Fundamentos y tecnología

¿Qué es la vibración?

La vibración se refiere al movimiento periódico de un cuerpo con ciertas características recurrentes.

Una vibración armónica se puede describir como una función sinusoidal. Existen varias variables que son relevantes para caracterizar una vibración:

El periodo T es el tiempo que se tarda en repetir un proceso completo. El recíproco de un periodo se denomina frecuencia (f = 1/T). A una velocidad del motor de 3000 revoluciones por minuto, la rotación se repite cada 20 ms (periodo T), lo que corresponde a una frecuencia de 50 Hz.

La amplitud A describe la máxima desviación de una vibración desde la posición de equilibrio. Existen distintos términos que se pueden emplear en relación con la amplitud. Además del clásico valor pico (= amplitud, pico), el valor efectivo (= valor RMS) y la amplitud de vibración (= 2x amplitud, pico-pico) son otros dos términos habituales.

La fase describe la función angular o el desfase temporal de un proceso periódico, por ejemplo, una sinusoide respecto a un punto de referencia (como el impulso de un encóder). En nuestro caso, la fase es una variable importante a la hora de equilibrar un sistema giratorio con el fin de determinar la posición del contrapeso.

En la práctica, se superponen muchas vibraciones armónicas diferentes, lo que suele dificultar la identificación de las distintas funciones sinusoidales en la señal temporal.

Dominio temporal

Cuando se analizan las vibraciones en el dominio temporal, se muestra la señal de vibración compleja superpuesta y se analiza a lo largo del tiempo. La aparición de señales o patrones dominantes y transitorios en la señal temporal permite extraer conclusiones sobre los daños.
Por ejemplo, los daños en los rodamientos en una fase temprana generan amplitudes periódicas en forma de aguja en la señal temporal.

En el dominio temporal, se suelen generar valores característicos de estado como el valor efectivo (RMS) o el valor pico (Peak).
En el campo de la supervisión de vibraciones, por ejemplo, el valor efectivo de la velocidad de vibración (v-RMS) se utiliza para el desequilibrio, la desalineación y el aflojamiento, mientras que el valor efectivo de la aceleración de vibración (a-RMS) se utiliza para la fricción o la falta de lubricación en engranajes o rodamientos.
Un valor característico común de los valores pico es el llamado valor pico de la aceleración de vibración (a-Peak), que representa eventos transitorios, por ejemplo, como consecuencia de daños en los rodamientos o de un choque repentino de la máquina.

Dominio frecuencial

Cuando se analizan las vibraciones en el dominio frecuencial, una transformada rápida de Fourier (=FFT) descompone la señal temporal compleja superpuesta en sus componentes de frecuencia y amplitudes. Esto permite reconocer rápida y claramente las frecuencias dominantes en una mezcla de vibraciones, como la frecuencia de desequilibrio.

Una forma especial de FFT es el espectro de curva envolvente (= H-FFT), en el que los impulsos de choque periódicos (por ejemplo, por daños en los rodamientos) que estimulan la frecuencia natural del sistema se someten a un proceso de demodulación y al correspondiente prefiltrado. Especialmente con rodamientos o cinemáticas complejas de máquinas (por ejemplo, engranajes), los análisis de curva envolvente ofrecen la ventaja de identificar de manera clara las frecuencias recurrentes de los impulsos de choque del componente dañado.

Medición de banda ancha

En una medición de banda ancha, se registra y analiza todo el rango de frecuencias de una señal, incluidos todos los componentes de frecuencia. Las mediciones se realizan en un amplio rango de frecuencias (por ejemplo, 2...1000 Hz) y a partir de ellas se generan valores característicos de estado (por ejemplo, el valor efectivo de la velocidad de vibración v-RMS), los cuales se transmiten en tiempo real para una monitorización de las condiciones.

Medición de banda estrecha

En una medición de banda estrecha, la detección se concentra en un rango de frecuencias estrecho o en frecuencias específicas dentro del espectro global. Las mediciones de banda estrecha se suelen aplicar cuando existe un interés particular en un componente de frecuencia concreto (por ejemplo, las frecuencias de un rodamiento) o en un rango de frecuencias específico.

Desplazamiento de la vibración d

El desplazamiento de la vibración es la distancia real que recorre un punto de medición desde su posición de reposo. Este valor permite registrar los movimientos cíclicos de una aplicación, por ejemplo, el movimiento de un transportador o el estado de los elementos amortiguadores de un transportador vibrante. Normalmente, el desplazamiento de la vibración se registra en un rango de frecuencias inferior a 500 Hz.

Velocidad de vibración v

La velocidad de vibración, especialmente el valor efectivo, es un buen indicador de la medida de la energía que actúa sobre la máquina. Los desequilibrios, aflojamientos, desalineaciones o problemas en la correa suelen ser la causa de un aumento del v-RMS. Estas aplicaciones suelen operar en un rango de frecuencias de 2...1000 Hz (según la norma ISO 10816-3 o ISO 20816-3).

Aceleración de vibración a

Los valores característicos de alta frecuencia y banda ancha, como el a-Peak o el a-RMS, han demostrado su eficacia en la indicación de daños en los rodamientos, roce, fricción o también cavitación. Justo en la fase temprana de un daño, los picos de aceleración de alta frecuencia no están cubiertos por el rango de frecuencias de la norma ISO 20816. Por lo tanto, la aceleración de la vibración es especialmente útil como indicador de alerta temprana de los impulsos de choque breves y transitorios que se producen como consecuencia de daños inminentes en los rodamientos o fallos en los dientes de los engranajes.

Factor de cresta

Un valor característico especial de la aceleración de vibración es el llamado factor de cresta, que corresponde al cociente entre el valor pico y el valor efectivo:
Cresta = a−Peak / a−RMS

El factor de cresta es un valor característico de eficacia probada en la evaluación de daños en los rodamientos. Especialmente durante las primeras fases del daño en los rodamientos, se generan impulsos de choque periódicos cada vez que se atraviesa una picadura. Estos impulsos de choque provocan un aumento del a-Peak. Sin embargo, el a-RMS seguirá siendo relativamente pequeño en esta fase. A medida que avanza el daño, aumentará la frecuencia de las picaduras y también la intensidad de los impulsos de choque, lo que a su vez provocará un aumento del a-RMS. Especialmente en esta fase inicial entre valores a-Peak elevados y valores a-RMS bajos, el factor de cresta es un indicador adicional útil para identificar daños en los rodamientos en una fase temprana, pues este factor también será elevado en esta fase e irá disminuyendo gradualmente según aumenten los valores a-RMS.

Medición en un solo eje vs. en varios ejes

En la mayoría de las aplicaciones, es suficiente la medición de las vibraciones en un solo eje, ya que la vibración principal se produce en dirección radial al eje.
Sin embargo, una medición en 3 ejes puede tener ventajas decisivas en términos de funcionalidad, de flexibilidad y también de costes.

Por ejemplo, la rigidez de una máquina puede variar en intensidad y características dependiendo de su cinemática y diseño, ya sea en sentido axial, horizontal o vertical. Una medición en 3 ejes proporciona flexibilidad en cuanto al montaje y captura las tres dimensiones de manera específica, teniendo en cuenta diferentes estímulos.
Además, determinadas geometrías de máquinas y patrones de fallos tienen una influencia considerable en la dirección de la manifestación del daño. Por ejemplo, una desalineación del eje puede ser dominante en sentido axial o radial, o bien el desequilibrio/choque puede ser más pronunciado en ciertas direcciones según la geometría de la máquina.

La frecuencia natural es una frecuencia específica de un sistema global, que incluso con las más pequeñas excitaciones provoca vibraciones de grandes amplitudes. Se habla de resonancia cuando la frecuencia de excitación o un múltiplo entero se aproxima a la frecuencia natural del sistema.

Un sistema global tiene varias frecuencias naturales, lo que significa que una excitación puede provocar múltiples resonancias. Por ejemplo, un sistema global formado por un motor eléctrico y un sensor de vibración también tiene frecuencias naturales diferentes, por lo que la señal de aceleración del sensor puede incluir tanto la resonancia del motor como la resonancia del propio sensor.
La frecuencia natural del sistema está definida por su masa y rigidez. La amortiguación de un sistema determina la amplificación de la excitación a una frecuencia natural.