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Monitoreo y análisis de vibraciones (CBM) en máquinas y edificaciones
¿En qué podemos ayudarle?
Bienvenidos al cuarto capítulo de introducción al análisis de vibraciones. En esta ocasión les hablaré sobre el concepto de espectro de vibración.
La forma de onda representa el comportamiento vibratorio en un instante de tiempo, de una máquina en un punto de medición. Como ya lo habíamos mencionado, la altura de la onda representa la amplitud o severidad de vibración, sin embargo hemos obviado un concepto muy importante para el diagnóstico de máquinas, que tiene que ver con la horizontalidad de la onda y es el concepto de frecuencia o el número de veces que ocurre un evento en un instante de tiempo, que en vibraciones se mide usualmente en 1 segundo o 1 minuto. Por ejemplo, por cada rotación del eje en esta chumacera, obtenemos una forma de onda de este tipo, que correspondería a un ciclo del eje o 1 revolución completa del eje y si durante este tiempo transcurriera un segundo, la frecuencia del eje sería de 3 ciclos o 3 vueltas por segundo, que al multiplicarlo por 60 segundos que tiene 1 minuto, obtendríamos la frecuencia del eje en ciclos por minuto e igual a 180 vueltas por minuto. Si aumentamos la velocidad del eje y asumimos que en este instante pasa un segundo, ahora tenemos que la frecuencia es de 7 ciclos o vueltas por segundo para el eje y de 420 ciclos por minuto.
Para frecuencia medida durante 1 segundo se habla de ciclos por segundo (CPS) o más comúnmente de Hertz (Hz) y para frecuencia medida durante 1 minuto se habla de ciclos por minuto o CPM. Si se refiere exclusivamente a la velocidad de 1 eje se le menciona como revoluciones por minuto o RPM.
Vamos a asumir lo siguiente para este ventilador que gira a 2 vueltas por segundo. Al registrar la vibración en el rodamiento lado acople, obtendríamos la forma de onda asociada a la energía transferida por el eje y los rotores de la máquina debido a un desbalanceo o descompensación de masa en el rotor del ventilador, que produce una fuerte vibración a la velocidad del eje, es decir con una frecuencia de 2 Hz. Adicionalmente la acción de partículas sólidas que succiona el ventilador, golpean cada una de sus 10 aspas por cada vuelta del eje, generando una energía adicional que percibe el acelerómetro con una frecuencia 10 veces más rápida que la del eje o de 20 Hz. Las otras fuerzas alrededor del punto de medición vamos a considerarlas despreciables.
En esta representación, visualizamos la forma de onda fundamental, asociada a cada fuente de energía mecánica en el punto de medición, sin embargo, en la realidad, el acelerómetro las sensa o escucha de manera combinada dando como resultado formas de onda compuestas o la sumatoria de las ondas de cada fuente de vibración.
Para poder separar la energía mecánica entregada por cada fuente de una forma de onda compuesta, se utiliza un proceso matemático llamado transformada de Fourier, que separa cada onda o fuente de vibración con base a su frecuencia, obteniendo un gráfico que conocemos como “Espectro de vibración”
Para el caso anterior, este sería el espectro de vibración, en donde se puede identificar que la energía mecánica en el punto de medición se debe principalmente al desbalanceo del ventilador que produce un evento por vuelta del eje y a la excitación del paso de aspas del ventilador o conocido en vibraciones como BPF. En este caso, sería bueno realizar un balanceo de la máquina e implementar un filtro en el ventilador, para evitar la erosión de las aspas que se están viendo excitadas por el paso de sólidos.
El espectro es el gráfico más utilizado para el diagnóstico de fallas en máquinas cuyos ejes están soportados por rodamientos, gracias a que a través de la frecuencia podemos identificar la fuente de vibración así como su amplitud o severidad.
Vamos a realizar otro ejemplo para la interpretación de un espectro de vibración. En este caso, nuestro ventilador es movido a través de una transmisión desde el motor por poleas y bandas. La velocidad del motor es de 3420 RPM o 57 Revoluciones por segundo y la relación entre poleas permite una velocidad en el eje del ventilador de 1140 RPM o 19 RPS, el ventilador cuenta con 5 aspas.
Al realizar la medición de vibraciones en el rodamiento lado libre del ventilador, obtenemos la siguiente señal, que al descomponerla con nuestro colector de vibración o software de análisis de vibraciones nos da como resultado este espectro en velocidad. En el cual podemos identificar los picos asociados a la energía entregada por el eje y rotor del motor, así como el asociado al eje y rotor del ventilador. Al multiplicar el número de aspas con la velocidad del eje del ventilador, obtenemos la frecuencia de paso de aspas o BPF. El pico a 60 Hz correspondería a filtraciones de la frecuencia de línea o frecuencia a la que oscila el voltaje a través del motor y el pico a 14 Hz correspondería a la velocidad lineal de la banda al recorrer ambas poleas, que usualmente es inferior a la de ambos ejes. Los picos siguientes que están distanciados cada 14 Hz, corresponderían a los sacudimientos de la banda que probablemente esté distensionada.
Recuerde que la energía de cada fuente de vibración es nociva sólo si su amplitud o severidad es alta o significativa, respecto a los niveles permisibles que haya determinado.
