Vibraciones en equipos rotativos: Un indicador clave de posibles fallas

Introducción

La vibración de las máquinas es un aspecto fundamental del funcionamiento de los equipos rotativos, y para comprenderla en profundidad es necesario ir más allá de las definiciones simples para explorar la dinámica subyacente, las causas, los efectos y las técnicas de diagnóstico asociadas con estas vibraciones.

En el contexto de los equipos rotativos, como las turbinas, las bombas y los motores, la vibración surge debido a las fuerzas dinámicas generadas a medida que estas máquinas funcionan. Estas fuerzas pueden hacer que los componentes se muevan hacia adelante y hacia atrás u oscilen alrededor de sus posiciones de equilibrio. La complejidad de este movimiento puede variar; puede ser un movimiento simple y repetitivo, o puede ser más caótico, involucrando múltiples frecuencias y direcciones.

¿Qué son las vibraciones en equipos rotativos?

La vibración de las máquinas se refiere al movimiento oscilatorio de los componentes de las máquinas, un fenómeno que puede manifestarse de diversas maneras según la naturaleza del equipo y las fuerzas en juego. Esta vibración puede ser intencional y cumplir propósitos específicos, como en los transportadores vibratorios, donde las vibraciones controladas facilitan la manipulación o compactación de materiales. Sin embargo, lo más común es que las vibraciones en las máquinas sean involuntarias e indeseables, y a menudo indiquen problemas mecánicos subyacentes que, si no se controlan, pueden provocar daños importantes o incluso una falla catastrófica.

Conceptos fundamentales de vibración: Resonancia, amortiguación y armónicos

Para comprender completamente las implicaciones de la vibración en los equipos rotativos, es importante profundizar en los conceptos de resonancia, amortiguación y armónicos. La resonancia ocurre cuando la frecuencia de una fuerza externa coincide con la frecuencia natural de la máquina o sus componentes, lo que lleva a un aumento significativo en la amplitud de la vibración.

Esto puede ser particularmente peligroso en equipos rotativos, donde la resonancia puede causar un desgaste rápido o incluso falla estructural. La amortiguación, por otro lado, es el proceso por el cual se disipa la energía vibratoria, generalmente a través de la fricción o la deformación del material, lo que reduce la amplitud de las vibraciones y protege la máquina de posibles daños.

La vibración armónica son movimientos oscilatorios alrededor de un punto de equilibrio, sometida a una fuerza proporcional a la distancia a ese punto, tiene un movimiento vibratorio armónico simple. Un muelle al que hace vibrar una fuerza que lo aparta del equilibrio es un buen ejemplo de vibración armónica.

La vibración de la máquina se puede caracterizar por varios parámetros clave: amplitud, frecuencia y fase. La amplitud se refiere a la magnitud de la vibración, que puede indicar la gravedad del problema. La frecuencia está relacionada con la velocidad de oscilación y puede ayudar a identificar fuentes específicas de vibración, como desequilibrio o desalineación en componentes rotatorios. La fase, que describe el momento en que se produce la vibración en relación con un punto de referencia, es crucial para diagnosticar problemas relacionados con la interacción entre las distintas partes de la máquina.

¿Qué es el análisis de vibraciones?

El análisis de vibraciones es una técnica utilizada para monitorear y evaluar el estado de la maquinaria y los equipos rotativos mediante el estudio de la data de cada equipo rotativo observado y monitoreado.

Consiste en medir y analizar las vibraciones para detectar anomalías, fallos o signos de desgaste en los componentes de la maquinaria. Al examinar los patrones y frecuencias de las vibraciones, los profesionales del mantenimiento obtienen información sobre el estado de los equipos.

Causas de las vibraciones en equipos rotativos

Las causas más comunes de vibración en equipos rotativos incluyen:

1. Desbalance: Se produce cuando el centro de masa de un componente giratorio no está alineado con su eje de rotación, lo que provoca fuerzas centrífugas y vibraciones. El desbalance puede deberse a defectos de fabricación, acumulación de material o desgaste por el paso del tiempo.
2. Desalineación: Se presenta cuando los ejes de rotación de los componentes conectados no están correctamente alineados. La desalineación puede ser paralela, angular o una combinación de ambas, lo que provoca vibraciones significativas y un mayor desgaste.
3. Piezas sueltas o desgastadas: Los componentes como correas, cadenas, acoplamientos o pernos que estén sueltos o desgastados pueden causar vibraciones y ruido.
4. Problemas de rodamientos: Los problemas con los rodamientos, incluyendo desalineación, problemas de lubricación o desgaste, pueden provocar vibraciones excesivas.

Comprensión del análisis de vibraciones en equipos rotativos

El análisis de vibraciones es una técnica sofisticada y esencial en el campo de la ingeniería mecánica, en particular cuando se trata de las complejidades de los equipos rotativos. El término “vibración” se refiere al movimiento oscilatorio que experimentan los componentes mecánicos durante el funcionamiento. Estas vibraciones pueden ser tanto un síntoma como una causa de varios problemas mecánicos.

Por lo tanto, estudiar y analizar estas vibraciones permite a los ingenieros monitorear la integridad mecánica y el rendimiento de los sistemas de manera no invasiva, lo que garantiza que funcionen como se espera.

El análisis de vibraciones moderno se basa en gran medida en sensores, que se integran meticulosamente en la maquinaria para capturar datos en tiempo real sobre el estado operativo del equipo. Estos sensores, a menudo acelerómetros, se colocan estratégicamente para detectar incluso las vibraciones más leves, que luego se analizan para identificar posibles anomalías.

La capacidad de recopilar, analizar e interpretar estos datos en tiempo real es lo que hace que el análisis de vibraciones sea una herramienta tan poderosa. Permite la detección de problemas que podrían no ser detectados a simple vista, pero que pueden causar daños importantes si no se controlan.

La necesidad crítica de una detección temprana

Uno de los objetivos principales del análisis de vibraciones en equipos rotativos es la detección temprana de problemas mecánicos. En los equipos rotativos, las anomalías como el desbalance, la desalineación o las fallas de los cojinetes y rodamientos, se manifiestan como cambios en los patrones de vibración. Al monitorear continuamente estos patrones, los ingenieros pueden identificar problemas mucho antes de que provoquen daños graves o fallas en el equipo. Este enfoque proactivo no solo ayuda a reducir los costos de mantenimiento, sino que también desempeña un papel crucial para garantizar la seguridad y la calidad de los productos finales.

En el siguiente video se muestra como realizar mediciones para detectar vibraciones en equipos rotativos. Fuente: Fluke Corporation.

Monitoreo de vibraciones online

El monitoreo de vibraciones en línea se ha vuelto cada vez más crucial en entornos industriales, impulsado por el creciente énfasis en el mantenimiento predictivo y la eficiencia operativa. Una de las tendencias más significativas es la integración de los principios de la Industria 4.0 y las tecnologías de Internet de las cosas (IoT) en los sistemas de monitoreo de vibraciones (sensores inteligentes). Esta integración permite la recopilación de datos en tiempo real de la maquinaria industrial, que luego se analiza utilizando algoritmos avanzados para detectar patrones y problemas potenciales antes de que provoquen fallas.

Diseño y simulación asistidos por ordenador

Uno de los avances más significativos en esta área es el uso del diseño y la simulación asistidos por ordenador. Con estas herramientas, los ingenieros pueden crear modelos detallados de maquinaria y simular su comportamiento en diversas condiciones operativas. Este proceso de simulación incluye el análisis dinámico, en el que las características vibratorias del diseño se prueban en situaciones del mundo real.

Por ejemplo, el análisis de elementos finitos (FEA) se utiliza ampliamente para predecir cómo responderán los componentes a las tensiones operativas, incluidas las vibraciones. El FEA descompone la estructura en pequeños elementos, lo que permite a los ingenieros comprender cómo contribuye cada parte al perfil general de vibración.

Otra innovación clave es la optimización topológica, que implica diseñar estructuras que sean inherentemente más resistentes a la vibración y que, al mismo tiempo, cumplan con sus requisitos funcionales. Los algoritmos de optimización topológica pueden sugerir distribuciones de materiales dentro de un espacio de diseño determinado que minimicen la vibración sin comprometer la resistencia. Por ejemplo, en maquinaria rotativa, donde el peso y el equilibrio son fundamentales, la optimización topológica puede garantizar que los componentes sean livianos y resistentes a las vibraciones.

Soluciones para el aislamiento de vibraciones

En el pasado, abordar los problemas de vibración era a menudo un proceso reactivo, en el que los ingenieros respondían a los problemas después de que ocurrían. Sin embargo, los avances en las técnicas y tecnologías de diseño han cambiado este paradigma hacia un enfoque más preventivo. El diseño asistido por computadora (CAD) y las herramientas de simulación ahora permiten a los ingenieros predecir y mitigar los problemas de vibración durante la propia fase de diseño.

Una de las contribuciones más significativas a la mitigación de vibraciones proviene de la ciencia de los materiales. Los materiales tradicionales, que han sido la columna vertebral de la fabricación durante décadas, están siendo reemplazados o complementados cada vez más por compuestos y metamateriales avanzados.

Compuestos avanzados: estos materiales se diseñan combinando dos o más materiales constituyentes con diferentes propiedades físicas o químicas. El material compuesto resultante a menudo exhibe características de amortiguación de vibraciones superiores en comparación con los metales o plásticos tradicionales. Por ejemplo, los compuestos de fibra de carbono, ampliamente utilizados en las industrias aeroespacial y automotriz, ofrecen una alta relación resistencia-peso y excelentes propiedades de absorción de vibraciones.

Metamateriales: Llevando la innovación un paso más allá, los metamateriales son materiales estructurados artificialmente diseñados para exhibir propiedades que no se encuentran en las sustancias naturales. Estos materiales pueden diseñarse para manipular ondas, incluidas las vibraciones mecánicas, de formas muy específicas. Por ejemplo, un metamaterial podría diseñarse para redirigir la energía vibratoria lejos de los componentes sensibles, aislándolos efectivamente de la fuente de vibración. Este enfoque específico permite un control sin precedentes sobre cómo se propagan las vibraciones a través de la maquinaria.

Sistemas de aislamiento de vibraciones: Un enfoque estratégico

En lugar de intentar la tarea a menudo imposible de eliminar por completo las vibraciones, la ingeniería moderna ha cambiado el enfoque hacia el aislamiento de los componentes sensibles de estas vibraciones. Esta estrategia se implementa a través de sistemas avanzados de aislamiento de vibraciones, que pueden ser pasivos o activos:

• Sistemas de aislamiento pasivo: estos sistemas generalmente implican el uso de materiales amortiguadores que absorben la energía vibratoria. Por ejemplo, se pueden colocar soportes de goma o almohadillas amortiguadoras especializadas entre el componente vibratorio de una máquina y el resto del equipo para evitar la transmisión de vibraciones.
• Sistemas de control activo: más sofisticados que los sistemas pasivos, los sistemas de control activo utilizan sensores y actuadores para contrarrestar las vibraciones en tiempo real. Los sensores detectan vibraciones no deseadas y los actuadores generan fuerzas opuestas para cancelarlas, de manera similar a los auriculares con cancelación de ruido. En casos extremos, se pueden emplear tecnologías como la levitación magnética o electrostática para aislar completamente un componente de cualquier contacto físico con superficies vibratorias.

La innovación de la fabricación aditiva

La fabricación aditiva, comúnmente conocida como impresión 3D, ha introducido un enfoque novedoso en el diseño de equipos, particularmente en el contexto de la mitigación de vibraciones. Las técnicas de fabricación tradicionales a menudo imponen limitaciones significativas en la complejidad de las estructuras internas dentro de los componentes. Sin embargo, la fabricación aditiva rompe estas limitaciones, lo que permite a los ingenieros diseñar y producir geometrías internas complejas que antes eran imposibles.

El enfoque holístico para la mitigación de vibraciones

Si bien cada una de estas técnicas (materiales avanzados, sistemas de aislamiento y fabricación aditiva) ofrece beneficios significativos, las estrategias de mitigación de vibraciones más efectivas suelen ser holísticas. Esto significa que los ingenieros no dependen de una sola técnica, sino que integran múltiples enfoques, personalizados según las necesidades específicas del equipo y su entorno operativo.

La antigua práctica, cuando los ingenieros abordaban los problemas de vibración de manera reactiva, a menudo después de que el equipo ya estaba en uso. Esto podría implicar realizar modificaciones posteriores a la producción o ajustes operativos, que podrían ser costosos y menos efectivos.

Sin embargo, con la llegada de estas técnicas y materiales de diseño avanzados, los ingenieros ahora pueden abordar posibles problemas de vibración durante la fase de diseño. Este enfoque proactivo no solo conduce a un equipo de mejor rendimiento, sino que también extiende su vida útil operativa y reduce la necesidad de mantenimiento.

Conclusiones

En conclusión, el estudio de las vibraciones mecánicas en equipos rotativos no se trata solo de identificar problemas; se trata de comprender la mecánica subyacente que impulsa estas vibraciones y usar este conocimiento para diseñar maquinaria mejor y más confiable. A medida que la tecnología continúa evolucionando, las herramientas y técnicas disponibles para los ingenieros para el análisis y la mitigación de vibraciones solo se volverán más sofisticadas, lo que hace de este un campo de estudio emocionante y en constante evolución.

Los últimos avances en ciencia de materiales, sistemas de aislamiento y tecnologías de fabricación han transformado fundamentalmente la forma en que los ingenieros abordan la mitigación de vibraciones en equipos de fabricación. Al abordar estos problemas desde la raíz durante la fase de diseño, ahora podemos producir maquinaria que no solo sea más estable y precisa, sino también más duradera y requiera menos mantenimiento.

Adopta estrategias proactivas para un entorno de fabricación sin vibraciones y lidera el camino hacia innovaciones futuras.

Referencias

1. https://www.linkedin.com/pulse/common-causes-vibration-rotating-equipment
2. https://micromega-dynamics.com/applications/rotating-machinery-vibration-reduction/
3. https://reliability.ae/2024/07/28/common-causes-of-vibration-in-rotating-equipment/