¿Qué son las vibraciones mecánicas y por qué son importantes para el monitoreo de activos?

¿Qué tienen en común un motor, un ventilador, un soporte de rodamientos, una bomba y una turbina? Además de lo obvio, algo que relaciona estos activos es que generan vibraciones mecánicas.

Así es, la gran mayoría de activos industriales emiten un espectro particular de vibraciones que los identifica y distingue entre sí. A esto se le conoce como firma espectral original, la cual se genera por los diferentes componentes que forman parte del activo.

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Gracias a que cada máquina produce una firma particular que la identifica, las vibraciones mecánicas se consideran un indicador clave del funcionamiento y la salud de un activo. 

Para determinar el estado de una máquina a través de sus vibraciones, en la industria existen diversas técnicas de análisis de vibraciones y sensores que miden este indicador utilizando diferentes variables. 

En este post, vamos a conocer las principales características de las vibraciones mecánicas.

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¿Qué son las vibraciones mecánicas? 

Antes de ir más a detalle, vale la pena tener una definición operativa que nos ayude a entender qué son las vibraciones mecánicas.

En resumen, se refiere al movimiento oscilatorio de un cuerpo o estructura alrededor de una referencia o punto de equilibrio. En el contexto industrial, la vibración mecánica es la que se produce cuando una máquina se ve afectada por factores como el desequilibrio de piezas móviles, la falta de alineación, el desgaste en rodamientos, entre otros.

Generalmente, las principales variables que mide el análisis de vibración mecánica son la amplitud, frecuencia y dirección. La medición de este indicador es fundamental para determinar la causa raíz de un problema y tomar las medidas necesarias para resolverlo. 

Por ejemplo, pensemos en un motor eléctrico. La vibración mecánica puede tener efectos adversos en la alineación de sus componentes, conocida como desbalancear. Esto suele generar un desgaste prematuro en los rodamientos y sellos, que puede limitar el rendimiento y la vida útil del activo.

De la misma forma, una vibración mecánica excesiva puede desequilibrar el rotor del motor, lo que puede generar aún más vibración y ruido, resultando en un aumento en la temperatura a la que opera. Si no se corrige a tiempo, es probable que ocurra un parón inesperado.

Por último, la vibración también puede causar una fluctuación en la carga del motor que flexione su eje, incrementando su consumo de energía y disminuyendo su eficiencia. Un motor que funciona en estos términos seguramente presentará un déficit en su desempeño.

Ahora bien, sabemos que la vibración mecánica ocasiona problemas a los activos, como los que acabamos de describir en el caso de los motores. No obstante, existen diversos tipos de vibraciones mecánicas, que los afectan de manera distinta.

Tipos de vibraciones mecánicas

Existen diferentes tipos de vibraciones mecánicas que afectan el desempeño de los activos, pero antes de analizar algunos de los más comunes, es importante conocer el principio que se utiliza para su análisis. 

Ley de Hooke

La Ley de Hooke se utiliza para calcular la fuerza de restauración que actúa sobre un objeto desplazado fuera del punto de equilibrio. Dicha fuerza es la que hace que el objeto perturabdo regrese a su posición. 

En otras palabras, la Ley de Hooke sirve para calcular la frecuencia natural de vibración de un objeto. Esta frecuencia es a la que el objeto vibrará libremente después de haber sido perturbado, y posteriormente liberado.

La frecuencia natural se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

f = 1/(2π) √(k/m) 

f es la frecuencia natural

k es la constante de fuerza del objeto

m es la masa del objeto

Una vez que se conoce la frecuencia natural de vibración de un objeto, esta fórmula es adecuada para predecir la respuesta a diferentes excitaciones externas. 

Por ejemplo, si la frecuencia de excitación coincide con la frecuencia natural del objeto, se producirá una resonancia y el objeto vibrará con una amplitud muy alta, lo que puede ser perjudicial para el objeto y su entorno.

Ya que establecimos cuál es el principio que rige el comportamiento de las vibraciones mecánicas, veamos algunos de los tipos más comunes que ocurren en los activos industriales.

Vibración libre

Es la vibración que ocurre cuando un objeto se mueve en un solo sentido después de haber sido perturbado. El objeto oscila de ida y vuelta a una frecuencia natural específica conocida como frecuencia de resonancia. 

Por ejemplo, un ventilador industrial puede sufrir vibraciones mecánicas excesivas cuando su rotor se desvía ligeramente de su posición de equilibrio producto de una perturbación, como una corriente de aire o un desequilibrio en el rotor.

Cuando hay una anomalía de este tipo, el rotor del ventilador puede comenzar a oscilar fuera de su frecuencia normal, especialmente si la vibración desajusta la rigidez de la estructura que lo sostiene.

Estas vibraciones pueden generar resonancia y, por lo tanto, una amplitud excesiva, lo que puede causar daños en el ventilador y afectar su rendimiento.

Vibración forzada

Se produce cuando un objeto es sometido a una fuerza externa de manera periódica, como puede ser una vibración armónica o una onda senoidal, a la que el objeto responderá. 

La vibración forzada puede afectar a los compresores industriales porque ejerce una fuerza excesiva sobre la estructura del compresor. Esta perturbación externa puede provenir de la presión del líquido que está comprimiendo la máquina, de un desequilibrio en los componentes, o de un rotor desalineado. 

Vibración aleatoria

Este tipo de vibración se caracteriza por ser impredecible y no apegarse a ningún patrón específico. Afecta sobre todo a sistemas de ingeniería civil, aunque en el contexto industrial también puede ocurrir. 

Por ejemplo, en una turbina, especialmente si está instalada en el exterior o es componente de un vehículo. El ruido y las vibraciones a las que queda expuesta puede ejercer fuerza sobre las palas, ocasionando que dañen el casco si salen de su eje de rotación predeterminado. 

Esto, además de significar un enorme riesgo si, por ejemplo, se trata de la turbina de un avión, compromete la eficiencia del activo. 

Vibración de resonancia

Daña el objeto que la recibe porque aplica una fuerza que coincide con su frecuencia de vibración natural. Esto genera que la amplitud de vibración general del objeto incremente. 

Aunque no es tan frecuente en un piso de fábrica, existen activos como las bombas de agua que pueden dañarse por vibración de resonancia. Pensemos que esta bomba está instalada en una presa para prevenir una inundación. 

Si la vibración del sistema hidráulico que utiliza la presa coincide con las especificaciones de la bomba, éstas se amplificarán, generando desgaste en la máquina. 

Vibración de torsión

Sucede cuando un objeto que gira sobre su propio eje sufre una deformación. Esto crea un movimiento que, al ocurrir fuera de su punto de referencia, choca con otros componentes que entran en el nuevo radio de giro de la pieza dañada. 

Es común que este tipo de vibración dañe los transmisores de torque, pues la fuerza torsional que genera se transmite a través de un eje que conecta el rotor del transmisor con el dispositivo de medición. Demasiada vibración puede afectar la flexibilidad del medidor, y reducir su precisión. 

Un antídoto para las vibraciones mecánicas dañinas

Lo que no se puede medir, no se puede cambiar. 

En el particular caso de los activos industriales, además de identificar cuando alguna vibración los daña, es importante conocer un curso de acción para solucionar el problema. 

Dado que las vibraciones mecánicas no son algo que pueda señalarse a simple vista (a menos que la fuerza que perturba el activo sea excesiva), lo mejor es contar con un sensor que pueda notificar al especialista de mantenimiento cuando un activo se encuentra comprometido por una vibración mecánica. 

Los sensores Smart Trac de TRACTIAN son capaces de detectar con detalle y precisión los cambios de comportamiento de tus activos, además de indicar al equipo de mantenimiento cuando se requiere una intervención que prevenga fallas inesperadas.

Evita Paradas Inesperadas con Mantenimiento Proactivo

Se trata de un tipo de análisis de vibraciones mecánicas que se denomina prescriptivo. Gracias a su tecnología patentada en Estados Unidos, el SmartTrac indica la falla que afecta al activo y sugiere al ingeniero de mantenimiento una solución. 

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