Apunte de Vibraciónes
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ANALISTA DE VIBRACIÓN – NIVEL I
Fundamentos de Vibración
Vamos a empezar
2
Si quieres llegar a ser un experto analista de vibraciones, tendrás que empezar con los
fundamentos. Hará falta saber como tomar medidas, como son las señales y como interpretar
gráficos gráficamente.
En este apartado nos centraremos en los fundamentos de vibración. Aprenderás acerca de la
forma de onda, sobre el espectro de vibración y la relación entre ellos, así como con la máquina.
El objetivo es que te familiarices con la onda temporal y el espectro. La toma de medidas, elprocesado de señales, y temas relacionados con el diagnóstico serán cubiertos en otros
apartados.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración I
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¿Qué es la vibración?
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Cuando se mide la vibración en los apoyos (cojinetes, rodamientos) de una máquina, estás
midiendo la respuesta de la carcasa del apoyo a las fuerzas generadas en el interior de la
máquina.
Estas fuerzas están vinculadas con todos los elementos rotativos: eje, bolas del rodamiento, palas
del ventilador, más las fuerzas provenientes de máquinas de alrededores.
Si el conductor de movimiento (por ejemplo, un motor) está desalineado, lo verás en la vibración. Si
los acoplamientos no están alineados adecuadamente, lo verán en la vibración. Incluso si la
máquina está mal atornillada, traqueteará y lo verás en la vibración.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración I
¿Qué es la vibración?
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Por lo tanto es razonable pensar que si mides la vibración y la analizas con la experiencia
necesaria, puedes determinar si existe algún problema en la máquina.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración I
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¿Qué es la vibración?
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Pero, ¿como se sabe el aspecto que debe tener la vibración? Las máquinas son de muy diversas
formas y tamaños, pero hay un par de reglas.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración I
¿Qué es la vibración?
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Primero hay un número de patrones que deben ser reconocidos. Si hay un desequilibrio, la
vibración cambiará en cierta medida. Si hay un problema con los rodamientos también cambiará,
pero de diferente forma.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración I
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¿Qué es la vibración?
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Segundo, a medida que el estado de la máquina se degrada, los niveles de vibración y los
patrones cambiarán. El nivel generalmente aumentará y el patrón puede variar en una multitud de
formas.
Por tanto lo que se hará será medir la vibración y ver si cambia.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración I
¿Dónde comenzó todo?
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La gente lleva midiendo vibración durante años y años. Todavía hoy la gente suele escuchar a la
máquina y tener una idea de su estado. Como ayuda usaban un destornillador que ponían entre
la oreja y la superficie de la máquina, para escuchar a los rodamientos y cojinetes. Cuando
apareció el medidor de vibraciones, este daba una indicación global del nivel de vibración. Es
más sensible que el oído pero no puede distinguir entre los diferentes tipos de fallos.
Una vez que se conoció la naturaleza de la vibración, se desarrollaron nuevos medidores de
vibración que se centraron en ciertas frecuencias (generalmente altas), para dar una indicación
sobre los posibles problemas en rodamientos. Algunos de ellos todavía se usan hoy en día, como
son “Shock pulse”, “Spike energy”, “HFD” y otros.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración I
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Entendiendo la vibración
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Con el fin de entender que está mal en la máquina, tenemos que estudiar la vibración más
detenidamente.
Cuando un eje gira en el interior de la máquina, un motor por ejemplo, genera cierta vibración. Sino hubiese fricción en los apoyos, no hubiese carga, estuviese perfectamente alineada y
equilibrada, no hubiera gravedad… entonces no vibraría. Pero en la realidad, las máquinas
vibran.
Antes de que una máquina vibre es necesario que se produzcan fuerzas internas. Estas fuerzas
son debidas a problemas de desalineación, desequilibrio, eje doblado, holguras, fricciones,
problemas eléctricos y otros factores.
La vibración que medimos se debe en gran parte a la magnitud de dichas fuerzas, a la masa, la
rigidez y el amortiguamiento de la máquina.
Para comprender mejor el concepto de vibración debemos ver las cosas desde el punto de vistade la máquina. Está bien hablar de movimiento armónico y de rigidez, pero lo importante es volver
a los fundamentos básicos.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración I
Entendiendo la vibración
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Imagínate un ventilador nuevo con ocho palas. Con el ventilador en marcha, si colocas tu mano
en el motor no sentirás mucho (imagina que es un ventilador perfecto y no sientes nada).
Ahora vamos a hacer un cambio en el sistema. Vamos a añadir un peso en una de las palas,
pegando la cabeza de una alfiler en el ventilador. Pon en marcha de nuevo el ventilador y fija lavelocidad de giro en una revolución por segundo. Con una masa tan pequeña en el ventilador no
se sentirá nada. La masa del peso desequilibrado no es grande comparada con la del ventilador,
y la velocidad de giro no es lo suficientemente grande como para provocar grandes fuerzas
centrífugas.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración I
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Entendiendo la vibración
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Ahora vamos a incrementar el peso poniendo una moneda en una de las palas. Con el ventilador
girando a la misma velocidad, ahora se podrá sentir algo.
Se deberá sentir una pulsación que deberá tener un periodo de un segundo. (la moneda da una
vuelta por segundo). Si tu mano está en la parte superior del motor, verás que la pulsación
alcanza su pico cuando puedes ver la pala con la moneda pegada en la parte más elevada de la
rotación.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración I
La onda temporal
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Si permitimos al punto dorado que se mueva a través de todo el recuadro a una velocidad
constante, irá dejando una estela tras de sí. La curva dibujada es una onda senoidal.
El pico de la onda coincide cuando la moneda está en la parte más alta del giro, y a la inversa
cuando está en la parte más baja. Esto es exactamente lo que se tendrá si se tiene un sensor de
vibración en el ventilador, y se observa la señal en una pantalla de análisis.
La onda senoidal es una representación de cómo la vibración cambia instantáneamente con el
tiempo. La onda temporal es parte integral del monitorizado y el análisis de vibraciones.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración II
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Periodo y Frecuencia
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Si se midiese el tiempo entre dos picos, se
estaría obteniendo el periodo de la onda. La
frecuencia es la inversa del periodo.
En nuestro ejemplo, el ventilador estaba
girando a una vuelta por segundo, luego el
periodo era un segundo y la frecuencia
también.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración II
Periodo y Frecuencia
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Si se doblase la velocidad del ventilador y se repitiese el ejercicio, se vería que las ondas
están más juntas. El periodo en este caso, sería más pequeño, 0.5 segundos, porque este es
el tiempo necesario para dar una vuelta completa. La frecuencia ahora es de 2 Hz.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración II
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Presentando “CPM”
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Generalmente se habla de la frecuencia en términos de ciclos por minuto CPM. La velocidad
de nuestro ventilador es por tanto de 120 CPM. Naturalmente la frecuencia en CPM es 60 por
el valor de la frecuencia en Hz. (o ciclos por segundo).
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración II
Presentando “Hertzios”
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Aunque las unidades de ciclo por segundo son más fáciles de comprender, utilizamos el
término Hertzio, Hz. Por lo tanto el eje está girando a 2 Hz.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración II
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Presentando “RPM”
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Las unidades de CPM y Hz. son términos genéricos para describir cualquier frecuencia, la
frecuencia de un pitido, la frecuencia del traqueteo que hace el reductor, etc. Pero cuando se
habla específicamente del eje de rotación, usamos unidades de revolución por minuto, RPM.
El eje girará a 120 RPM.
Fundamentos de VibraciónFundamentos de Vibración II
Presentando “Amplitud”
18
La amplitud nos indica la severidad de la vibración y es igual a la altura de los ciclos. Si se
pusieran dos monedas en la pala del ventilador y se redibujase nuestro gráfico usando la misma
escala, la altura del gráfico sería mucho más grande.
Fundamentos de VibraciónPresentando la Onda Temporal
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Presentando “Pico a Pico”
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Cuando se considera la amplitud en el mundo de la vibración, introducimos una serie de
términos nuevos. La amplitud “pico a pico” es la cantidad medida entre el fondo del valle y el
máximo valor que alcanza el pico.
Fundamentos de VibraciónPresentando la Onda Temporal
Presentando “Pico”
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La amplitud de pico es la cantidad medida entre el cero y el máximo valor del pico.
Fundamentos de VibraciónPresentando la Onda Temporal
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Una señal real
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En nuestra onda senoidal el valor pico a pico es exactamente el doble del valor pico, pero
esto solo es cierto para ondas senoidales. En una señal real, el nivel máximo positivo puede
ser mayor o menor que el nivel máximo negativo, hablando en términos absolutos.
Fundamentos de VibraciónPresentando la Onda Temporal
Presentando el “promedio”
22
El valor promedio de la señal es un término usado solo ocasionalmente. Es el valor promedio
de todos los valores absolutos de la onda. En una señal senoidal es igual a la mitad del valor
pico.
Fundamentos de VibraciónPresentando la Onda Temporal
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El “RMS”
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El RMS (valor eficaz) es el promedio de los valores de la raíz cuadrada de las amplitudes de
la onda. En el caso de una onda senoidal pura es 0.707 por el valor pico.
El valor RMS es proporcional al área bajo la curva. Si los picos negativos se rectifican y el
área total es la resultante bajo la curva, se promedia dando lugar a un nivel constante. La
altura de dicho nivel sería el valor RMS.
Fundamentos de VibraciónPresentando la Onda Temporal
Entrando en más profundidad
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Fundamentos de VibraciónPresentando la Onda Temporal
Al aumentar la velocidad del ventilador aumentará la amplitud de la onda. Si ahora
pusiésemos una carta que rozase con el ventilador, además de la vibración oiremos el sonido
del golpe de la carta. Por cada vuelta que dé el ventilador se escucharán 8 golpes de cada
pala al pasar por la carta. Notarás que la onda original dominante se riza. La frecuencia de
este rizo es 8 veces la frecuencia de la velocidad del ventilador. Por ejemplo, si el ventilador
gira a 24 RPM, el rizo tendría una frecuencia de 192 RPM. Se ve que los valores RMS, pico apico y pico son diferentes ahora porque la señal es la mezcla de dos señales, el valor pico
actual será igual a la suma de ambas (depende de la relación de fase).
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¿Necesitas saber esto?
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Fundamentos de VibraciónPresentando la Onda Temporal
Puedes estar interesado en saber que los términos pico y RMS no son solo términos
abstractos que usamos para describir ondas. Durante muchos años se han utilizado
medidores portátiles que dan un valor de vibración global de la máquina. La lectura era de
nivel global RMS o de valor pico a pico (o pico).
Estas medidas son todavía muy importantes hoy en día. La mayoría de sistemas de
mantenimiento predictivo ofrecen la opción de obtener lecturas RMS que pueden ser usadas
en tendencias. EL valor RMS es calculado bien de la onda, bien del espectro, o mediante un
chip en el colector de datos que deriva el nivel de vibración RMS de la señal dinámica.
Existe una normativa sobre la severidad de la vibración que indica el estado de la máquina
, en función de su valor RMS. Lo mismo se puede aplicar a lecturas de pico en
cojinetes, como indicación del movimiento del eje respecto al cojinete. Es más, las unidades
de vibración utilizadas para describir la amplitud de la vibración siempre vienen en valores
RMS, pico a pico o pico.
Oigamos acerca de la fase
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Fundamentos de VibraciónEntendiendo la fase
Vamos a utilizar ahora dos ventiladores, con una moneda en cada uno situada en la parte superior
de cada uno de ellos. Al arrancar los ventiladores a la vez entrarán en velocidad al mismo tiempo.
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Oigamos acerca de la fase
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Fundamentos de VibraciónEntendiendo la fase
La pulsación de cada ventilador se producirá al mismo tiempo, es decir, alcanzan su valor pico a la
vez. Ambos giran una vez por segundo, por la tanto están en fase.
Paramos los ventiladores de manera que la moneda del primero esté en la parte superior y la delsegundo en la inferior. La pulsación se produce al mismo tiempo, pero la pulsación será mayor
cuando la moneda está en el punto más alto. Pero el pulso no está sincronizado. Un ventilador
produce el pulso medio segundo después del otro (giran a un ciclo por segundo).
Oigamos acerca de la fase
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Fundamentos de VibraciónEntendiendo la fase
La amplitud es la misma y la frecuencia también, pero hay una diferencia en el tiempo. Los dos
ventiladores están 180º fuera de fase o desfasados. La onda dorada es la de referencia. Dividimos
un ciclo en 360 partes iguales, de forma que cada intervalo sea un grado de rotación. Si
observamos el pico de la segunda onda, alcanza su máximo 180º después de la primera.
Si nos referimos al ventilador como si fuese una brújula, podemos ver que cuando la moneda del
primer ventilador está en el norte, la del segundo estará en el sur.
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Oigamos acerca de la fase
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Fundamentos de VibraciónEntendiendo la fase
Vamos a repetir el ejemplo pero ahora poniendo la moneda del segundo ventilador en la posición
que ocupa el este. De nuevo arrancamos los ventiladores a la vez y los hacemos girar en el
sentido de las agujas del reloj. El primer ventilador alcanzará su máximo después de que lo haga
el segundo, exactamente un cuarto de segundo después.
Si nos referimos al ventilador como si fuese una brújula, podemos ver que cuando la moneda del
primer ventilador está en el norte, la del segundo estará en el sur.
Oigamos acerca de la fase
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Fundamentos de VibraciónEntendiendo la fase
Si dibujamos las ondas senoidales de nuevo, vemos que esta vez los picos están más cerca.
Están todavía desfasados, están todavía desfasados, sin embargo, esta vez el primero adelanta
en 90º al segundo.
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Oigamos acerca de la fase
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Fundamentos de VibraciónEntendiendo la fase
La onda de color rojo alcanza su pico antes que la dorada. Por lo tanto, el ventilador de la onda
roja adelanta en 90º
La fase es una cuestión de tiempo entre dos sucesos. En nuestro caso consideramos la fase a una
única frecuencia (la velocidad del eje). De hecho la mayoría del trabajo de análisis de vibraciones
solo contempla estudiar la fase a la velocidad de la máquina, y solamente si los eventos están en
fase o 180º desfasados.
La fase es una herramienta de diagnóstico importante
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Fundamentos de VibraciónEntendiendo la fase
Usamos la fase para diagnosticar fallos tales como desequilibrio (el caso del ventilador),
desalineación, ejes doblados, y muchos otros fallos. También se pueden detectar resonancias o
problemas de flexibilidad en la base.
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Sintiendo la vibración
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Fundamentos de VibraciónSintiendo la Vibración
Hay tres características que podemos medir: desplazamiento, velocidad y aceleración.
Ahora vamos a fijarnos en la rotación del eje. El punto rojo indica donde se colocó el punto rojo. Si
miramos detenidamente al eje podemos ver que se mueve arriba y abajo, por lo que si tuviésemosuna manera de medir distancia entre un punto de referencia y el eje, deberíamos ver el mismo
patrón senoidal.
Presentando “desplazamiento”
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Fundamentos de VibraciónSintiendo la Vibración
Cuando el eje se encuentra en su posición más baja de su movimiento, la onda se encuentra en la
posición más alta. Eso es porque el eje se encuentra en el punto más alejado del sensor.
Esta medida se denomina medida en desplazamiento. La medida de desplazamiento es muyimportante porque es proporcional a la cantidad de tensión a la que están sometidos apoyos,
pernos y otros mecanismos de sujeción. En el caso de las turbinas y de los cojinetes una medida
en desplazamiento puede decirnos donde se localiza el contacto entre el eje y el apoyo, y si hay
fricción.
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Presentando “velocidad”
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Fundamentos de VibraciónSintiendo la Vibración
Mirando de nuevo a nuestro eje, si nos fijamos en el movimiento vertical, podemos ver que desde
la posición inferior sube rápidamente pasando por el centro a máxima velocidad y entonces
decelera como si viniese a descansar a la parte superior.
Velocidad y desplazamiento
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Fundamentos de VibraciónSintiendo la Vibración
Si miramos a la velocidad y desplazamiento podemos ver que ambos son senoidales y que el eje
alcanza su velocidad máxima antes de que este llegue a su máximo desplazamiento en la parte
inferior de su rotación. La velocidad adelanta en 90º al desplazamiento.
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Velocidad
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Fundamentos de VibraciónSintiendo la Vibración
La velocidad es importante porque la velocidad es proporcional a las fuerzas de fatiga a las cuales
están sometidos los apoyos y otros componentes estructurales, lo que es la causa de fallo más
común en maquinaria rotativa. La mayoría de medidas de vibración serán visualizadas en
unidades de velocidad.
Presentando “aceleración”
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Fundamentos de VibraciónSintiendo la Vibración
El eje parte de una posición de reposo en la parte inferior de la rotación y pasa a máxima
velocidad por el centro, por lo tanto debe haber una aceleración. De manera inversa decelera
desde el centro hasta la posición más alta de rotación, donde vuelve al reposo.
Imagina que estás sentado sobre la gráfica. La mayor fuera de aceleración se ejerce sobre ti en el
momento de ascender hacia la parte superior, en ese momento te sentirás empujado hacia atrás
(fuerza de gravedad). En el momento que atraviesas la línea central, no sentirás casi ninguna
fuerza sobre ti. Entonces cuando desciendes y actúa el freno, te verás sometido a fuerzas de
consideración y sentirás la aceleración de nuevo.
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Aceleración y desplazamiento
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Fundamentos de VibraciónSintiendo la Vibración
Por lo tanto la aceleración es también senoidal, pero con la diferencia de que el mínimo y el
máximo ocurren en momentos opuestos. Por esta razón están 180º desfasados.
Aceleración, velocidad y desplazamiento
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Fundamentos de VibraciónSintiendo la Vibración
Si juntamos las tres podemos ver la relación de fase entre ellos y comprobar porqué la fase es tan
importante.
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Aceleración
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Fundamentos de VibraciónSintiendo la Vibración
La aceleración es una característica importante porque es proporcional a las fuerzas en los
apoyos. La aceleración es lo más importante en máquinas de velocidad rápida, o componentes de
alta frecuencia (> 120000CPM). Ya que mientras que los niveles de desplazamiento pueden ser
muy pequeños, y los de velocidad moderados, los niveles de aceleración pueden alcanzar nivelesaltos.
Desplazamiento
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Fundamentos de VibraciónSintiendo la Vibración
Inversamente, el desplazamiento (mm o micras) es la mejor medida para máquinas lentas, que
estén por debajo de 100 RPM. Para este caso el movimiento puede ser grande, mientras que la
aceleración es baja. Entre estas dos está la velocidad (mm/s), que se usa para medir vibración en
la mayoría de las máquinas.
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Las ondas temporales pueden ser muy complejas
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Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
En general una máquina tendrá un número bastante grande de fuentes de vibración. Los apoyos,
ventilador de refrigeración, las barras del rotor en el motor y todas las resonancias generan
vibraciones a diferentes frecuencias.
Buscando cambios
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Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
Por esta razón, el arte de análisis de vibraciones está en
buscar cambios en los patrones y entonces relacionar
estos cambios con los componentes mecánicos de la
máquina.
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Incremento del desequilibrio
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Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
Si tuviésemos una onda senoidal de nuestro ventilador de prueba cada semana y observásemos
cada una de las ondas, notarás que la frecuencia es la misma, como lo es la velocidad de la
máquina, pero que los niveles han aumentado. Es como si alguien hubiese incrementado poco a
poco el tamaño de la moneda.
Incremento de roces
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Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
¿Qué pasa si la señal principal no cambia en nivel, pero la vibración debida al ventilador aumenta?
Solo varía el componente de alta frecuencia. Es como si el ventilador estuviese friccionando con
mayor fuerza en la carta.
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Presentando el espectro
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Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
La onda es muy útil para el análisis. Permite ver exactamente como cambia la vibración de un
momento a otro. Si hubiese un impacto (una bola del rodamiento golpeando la pista interior) se
vería un pico en la onda.
La onda es muy útil, pero a medida que se van introduciendo un mayor número de señales, se
hace más difícil interpretar que está pasando en la máquina. En nuestro simple ejemplo, se puede
ver que las dos señales tienen diferentes frecuencias y niveles de amplitud.
Presentando el espectro
48
Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
Pero hay otra manera de estudiar la vibración y consiste en estudiar el espectro. El espectro se
deriva de la onda por medio de un proceso denominado Transformada Rápida de Fourier o FFT.
Construyamos otro gráfico. Esta vez, el eje horizontal es la frecuencia. Recuerda que cuanto más
rápido funciones la máquina, mayor es la frecuencia. El eje vertical es la amplitud.
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Presentando el espectro
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Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
En este gráfico que va de 0 a 10 Hz (10 Hz significa 10 ciclos por segundo, o 600 CPM).
Ahora vamos a mostrar el efecto que produce la moneda cuando el ventilador está girando a 1
ciclo por segundo. Suponemos que la amplitud es 3.
Presentando el espectro
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Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
Si ponemos una moneda más pesada la línea de nuestro gráfico es el doble de grande pero la
frecuencia no ha cambiado.
Si ahora doblamos la velocidad del ventilador, la altura de la línea no cambia pero ahora se
muestra a la frecuencia de 2 Hz.
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Presentando el espectro
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Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
Ahora quitamos la moneda, fijamos de nuevo la velocidad a 1 Hz, e insertamos la carta para que
justo haga contacto con la punta de las palas. Se puede oír una vibración a 8 veces la velocidad
del ventilador. Pero la altura es solo un tercio comparada con la moneda pegada a la pala. La
frecuencia es por tanto 8 Hz y la altura 1.
Si introdujésemos aún más la carta para aumentar el contacto, sin disminuir la velocidad del
ventilador, la altura, amplitud, de la frecuencia a 8 Hz aumentaría.
Presentando el espectro
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Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
Es decir, nuestro gráfico cambia de acuerdo a los cambios producidos en las fuentes de vibración,
ya sea bien la amplitud, bien la frecuencia, o bien ambas. Esto es el espectro.
En la siguiente figura se muestra que el proceso de crear un espectro es romper la onda en sus
partes constituyentes, determinar la frecuencia y amplitud de dichas partes, y finalmente
representarlo.
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Presentando el espectro
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Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
Otra forma de representar como se forma un espectro es lo mostrado en la siguiente figura.
Rompemos la onda en sus partes constituyentes y las separamos en función de la frecuencia. Si
mirásemos las ondas desde un lado, veríamos sólo las alturas de estos picos y por lo tanto
tendríamos el espectro.
Podemos llevar esta idea un poco más lejos. Consiste en que cualquier onda temporal, no importa
su complejidad, está constituida de muchas ondas senoidales de diferentes frecuencias y
amplitudes. Se puede decir que la FFT es simplemente descomponer la onda en ondas
individuales y después representarlas en un espectro.
Una nueva unidad de frecuencia: órdenes
54
Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
¿Te has dado cuenta que a menudo nos referimos a la frecuencia como a una unidad relativa de la
velocidad de giro, más que como un término absoluto (por ejemplo Hz o CPM)? Saber que la
frecuencia viene en Hz o CPM es útil, pero generalmente es más útil saber la frecuencia relativa.
Si dices que el pico a 1X es alto te estás refiriendo a la velocidad de la máquina. En nuestro
ejemplo nos referimos al pico 8X como el pico a la frecuencia de paso de álabes, que se produce a
8 veces la frecuencia de la velocidad de la máquina. Este fue un ejemplo muy simple, porque
nuestra máquina gira a 1 Hz. Pero si el ventilador estuviese girando a 0.5 Hz o a 20 Hz, el
componente de la frecuencia debido a la fricción de las palas contra la carta será siempre 8 veces
esa frecuencia.
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Una nueva unidad de frecuencia: órdenes
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Fundamentos de VibraciónPresentando el espectro, la onda temporal
Pero más allá de visualizar el espectro con el eje x en unidades de Hz o CPM, lo cambiamos por
órdenes. Para ello simplemente tomamos la frecuencia real y la dividimos por la velocidad de la
máquina.
Y a medida que nos adentramos con máquinas más
complejas, con un mayor número de máquinas
rotativas, la onda y el espectro se volverán máscomplejos.
Presentando las frecuencias de fallo
56
Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo I
Hemos visto como los patrones en la onda temporal y por tanto en el espectro están relacionados
con los elementos rotativos de la máquina. Fue fácil estudiar el ventilador y saber donde aparecían
los picos en el espectro. Esto no significa que los picos aparecerán, sólo donde deberán aparecer,
si existen síntomas de fallo.
A medida que miramos las máquinas que se encuentran en la industria, podemos ver que el
número de frecuencias esperadas en un espectro aumentará. Hay que aprender a estudiar la
máquina y a calcular esas frecuencias llamadas frecuencias de fallo.
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Calculando las frecuencias de fallo
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo I
Si tienes un eje rotativo, esperarás que se genere una frecuencia de rotación. Si el eje gira a 1000
CPM, entonces tendrás un pico en el espectro a dicha velocidad.
Llamaremos a la velocidad del eje del motor, velocidadde referencia o 1X. Ahora vamos a considerar el
ventilador de refrigeración del motor. Nuestro
ventilador tiene 8 palas
Calculando las frecuencias de fallo
58
Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo I
La frecuencia asociada con el ventilador de refrigeración aparecerá a 8X (o 8000 CPM).
Ahora añadiremos un compresor a nuestro motor.
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Calculando las frecuencias de fallo
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo I
Ahora podemos analizar los apoyos de la máquina, un acoplamiento y un compresor. Se construirá
una lista de frecuencias de fallo para la máquina.
Si nuestro compresor tiene 12 palas se generará una
frecuencia a 12 veces la velocidad de giro del eje. En
este ejemplo, el eje del compresor está directamente
conducido por el motor, luego estará girando a la
misma velocidad (1X o 1000 CPM) que el motor.
Calculando las frecuencias de fallo
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo I
Si consideramos la máquina al completo, encontraremos tres frecuencias de interés: la velocidad
del eje del motor y compresor, la frecuencia de las palas del ventilador del motor y la frecuencia de
las palas del compresor.
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Cálculo de frecuencias de fallo generales
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo I
Las frecuencias de fallo son usadas para ayudarnos a diagnosticar fallos en maquinaria rotativa.
Estos cálculos nos permiten saber donde aparecerán los picos en el espectro, es decir, a qué
frecuencia son generados.
En el caso anterior hemos usado el ventilador del motor y el impulsor del compresor como un
ejemplo fácil para calcular las frecuencias de fallo. Hay un gran número de componentes que
tendrán elementos rotativos: ventiladores, soplantes, turbinas, mezcladoras, trituradoras, máquinas
herramienta y muchos más.
Rodamientos de bolas
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo II
Hay 4 frecuencias de fallo de interés: de pista interior BPI, de pista exterior BPO, de giro de bolas
BS y de jaula FT.
Si utilizas órdenes para trabajar con estas frecuencias (FT=0.4X), entonces todo lo que se necesita
para calcular la frecuencia final es multiplicarla por la velocidad del eje en el cual está localizado el
rodamiento.
Alternativamente se podrá conocer la siguiente información: nº de bolas, diámetro de la bola,
diámetro primitivo del rodamiento y ángulo de contacto.
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Rodamientos de bolas
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo II
Las fórmulas son las siguientes:
Frecuencias de fallo de reductores
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo II
Teniendo un único eje la máquina es
bastante simple, pero ahora vamos a
añadir un reductor. El reductor en si
mismo genera nuevas frecuencias
debido al engrane entre los dientes,
pero más importante por ahora es el
hecho de que cambia la velocidad de
salida del eje.
El cálculo de la velocidad de salida consiste en
dividir el número de dientes del piñón de entrada
entre el número de dientes de la rueda de salida y
multiplicarlo por la velocidad del eje de entrada.
Si añadimos un reductor a nuestro compresor que
nos reduzca la velocidad de salida a la mitad, es
decir de 1000 a 500 CPM, tenemos dos
velocidades de eje, una a 1X y otra a 0.5X.
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Frecuencias de fallo de reductores
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo II
La frecuencia de paso de los álabes del ventilador del motor no ha cambiado porque la velocidad
del motor no ha cambiado y el ventilador está directamente acoplado al eje del motor.
La frecuencia de paso de álabes del compresor se ha reducido a la mitad.
Por eso nuestro espectro tendrá un pico a 1X a la frecuencia del motor, otro a 0.5X a la frecuencia
del compresor, otro a 8X la frecuencia de palas del ventilador del motor y otro a 6X a la frecuencia
de álabes del compresor.
Componentes de transmisión
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo III
Hay varios tipos de componentes para cambiar la velocidad (relación de transmisión) de la
máquina. Los dos más comunes son los reductores y las poleas.
En análisis de vibraciones se tiene que determinar el cociente de reducción en componentes tales
como reductores, poleas con correas o con cadenas, acoplamientos fluidos y otros tipos de
transmisión. Se puede hacer bien dividiendo las velocidades de entrada y salida (por ejemplo
usando una lámpara estroboscópica), bien usando la información física y calculando el cociente a
partir de ella.
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Vuelta a las frecuencias de fallo de reductores
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo III
Hay una frecuencia de fallo que es necesario calcular: la frecuencia de engrane. Se calcula
multiplicando el número de dientes por la velocidad del eje.
Vamos a ver un ejemplo. Tenemos 12 dientes en el eje de entrada y 24 en el de salida. Si la
velocidad de entrada es 1000 CPM entonces la frecuencia de engrane es 12000 CPM. La velocidad
de salida del reductor es 1000 x (12/24)=500 CPM. Luego la frecuencia de engrane es 500 x 24 =
12000 CPM.
Reductores multi-etapa
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo III
En reductores multi-etapa la velocidad de salida se calcula teniendo en cuenta cada interacción
entre los engranajes, y la frecuencia de engrane se calcula de nuevo como el producto del número
de dientes por la velocidad del engrane, teniendo en cuenta los ejes intermedios.
Por lo general se podrán calcular las relaciones sin conocer el número de dientes, aunque a veces
se podrán hallar asumiendo que el número de dientes será un número primo y buscando picos de
alta frecuencia en el espectro.
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Reductores multi-etapa
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo III
Por ejemplo, tenemos un reductor que tiene 35 dientes en el engranaje de entrada y 13 en la
entrada del eje intermedio. El segundo engranaje del eje intermedio tiene 27 dientes, y finalmente el
piñón de salida tiene 15 dientes. En los primeros dos ejes la relación es de 2.692, por tanto el eje
intermedio gira a 2692 CPM. Por tanto la frecuencia de engrane en la primera etapa es de 35X. La
relación de la segunda etapa es de 1.8 y la relación total será por tanto 4.846. La velocidad de
salida será por tanto 4846 CPM. La frecuencia de engrane de la segunda etapa será 27x2.692 o
15x4.846, es decir, 72.69X (72690 CPM).
Transmisión por correas
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo III
Las poleas con correas son muy comunes en la industria. Son usadas para transmitir energía y
movimiento y provocar un cambio en la velocidad.
El cálculo de una máquina conducida por poleas es tan directo como el de un reductor de una única
etapa. Determinas el diámetro de cada rueda de polea y calculas el cociente.
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Juntándolas todas
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo III
El ventilador de refrigeración del motor tiene 8 palas y el compresor 12. El reductor tiene en la
primera etapa 43 y 17 dientes. La segunda etapa tiene 34 y 19 dientes.
La velocidad del eje intermedio será 2.529X. Su frecuencia de engrane será 43X. La siguiente
etapa es 34/19 o 1.789X. Sin embargo, la entrada a esta etapa es 2.529X la velocidad del motor de
referencia, luego la velocidad de salida del eje del reductor será 2.529 x 1.789 = 4.524X. Con 34
dientes en el eje intermedio, la frecuencia de engrane es por tanto 34 x 1.789 = 60.826X.
Juntándolas todas
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Fundamentos de VibraciónFrecuencias de Fallo III
Si consideramos las 8 palas del ventilador del motor y las 12 del compresor, las frecuencias de fallo
serán 8X y (12x4.524) 54.288X, respectivamente.
Nuestro espectro deberá alcanzar un rango de hasta 61 órdenes debido a la alta frecuencia de
engrane del eje intermedio.
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Lecturas globales
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Fundamentos de VibraciónLecturas Globales
Las lecturas globales suelen derivar en un único número, que suele ser comparado con niveles de
referencia con el fin de determinar si la máquina está bien o no.
De hecho, desde hace tiempo se ha intentado hallar un número mágico que pueda ser usado de
una manera definitiva para decidir el estado de la máquina, pero de momento sin éxito. Hoy en día
la mayoría de los proveedores ofrecen una variedad de parámetros con los que se pueden realizar
tendencias. Algunos son tecnologías patentadas comercialmente y otras son normativa industrial
que ha sido usada durante muchos años.
El valor global es el valor RMS de la señal. Antes de que los analizadores de espectros fuesen
portátiles (colectores de datos), el valor global era el parámetro más comúnmente usado en
medición. Todavía hay mucha gente que compra sencillos medidores de valor global (vibrometros)
donde se visualizan y almacenan los valores globales. Es una guía útil. En general, cuando el
estado de la máquina empeora, el valor global (RMS) aumenta.
El valor global es generalmente calculado usando la vibración en el rango de frecuencia que va
desde 10 a 1000 Hz solamente. De esta manera, es posible que se use como referencia para
comparar.
En algunas aplicaciones el valor RMS no era relevante. En vez de eso, se utilizaba el valor pico, o
el valor pico a pico para describir el estado de la máquina. Esto es especialmente cierto para
máquinas con cojinetes, donde se utilizaba una medida en desplazamiento. EL valor RMS no dice
mucho acerca de la máquina ya que es más sensible a la mayor de las señales dominantes,
generalmente el pico a 1X. Es prácticamente imposible saber que está mal en la máquina y no es
muy sensible a los cambios en señales de baja amplitud. Es más una herramienta de detección que
de análisis.
Lecturas globales
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Fundamentos de VibraciónLecturas Globales
Durante muchos años ha habido parámetros escalares que han sido ideados para concentrarse en
datos a alta frecuencia, principalmente diseñados para dar una indicación del estado de los
rodamientos. Estos parámetros incluyen “spike energy”, SEE, HFD, Shock pulse y otros.
Hoy en día podemos obtener estos parámetros útiles para tendencias de varias maneras. Podemos
medir por un lado el valor global, y realizar las medidas de alta frecuencia en los apoyos y podemos
extraer parámetros del espectro (con programas de software) para alarmas y tendencias. Estos
parámetros incluyen el valor cresta (el valor pico dividido por el valor RMS), el nivel máximo en una
banda definida de usuario (más muchos otros factores calculados de la banda) y problemas de
severidad (calculados por el sistema experto).
En la mayoría de los casos estos parámetros se usan para centrarse sobre una máquina que pueda
tener un problema. Entonces ya se analiza el espectro, la onda y los parámetros disponibles con el
fin de determinar el estado de la máquina y la severidad del fallo si este existe.
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Introducción al análisis de vibraciones
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Fundamentos de VibraciónUna introducción al análisis de vibraciones
Se tendrá que mirar el espectro y la onda para ver si indican cualquier tipo de desequilibrio,
desalineación, desgastes en palas o rodamientos, holguras, fallos eléctricos, fallos en engranajes y
otros muchos posibles problemas.
Básicamente hay 4 tipos de fallos, los cuales son los más comunes: desequilibrio, desalineación,
holguras y fallos en los apoyos. Para diagnosticar fallos en maquinaria se tendrán que estudiar los
espectros y las ondas. No sólo se buscarán los patrones clásicos en los espectros, sino que
también se mirarán los niveles para ver si son anormales.
Los espectros vienen en todas las formas y tamaños y a menos que tengas gran experiencia con
todas las máquinas que monitorizas, será más importante detectar un cambio en el nivel de
vibración, que examinar directamente los valores absolutos.
Introducción al análisis de vibraciones
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Fundamentos de VibraciónUna introducción al análisis de vibraciones
Se podrán encontrar normas ISO que sirven de guía. Sin embargo una vez que tengas tu programa
funcionando, te encontrarás cómodo comparando medidas actuales con las antiguas o con otras
medidas tomadas en máquinas idénticas.
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Introducción al análisis de vibraciones
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Fundamentos de VibraciónUna introducción al análisis de vibraciones
Sobre todo se buscará un cambio en el nivel. Un cambio indica un problema de empeoramiento y
generalmente se comprobarán los niveles de vibración a lo largo del tiempo. Entonces se intentará
identificar la fuente de vibración que varía, ya que algunas partes del espectro no cambiarán nada.
Por ejemplo, si el pico a 1X (el pico que representa la velocidad de la máquina) aumenta con el
tiempo, mientras que el resto de niveles del espectro permanecen prácticamente iguales, la
máquina probablemente estará desequilibrada. Mientras que si un pico aparece a 4.9X y hay
armónicos, se puede esperar un fallo en algún rodamiento.
Introducción al análisis de vibraciones
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Fundamentos de VibraciónUna introducción al análisis de vibraciones
Pero, ¿Qué pasaría si hubiese un pico alto a 4.9X con armónicos y el nivel de vibración no hubiese
cambiado en el tiempo? Parece un típico fallo en el apoyo, pero si la vibración no cambia…La
vibración puede venir de otra máquina, del proceso en si mismo, o de algún otro elemento rotativo.
Pero si compruebas que esta no cambia y piensas que no va a causar daño a la máquina, puedes
limitarte a dejarla funcionar.
La evidencia de un fallo en un rodamiento puede estar presente un año, pero sin empeorar la
situación, por lo que no es necesario llevar a cabo ninguna acción.
Hay varios tipos de comparaciones que se pueden hacer:
Se pueden comparar las medidas actuales con las antiguas para ver la variación de los niveles.
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Introducción al análisis de vibraciones
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Fundamentos de VibraciónUna introducción al análisis de vibraciones
Puedes comparar el espectro con la medida de otras máquinas idénticas. Esto puede servir de
referencia para saber que aspecto debería tener la vibración.
También puedes comparar los espectros entre ejes (axial,
radial y tangencial). Realizar una comparación entre ejespuede llevar a conclusiones muy reveladoras. Por ejemplo, si
tanto el eje vertical como el horizontal tienen amplitudes
significativas a la velocidad de la máquina (1X), es bastante
probable que sea un problema de desequilibrio.
Introducción al análisis de vibraciones
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Fundamentos de VibraciónUna introducción al análisis de vibraciones
También puedes comparar las vibraciones entre diferentes localizaciones de la máquina. Para
diagnosticar desalineación compararemos los patrones de vibración (y de fase si es posible) a
ambos lados del acoplamiento.
El gráfico estándar a usar es un dibujo
comparativo donde los espectros
aparecen superpuestos.
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Introducción al análisis de vibraciones
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Fundamentos de VibraciónUna introducción al análisis de vibraciones
Algunos softwares permiten visualizar un gráfico
apilado verticalmente donde los espectros están
físicamente separamos.
Otro método muy usado es el gráfico en
cascada. Aquí se visualizan varios
espectros revelando patrones y
tendencias.
Introducción al análisis de vibraciones
Fundamentos de VibraciónUna introducción al análisis de vibraciones
Las tendencias son muy útiles. La tendencia
más común muestra como varía el valor global
a lo largo del tiempo. También indicarán niveles
de alarma.
Algunos softwares te permiten realizar
tendencias de los niveles de amplitud a
determinadas frecuencias, para ver como
cambian estos niveles con el tiempo.
En otros programas puedes definir bandas de frecuencia específicas. Una banda se puede
extender desde 0.9X a 1.1X centrándose en problemas de desequilibrio. Otra banda podría