Análisis de vibración

El proceso de análisis de vibración genera un diagnóstico de salud en sistemas HVAC, dado que se basa en las frecuencias que se registran; por ello, ayuda a detectar una amplia variedad de condiciones para atacar la falla correspondiente.

Ricardo Lázaro.

En la actualidad, se encuentran a disposición sistemas avanzados para la recolección de datos y su procesamiento. Los diferentes fabricantes de instrumentación para el ramo de las vibraciones han innovado sus productos de tal forma que el analista cuenta con más herramientas para poder localizar el problema raíz que ocasiona los altos niveles de vibración en la maquinaria. Aun con estas herramientas avanzadas, es de primordial importancia que el analista tenga siempre en mente los principios básicos del análisis de vibración y una técnica de aproximación adecuada al problema para poder obtener los resultados esperados.

Los equipos que contienen partes móviles poseen una gran variedad de frecuencias de vibración. Estas frecuencias son gobernadas por la naturaleza de la fuente de vibración y pueden variar en un amplio rango o espectro.

La vibración es el movimiento de vaivén de una máquina o elemento de ella en cualquier dirección del espacio desde su posición de equilibrio. En general, la causa de la vibración reside en problemas mecánicos, como desequilibrio de elementos rotativos, desalineación en acoplamientos, engranajes desgastados o dañados, rodamientos deteriorados, fuerzas aerodinámicas o hidraúlicas, y problemas eléctricos.

Estas causas, como se puede suponer, son fuerzas que cambian de dirección o de intensidad; se deben al movimiento rotativo de las piezas de la máquina, aunque cada uno de los problemas se detecta estudiando las características de la vibración. Las más importantes son: frecuencia, desplazamiento, velocidad, aceleración y energía de impulsos (spike energy).

Rasgos de la vibración
La frecuencia es una característica simple y significativa en este análisis. Se define como el número de ciclos completos en un periodo de tiempo. La unidad característica es cpm (ciclos por minuto). Existe una relación importante entre frecuencia y velocidad angular de los elementos rotativos. La correspondencia entre cpm y rpm (revoluciones por minuto) identificará el problema y la pieza responsable de la vibración. Esta relación es debida a que las fuerzas cambian de dirección y amplitud de acuerdo con la velocidad de giro. Los diferentes problemas son detectados por las frecuencias iguales a la velocidad de giro o bien múltiplos suyos. Cada tipo de problema muestra una frecuencia de vibración distinta.

La amplitud de la vibración indica la importancia o gravedad del problema. Esta característica da una idea de la condición de la máquina. Se podrá medir la amplitud de desplazamiento, velocidad o aceleración. La velocidad de vibración tiene en cuenta el desplazamiento y la frecuencia; por tanto, es un indicador directo de la severidad de la vibración.

La severidad de la vibración se indica de forma más precisa al medir la velocidad, la aceleración o el desplazamiento, según el intervalo de frecuencias en el que tiene lugar. Para bajas frecuencias, menores a 600 cpm, se toman medidas de desplazamiento; en el intervalo entre 600 y 60 mil cpm, se mide la velocidad, y para altas frecuencias mayores a 60 mil cpm, se toman aceleraciones.

La velocidad es otra característica importante en la vibración; gráficamente, se puede ver en la gráfica 1.

Se mide la velocidad de pico mayor de todo el recorrido que realiza el elemento cuando vibra; la unidad es mm/s. El cambio de esta característica trae consigo una modificación de la aceleración. La velocidad tiene una relación directa con la severidad de la vibración; por ello, es el parámetro que siempre se mide. Las vibraciones que tienen lugar entre 600 y 60 mil cpm se analizan con respecto a la velocidad.

La aceleración está relacionada con la fuerza que provoca la vibración. Algunos de los fenómenos de vibración se producen a altas frecuencias, aunque la velocidad y los desplazamientos sean pequeños. En la gráfica 2, se puede ver la aceleración de la vibración.

La energía de impulsos, o spike energy, proporciona información importante a la hora de analizar vibraciones. Este parámetro mide los impulsos de energía de vibración de breve duración y, por lo tanto, de alta frecuencia. Puede haber impulsos debido a defectos en la superficie de elementos de rodamientos o engranajes; rozamiento, impacto, contacto entre metal-metal en máquinas rotativas, fugas de vapor o de aire a alta presión, y cavitación debida a turbulencia en fluidos.

Sin este parámetro, resulta complicado detectar engranajes o rodamientos defectuosos. Con esta medida, se encuentran rápidamente las vibraciones a altas frecuencias provocadas por estos defectos. El valor spike energy es básicamente una medida de aceleración, pero tiene como unidad g-SE.

Debido a que las vibraciones poseen tres diferentes magnitudes para ser evaluadas (desplazamiento, velocidad y aceleración), primero es necesario decidir cuál de las tres magnitudes se va a medir y qué sensor se va a utilizar. En general, un sensor de desplazamiento es más sensible a la baja frecuencia, uno de velocidad a los rangos medios y uno de aceleración a la alta frecuencia.

El objetivo del análisis de vibración en sistemas HVAC es identificar las fuerzas indeseables que interactúan dentro de los equipos, para recomendar posteriormente las acciones necesarias para poder disminuirlas al mínimo.

Se le nombra fuerzas indeseables a todas aquéllas que minimizan el funcionamiento adecuado de un equipo, como el ruido excesivo que algunos aires acondicionados manifiestan con el paso del tiempo, pero que van apareciendo paulatinamente, de forma que se convierte en un estado cotidiano y llega el momento en que el equipo ya no es funcional o se tiene que hacer una mayor inversión para poder reutilizarlo. Como en todos los procesos, hay que tener siempre mantenimientos preventivos para evitar costos mayores y poder hacer buen uso de los equipos.

La vibración existente en la maquinaria se debe primordialmente a la interacción de fuerzas existentes en ella. Con base en esto, el analista debe tener claro el concepto de qué fuerzas son las que pueden ocasionar el movimiento para tenerlo presente al momento de efectuar un análisis de vibración.

Algunos de los ejemplos más típicos son:

Desequilibrio. Es una de las causas más probables de que exista vibración en las máquinas. En casi todos los elementos, es fácil de encontrar un pico en el gráfico de amplitud frente a frecuencia que denote un pequeño desequilibrio. Para conocer la cantidad de desequilibrio, hay que encontrar la amplitud de la vibración en la frecuencia igual a 1 rpm; la amplitud es proporcional a la cantidad de desequilibrio. Normalmente, la amplitud de la vibración es mayor en sentido radial en las máquinas con ejes horizontales, aunque la forma de la gráfica sea igual en los tres sentidos
Desalineación. Es un problema muy común debido a la dificultad que supone alinear dos ejes y sus rodamientos para que no se originen fuerzas que produzcan vibraciones. La forma de vibración de un eje torcido es similar a la de una mala alineación angular. Para reconocer una vibración debida a una desalineación en la gráfica, se pueden ver picos a frecuencias iguales a la velocidad de giro del eje de dos o tres veces esta velocidad en situaciones donde el problema sea grave
Ejes flexionados
Excentricidades
Solturas en bases (más común de lo que se cree)
Holguras en algún componente
Lubricación inadecuada

El objetivo del analista es identificar las fuerzas indeseables que interactúan dentro de la maquinaria y recomendar las acciones necesarias para poder disminuirlas al mínimo.

Categoría 1: Máquinas de movimiento alternativo con componentes rotativos y alternativos
En esta categoría se encuentran los motores diesel y ciertos tipos de bombas y compresores. En estos casos, la vibración se mide normalmente en la estructura principal de la máquina a bajas frecuencias.

Categoría 2: Máquinas rotativas con rotores rígidos
Pertenecen a esta división ciertos tipos de motores eléctricos, bombas monoetapa y bombas de baja velocidad. La vibración habitualmente se mide en la estructura principal de la máquina (tapas de cojinetes o soportes), donde los niveles de vibración resultan indicativos de las fuerzas de excitación generadas en el rotor como consecuencia de desequilibrios, rozamientos, deformaciones térmicas, vórtices y otros tipos de excitación.

Categoría 3: Máquinas rotativas con rotores flexibles
Los grandes generadores de turbina de vapor, las bombas multietapa y los compresores son ejemplo de las máquinas de esta división.

La máquina puede vibrar de acuerdo con más de un modo de vibración, según pasa por una o más de sus velocidades críticas, hasta alcanzar la velocidad correspondiente al régimen de servicio. En este tipo de máquinas, la medida de la amplitud de vibración en un elemento de la estructura puede no ser indicativa del estado vibracional del rotor. Por ejemplo, un rotor flexible puede experimentar desplazamientos en vibración de gran amplitud que den lugar a un rápido fallo de las máquinas, aunque el nivel de vibración medido en la tapa del cojinete resulte ser muy pequeño. En estos casos, por tanto, puede resultar esencial medir directamente la vibración en el eje.

Categoría 4: Máquinas rotativas con rotores semirrígidos
Cuentan con este tipo de rotores las turbinas de vapor de baja presión, los compresores de flujo axial y los ventiladores.

En esta clase de máquinas, el tipo de rotor flexible que les caracteriza permite que la medida de amplitud de vibración en la tapa del cojinete resulte indicativa de la vibración del eje.

A la hora de llevar a cabo una clasificación de la severidad de la vibración en una máquina, la variable del movimiento por considerar (desplazamiento, velocidad o aceleración de la vibración) depende del tipo de norma y del rango de frecuencias por analizar, amén de otros factores. Por ejemplo:

• El análisis del estado vibracional de una máquina en el rango de 10 a 1 mil Hz se suele llevar a cabo a menudo en función de la velocidad de la vibración. Al resultar un parámetro prácticamente independiente de la frecuencia en este rango, facilita llevar a cabo una medida sencilla de la severidad de las vibraciones en una máquina
• Cuando se trata de analizar un movimiento armónico simple, puede llevarse a cabo el estudio midiendo valores pico a pico o valores rms del desplazamiento en vibración; sin embargo, para máquinas cuyo movimiento es más complejo, el uso de estos dos índices da lugar a resultados claramente diferentes, debido al peso distinto aportado por los armónicos de más alta frecuencia
• En máquinas rotativas con velocidad de giro dentro del rango de 600 a 12 mil rpm, el valor rms de las amplitudes de la velocidad de vibración suele corresponderse bastante bien con el nivel de severidad de la vibración. Así, la International Standards Organization (ISO) define como “severidad de vibración” al mayor valor rms de la amplitud de velocidad de vibración obtenido en la banda de frecuencia 10 a 1 mil Hz y medido en puntos preestablecidos de la estructura (normalmente medidas triaxiales en la tapa de los cojinetes o en los soportes)

Toda la maquinaria está sujeta a ciertos niveles de vibración; sin embargo, es importante reconocer si se encuentra dentro de los límites permisibles. Una buena base de partida es utilizar los límites de severidad contenidos en la norma ISO-10816-1-1995. Esta norma remplaza la norma ISO-2372 y a la ISO-3945. En ellas, se estipulan las posiciones de medición, así como los límites máximos permisibles por clase de equipo. Por tanto, esta norma servirá como base para determinar la integridad de la maquinaria, además de como un criterio de aceptación en el caso de maquinaria nueva o reconstruida.

La vibración habitualmente se mide en la estructura principal del equipo, donde los niveles de vibración resultan indicativos de las fuerzas de excitación generadas en el rotor como consecuencia de desequilibrios, rozamientos, deformaciones térmicas, vórtices y otros tipos de excitación.

Carta de Rathbone
Es la primera guía (no norma) de amplia aceptación en el ámbito industrial. Fue desarrollada en la década de 1930 y perfeccionada posteriormente. La Carta dispone de dos escalas logarítmicas: frecuencia en Hertz (Hz) y amplitudes en desplazamiento (pico), mediante las que se podrá determinar directamente la severidad de la vibración. Las principales limitaciones de dicha carta son las siguientes:

• No considera el tipo de máquina, la potencia y la rigidez de los anclajes
• La carta es aplicable solamente a equipos rotativos y no a los alternativos o a otros sistemas industriales
• Cuanto mayor es la frecuencia, la amplitud de vibración en desplazamiento tiene que ser menor para que se conserve la misma severidad; es decir, si un equipo vibra a 300 rpm con 100 micras P-P, la severidad es “buena”; pero si la misma amplitud corresponde a una frecuencia de 4 mil cpm, entonces la severidad es “muy severa”. La vibración a baja frecuencia es menos peligrosa que la vibración a alta frecuencia, de ahí que las averías de engranajes y rodamientos, que se producen generalmente a alta frecuencia, sean muy peligrosas. Este es el motivo por el que las amplitudes de baja frecuencia se miden en desplazamientos y las de alta frecuencia en velocidad o aceleración. La carta de Rathbone fue creada para máquinas de bajas rpm y hoy se considera obsoleta

Todo problema se debe a un cambio. Cuando en una máquina se incrementan los niveles de vibración y exceden los límites permisibles, la primera pregunta que el analista debe de formularse es cuál fue el cambio que ocurrió para que se presentara el problema. Es aquí donde la interacción con el personal de la planta es importante. Cuestionarles con respecto a cambios significativos es de gran ayuda para poder determinar el problema raíz; por ejemplo:

¿Se presenta en todas las condiciones de operación?
¿El equipo es de velocidad variable o carga variable?
¿Se han llevado a cabo recientemente acciones de mantenimiento antes o después de presentarse el problema?
¿Existe algún paro después del problema?
¿El problema está desde que se instaló el equipo?

Una de las materias primas más importantes para el analista es conocer la velocidad de giro del equipo o de sus ejes adicionales, como en el caso de cajas de engranaje o transmisiones operadas por correas o bandas. Para determinar estas velocidades de operación, es importante conocer los diversos componentes del equipo:

• Rodamientos (número y fabricante)
• Número de dientes y arreglo de los engranes
• Diámetro de poleas
• Tipo de acoplamiento (flexible, rígido, hidráulico, eléctrico)
• Número de dientes en poleas dentadas
• Número de alabes o secciones en ventiladores
• Número de lóbulos o secciones en compresores

Para realizar este procedimiento, es necesario contar con el equipo adecuado. En la actualidad, existen sistemas avanzados para la recolección de datos y su procesamiento. Los diferentes fabricantes de instrumentación para el ramo de las vibraciones han innovado sus productos de tal forma, que el analista cuenta con más herramientas para poder localizar el problema raíz que ocasiona los altos niveles de vibración en la maquinaria; sin embargo, siempre hay que entender que el equipo no hace al analista, es sólo una herramienta de apoyo, por lo que se debe considerar otros aspectos que garanticen el éxito del procedimiento.

Aproximación inicial en campo
Una vez que el analista se encuentra frente al equipo que presenta problemas, surge el primer cuestionamiento: ¿dónde empezar? Esta pregunta es normal. El individuo cuenta con un analizador, el cual puede ser de tecnología de punta; no obstante, se recomienda seguir estos sencillos pasos:

1) Verificar el estado de la base del conjunto para asegurarse de que se encuentre firmemente anclado. Si existen aisladores de vibración, éstos deben estar en buenas condiciones. Lo anterior es de primordial importancia; si la base se encuentra suelta o en malas condiciones, cualquier vibración adicional proveniente de los elementos del equipo se verá seriamente amplificada por una mala sujeción. “Una buena base para una verificación, es la verificación de una buena base”.

2) Identificar con las yemas de los dedos posibles solturas existentes entre superficies, como patas de motores hacia sus bases, bases hacia cimientos, placas base hacia bases metálicas, etcétera. En ocasiones, los problemas que parecen complejos en el mundo de las vibraciones se resuelven con este paso. En caso de encontrarse con una situación así, será necesario reapretar la tornillería o, en su caso, reforzar las bases con el debido cuidado de monitorear en tiempo real los niveles de vibración para asegurarse de que no aumenten.

3) Camine alrededor del equipo para sentir con pies o manos las zonas donde la vibración sea mayor. De ser necesario, toque la tubería o ductería, como bombas, ventiladores o sopladores, tratando de encontrar zonas con niveles elevados de vibración. Recuerde que la resonancia no es causa de vibración, es un magnificador de los niveles de vibración y puede ocasionar daños severos en el equipo y sus alrededores.

4) Pregunte las veces que sea necesario al personal de mantenimiento o producción si han existido cambios en el proceso de mantenimiento. Es probable que el problema se deba a algún cambio efectuado, como cambios en velocidades de giro, condiciones de carga, bases reforzadas, cambios de motor, etcétera.

5) El analizador o colector de datos será la última herramienta para detectar el problema, por extraño que parezca. El sentido común –generalmente es el menos común–, aplicado al campo de la mecánica y la eléctrica, es de gran ayuda para la solución de problemas crónicos de altos niveles de vibración y mal funcionamiento de la maquinaria. Utilizar un analizador o colector de última tecnología le proveerá de toda la información para el diagnóstico correcto del problema.

A la hora de la adquisición de datos es importante tomar en cuenta:

• Las secuencias de medición, tomar datos correctos y lo más rápido posible para evitar perder tiempo
• Verificar que el lugar de toma de datos siempre sea el mismo, con el transductor unido de manera firme para la velocidad de datos
• Darle seguimiento de la máquina; es decir, mantener contacto con los operarios y con el personal de mantenimiento, ellos serán quienes conozcan de cerca la máquina
• Controlar el entorno exterior de la máquina: aspecto, ruido, etcétera
• Atender tendencias inesperadas; estar preparado para tomar datos y medidas cuando pueda haber signos de algún problema
• Mantener sólo datos coherentes, tomados con precisión
• Comparar con máquinas similares y en igual forma de trabajo

Para finalizar, es importante aplicar una combinación adecuada de técnicas de análisis, que dependen de las primeras lecturas de este examen. Del análisis de los espectros iniciales (frecuencia, amplitud y dirección de vibración) dependerá la decisión de aplicar las siguientes herramientas de análisis de su analizador/colector de datos:

• Demodulación
• Análisis de fase
• Análisis en tiempo real
• Análisis en forma de onda
• Análisis transitorio

Realizar un análisis de vibración es de gran utilidad en los sistemas de HVAC y, aunque la periodicidad del mantenimiento preventivo debe basarse en el equipo y su tiempo de uso, es recomendable pautar una visita cada tres, cuatro o seis meses; si es necesario, remplazar alguno de los componentes que presente cambios o desgaste sin explicación.

Reporte de análisis
Es importante –una vez que sea realizado el análisis– entregar un reporte con los aspectos que fueron estudiados. Queda a criterio de la persona u operador a cargo colocar los puntos en el orden que mejor le convenga para un resultado pertinente.

A continuación se muestra un ejemplo de reporte:

Nombre de empresa: Ingenio “Grupo Torres”

Equipo: Torre lado fábrica

Fecha: 15/11/2012

Conclusión
El equipo se encontró dentro del rango permisible de vibración: el ventilador gira a 160 rpm, consta de 12 aspas que fueron encontradas con un ángulo de ataque de 35 a 43 grados, por lo que un desbalance en aspas puede estar representando una extracción no uniforme. Se recomienda establecer todas a 40 grados para una mejor eficiencia en el sistema.

La estructura es muy endeble, por lo cual, el equipo presenta lecturas un poco altas en el punto axial. Se sugiere un mayor reforzamiento en la estructura y, a su vez, que del lado del motor en el cople se lime y se pongan los tornillos de la guarda, ya que hay un pequeño roce entre la estructura del cono y el cople. El motor opera a 1 mil 787 rpm; las lecturas están dentro del rango permisible de operación:

Reductor: 0.01 in/s lado salida a ventilador y 0.05 in/s en la entrada del reductor

Motor: horizontales: 0.05 in/s; verticales: 0.06 in/s, y axiales: 0.15 in/s
—————————————————————————————————————————————————