su

descanso.

4.2. Análisis de vibraciones

El objetivo del análisis de vibraciones es poder extraer el máximo de información

relevante que ella posee. Para esto existen diferentes técnicas de análisis tanto en

el dominio tiempo como en el dominio frecuencia, las cuales tienen sus propias

ventajas para algunas aplicaciones en particular. A continuación se presenta

algunas de las técnicas más utilizadas en la inspección de máquinas.

• Análisis espectral.

La esencia del análisis espectral es descomponer la señal vibratoria en el

dominio del tiempo en sus componentes espectrales en frecuencia. Esto

permite, en el caso de las máquinas, correlacionar las vibraciones medidas

generalmente en sus descansos, con las fuerzas que actúan dentro de ella.

• Análisis de la forma de onda

El análisis de la forma de la vibración en el tiempo a veces puede proveer

información complementaria al análisis espectral. Este análisis es adecuado

para reconocer los siguientes tipos de problemas:

• Impactos

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• Rozamientos intermitentes

• - Modulaciones en amplitud y frecuencias

• - Transientes

• - Truncaciones.

• Análisis de fase de vibraciones.

Se puede definir la diferencia de fase entre dos vibraciones de igual frecuencia

como la diferencia en tiempo o en grados con que ellas llegan a sus valores

máximos, mínimos o cero. El análisis de diferencias de fase a la velocidad de

giro de la máquina entre las vibraciones horizontal y vertical o entre las

vibraciones axiales de los diferentes descansos del sistema motor-máquina,

permite determinar los movimientos relativos entre ellos, y diferenciar entre

problemas que generan vibraciones a frecuencia 1xrpm.

-Desbalanceamiento

- Desalineamiento

- Eje doblado

- Resonancia

- Poleas excéntricas o desalineadas.

4. Análisis de los promedios sincrónicos en el tiempo.

Esta técnica recolecta señales vibratorias en el dominio tiempo y las suma y

promedia sincrónicamente mediante un pulso de referencia repetitivo. Las

componentes sincrónicas al pulso se suman en el promedio y las no

sincrónicas disminuyen de valor con el número de promedios.

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5. Análisis de órbitas.

Combinando dos señales vibratorias captadas por sensores ubicados

relativamente entre ellos a 90º (vertical y horizontal) en un descanso de la

máquina se puede obtener el movimiento del eje en el descanso o su órbita.

6. Análisis de demodulaciones.

El análisis de demodulaciones en amplitud consiste en analizar la envolvente

de la señal temporal de una señal modulada. Estas modulaciones y análisis

permite determinar más fácilmente la periodicidad de las diagnosticar

problemas tales como:

- Rodamientos picados

- Engranajes excéntricos o con dientes agrietados

- Deterioro de álabes en turbinas

7. Análisis de vibraciones en partidas y paradas de una máquina.

Existen ciertos problemas que son más fáciles de diagnosticar durante el

funcionamiento transiente (partidas/paradas) que durante el funcionamiento

estacionario de la máquina. Es el caso de los problemas que generan

vibraciones cuyas frecuencias son función de la velocidad de la máquina. Al

disminuir ésta, dichas componentes van disminuyendo en acorde, por lo que

en algún momento coinciden con alguna frecuencia natural de ella y son

amplificadas, evidenciando en ese instante en forma más clara el problema.

8. Transformadas tiempo-frecuencia.

El análisis espectral es adecuado para analizar vibraciones compuestas de

componentes estacionarias durante su período de análisis. Esto indica qué

efectos transientes de la vibración son promediados en el período de análisis,

perdiéndose información sobre la naturaleza o forma de estas variaciones.

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Las transformadas tiempo-frecuencia son análisis tridimensionales amplitud-

tiempo-frecuencia, es decir, se agrega una nueva dimensión (el tiempo).

4.3. Diagnostico de vibraciones

El diagnóstico móvil de vibraciones representa una variante altamente eficiente

de la evaluación del estado de las máquinas. Mediante este servicio pueden

reconocerse a tiempo modificaciones en el comportamiento de servicio

4.4. Balanceo de rotores.

Balance.

El balance es la técnica de corregir o eliminar fuerzas o momentos

generadores de perturbaciones vibratorias.

El desbalance es una de las fuerzas que causan problemas en rotores y

máquinas rotativas. Si una máquina está desbalanceada presenta altos niveles

de vibración, ruido y desgaste perjudiciales, que afectan la resistencia a la

fatiga de la máquina.

Rotor Rígido.

Un rotor rígido es el que no presenta una deformación significativa a su

velocidad de funcionamiento. Un rotor rígido se puede corregir con la

aplicación de no más de dos masas de corrección, y después de la corrección

mantendrá su balance en un rango de velocidades hasta su duración de vida

máxima.

Rotor Flexible

Es aquel que, dependiendo de las revoluciones y de la situación de su

alojamiento, varía su estado de equilibrado. En muchos rotores, los momentos

de internos actúan en los planos extremos y esta actuación aumenta en

proporción al cuadrado de la velocidad y flexionan enormemente el rotor

dependiendo de las fuerzas elásticas que son proporcionales a su flexión. No

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existe una flexión única del rotor sino que ésta varía en dependencia de la

gama de revoluciones a la que gira.

Balanceo estático.

Este se hace si existe una condición que cuando el centro de masa no está

sobre el eje de rotación, puede ser también explicada como la condición

cuando el eje principal de inercia es paralelo al eje de rotación. El desbalance

estático por si mismo es típicamente medido y corregido sobre partes en forma

de disco muy estrechas como un “frisbee”. Para corregir el desbalance estático

se requiere solo una corrección. La cantidad de desbalance es el producto del

peso por el radio. Este tipo de desbalance es un vector, y por eso, debe ser

corregido con un peso conocido en un ángulo particular.

El balanceo dinámico

Es el arte de compensar y redistribuir masas, por el efecto producido por

descompensación de las masas producidas por errores en la fabricación o el

maquinado en máquinas rotativas.

4.5. Registro y análisis de vibraciones

Para registrar vibraciones son necesarios los siguientes elementos y equipos:

1) Un sistema captador analógico que transforme la aceleración de la pieza

que está sometida a vibración en una señal eléctrica analógica. El elemento

que realiza esta función es el acelerómetro. Normalmente se utilizan dos

acelerómetros montados en dos direcciones ortogonales, aunque también a

veces se suelen colocar en la misma dirección según lo que se pretenda medir.

2) Un equipo para registrar la señal y grabar la misma en un soporte físico

como puede ser cinta magnética o disquete de ordenador en código ASCII, con

al menos la posibilidad de grabación de dos canales independientes el uno del

otro para las dos señales de los acelerómetros.

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3) Un microprocesador que calcule la transformada de Fourier de las señales

captadas por los acelerómetros y grabadas en el soporte físico para obtener el

espectro de frecuencias.

Normalmente los equipos 2) y 3), es decir el equipo de grabación y el

microprocesador de análisis, vienen ya en un mismo equipo que se denomina

Analizador Espectral de Señales.

4) Un ordenador para poder estudiar los espectros grabados mediante el

análisis numérico de los mismos.

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