Los circuitos que detectan, miden, interpretan y analizan datos ya van camino a la sala de ventas desde el laboratorio. Gracias a los recientes avances en la calidad y capacidad de los semiconductores, esta transición comienza a suceder más rápido que nunca antes. En este artículo, aprenda cómo las nuevas soluciones basadas en tecnología MEM y los algoritmos avanzados permiten una potente nueva generación de herramientas de monitoreo basado en el estado (CbM, por sus siglas en inglés). Explore cómo estas herramientas mejoran la capacidad de monitorear de manera eficaz, mejorar el tiempo de actividad, mejorar la calidad del proceso y aumentar el rendimiento.
Permitir estas nuevas capacidades y capturar los beneficios del monitoreo basado en el estado requiere nuevas soluciones que deben ser precisas, confiables y resistentes, de modo que el monitoreo en tiempo real se pueda expandir más allá de solo la detección básica de potenciales fallas de equipos para proporcionar información detallada y práctica. El funcionamiento de tecnologías de nueva generación, junto con información a nivel de sistema, permiten una mejor comprensión de la aplicación y los requisitos necesarios para solucionar estos desafíos.
La vibración, uno de los componentes clave del diagnóstico de máquinas, se ha usado de manera confiable para monitorear los equipos más esenciales en una amplia gama de usos industriales. Existe un volumen significativo de literatura para respaldar las variadas capacidades predictivas y de diagnóstico que se requieren para permitir soluciones avanzadas de monitoreo de vibraciones. Una menor cobertura tiene la relación entre los parámetros de funcionamiento del sensor de vibraciones, como el ancho de banda y la densidad del ruido, y las capacidades de diagnóstico de fallas del uso final. En este artículo se abarcan los principales tipos de fallas en máquinas en aplicaciones de automatización industrial y se identifican los parámetros de funcionamiento clave de sensores de vibraciones que son relevantes para las fallas específicas.
Varios tipos de fallas comunes y sus características se destacan a continuación para proporcionar información sobre algunos de los principales requisitos del sistema que se deben considerar al desarrollar una solución de monitoreo basado en el estado. Entre estas se encuentran, entre otras, desequilibrio, desalineación, fallas en engranajes y defectos en cojinetes de bolas.
Desequilibrio
¿Qué es el desequilibrio y qué lo causa?
El desequilibrio es una distribución desigual de masa que causa que la carga cambie el centro de la masa y se aleje del centro de rotación. Los desequilibrios del sistema se pueden atribuir a instalaciones inapropiadas, como excentricidad de acoplamiento, errores de diseño del sistema, fallas de componentes e incluso la acumulación de residuos u otros contaminantes. Como ejemplo, los ventiladores de enfriamiento integrados en la mayoría de los motores de inducción pueden quedar desequilibrados debido a una acumulación irregular de polvo y grasa, o debido a aspas del ventilador averiadas.
¿Por qué es de preocupación un sistema desequilibrado?
Los sistemas desequilibrados crean un exceso de vibraciones que se acoplan mecánicamente con otros componentes dentro del sistema, como cojinetes, acoplamientos y cargas, lo que potencialmente acelera el deterioro de componentes que están en buen estado de funcionamiento.
Cómo detectar y diagnosticar el desequilibrio
Un aumento general en las vibraciones del sistema puede indicar una falla potencial creada por un sistema desequilibrado, pero el diagnóstico de la causa raíz del aumento en las vibraciones se realiza mediante el análisis en el dominio de la frecuencia. Los sistemas desequilibrados producen una señal en la velocidad de giro del sistema, que normalmente se denomina 1×, con una magnitud que es proporcional al cuadrado de la velocidad de giro, F = m × w2. El componente de 1× normalmente siempre está presente en el dominio de la frecuencia, por lo que la identificación de un sistema desequilibrado se realiza al medir la magnitud de 1× y la armonía. Si la magnitud de 1× es mayor que la medición de la línea de base y la armonía es mucho menor que 1×, entonces es probable que haya un sistema desequilibrado. En un sistema desequilibrado puede que se produzca un cambio en las vibraciones de los componentes tanto de fase horizontal como vertical.
¿Qué especificaciones del sistema se deben considerar al diagnosticar un sistema desequilibrado?
Se requiere un bajo nivel de ruido para reducir la influencia del sensor y permitir la detección de pequeñas señales creadas por un sistema desequilibrado. Esto es importante para el sensor, el acondicionamiento de señales y la plataforma de adquisición.
Se requiere la resolución suficiente del sistema de adquisición para extraer la señal (especialmente la señal de base) para detectar estos pequeños desequilibrios.
Se necesita ancho de banda para capturar información suficiente más allá de las velocidades de giro para mejorar la precisión y confianza de un diagnóstico. La armonía de 1× se puede ver influenciada por otras fallas del sistema, como la desalineación u holgura mecánica, de modo que el análisis de la armonía de la velocidad de giro, o de la frecuencia de 1×, puede ayudar a diferenciar entre ruido del sistema y otras fallas potenciales. Para máquinas giratorias más lentas, las velocidades de giro fundamentales bien pueden ser menores que 10 rpm, lo que significa que la respuesta de baja frecuencia del sensor es esencial para capturar las velocidades de giro fundamentales. La tecnología de sensores MEMS de Analog Devices permite la detección de señales hasta CC y proporciona la capacidad de medir equipos de giro más lento, mientras también permite la medición de anchos de banda amplios para contenido de más alta frecuencia, normalmente asociado con defectos en cojinetes y cajas de cambios.
Figura 1. Existe potencial de sistema desequilibrado según el aumento en la amplitud en la velocidad de giro, o la frecuencia de 1×.
Desalineación
¿Qué es la desalineación y qué la causa?
La desalineación del sistema, como el nombre lo sugiere, se produce cuando dos ejes giratorios no están alineados. La Figura 2 muestra un sistema ideal donde se logra la alineación desde el motor, luego el eje, el acoplamiento hasta la carga (la que, en este caso, es una bomba).
Figura 2. Un sistema alineado idealmente.
Las desalineaciones se pueden producir en dirección paralela, así como en dirección angular, y también pueden ser una combinación de ambas (consulte la Figura 3). La desalineación paralela se produce cuando los dos ejes se desplazan en dirección horizontal o vertical. La desalineación angular se produce cuando uno de los ejes está en un ángulo relevante para el otro.
Figura 3. Entre los ejemplos de desalineaciones diferentes se encuentran (a) angular, (b) paralela o una combinación de ambas.
¿Por qué es de preocupación la desalineación?
Los errores de desalineación pueden generar un gran impacto en el sistema al forzar los componentes para funcionar bajo mayores tensiones o cargas de las que originalmente estaban diseñados a soportar, y eventualmente pueden producir fallas prematuras.
Cómo detectar y diagnosticar desalineaciones
Los errores de desalineación normalmente aparecen como la segunda armonía de la velocidad de giro del sistema, que se denomina 2×. El componente de 2×no siempre está presente en la respuesta de la frecuencia, sino que cuando lo está, la relación de la magnitud con 1× se puede usar para determinar si hay una desalineación presente. Un aumento en las desalineaciones puede excitar la armonía hasta en 10× dependiendo del tipo de desalineación, el lugar en el que se mida y la información direccional. La Figura 4 destaca los patrones asociados con las fallas potenciales de desalineación.
Figura 4. Una armonía 2× en aumento, combinada con armonías de mayor orden en aumento, indica una desalineación potencial.
¿Qué especificaciones del sistema se deben considerar al diagnosticar un sistema desalineado?
Se requiere un bajo nivel de ruido y la resolución suficiente para detectar desalineaciones pequeñas. Los tipos de máquinas, requisitos del sistema y del proceso, y las velocidades de giro dictan las tolerancias de desalineación permitidas.
Se necesita ancho de banda para capturar el rango de frecuencia suficiente, y mejorar la precisión y confianza de un diagnóstico. La armonía de 1× se puede ver influenciada por otras fallas del sistema, como la desalineación, de modo que el análisis de la armonía de la frecuencia de 1× puede ayudar a diferenciarla de otras fallas del sistema. Esto es especialmente cierto en el caso de máquinas de mayor velocidad rotacional. Como ejemplo, las máquinas que funcionan a más de 10 000 rpm, como las herramientas mecánicas, normalmente requieren información de calidad más allá de 2 kHz para detectar de manera precisa el desequilibrio con una alta confianza.
La información multidireccional también mejora la precisión del diagnóstico y proporciona datos sobre el tipo de error de desalineación y la dirección de la misma.
La fase del sistema, junto con la información de la vibración direccional, mejoran aún más el diagnóstico de un error de desalineación. Medir las vibraciones en diferentes puntos de la máquina y determinar la diferencia en las mediciones de fase o en todo el sistema proporcionan información sobre si la desalineación es angular, paralela o una combinación de los dos tipos de desalineación.
Defectos en los cojinetes de bolas
¿Qué son los defectos en los cojinetes de bolas y qué es lo que los causa?
Los defectos en los cojinetes de bolas son normalmente artefactos de tensiones inducidas mecánicamente o problemas de lubricación que crean pequeñas grietas o defectos dentro de los componentes mecánicos del cojinete, lo que produce mayores vibraciones. La Figura 5 proporciona algunos ejemplos de cojinetes de bolas e ilustra un par de los defectos que se producen.
Figura 5. Ejemplos de cojinetes de bolas (parte superior), y defectos en la lubricación y la corriente de descarga (parte inferior).
¿Por qué son de preocupación las fallas en los cojinetes de bolas?
Los cojinetes de bolas se encuentran en prácticamente todas las máquinas giratorias, que van desde grandes turbinas hasta motores giratorios más lentos, y desde bombas y ventiladores relativamente simples hasta ejes CNC de alta velocidad. Los defectos en cojinetes pueden ser un signo de lubricación contaminada (Figura 5), instalaciones inapropiadas, corrientes de descarga de alta frecuencia (Figura 5) o una mayor carga del sistema. Las fallas pueden causar un daño catastrófico en el sistema y generar impactos significativos en otros componentes del sistema.
¿Cómo se detectan y diagnostican las fallas en los cojinetes de bolas?
Existen varias técnicas que se usan para diagnosticar las fallas en cojinetes y debido a la física detrás del diseño de los cojinetes, las frecuencias de defecto de cada cojinete se pueden calcular según la geometría del cojinete, la velocidad de giro y el tipo de defecto, lo que ayuda a diagnosticar las fallas. Las frecuencias de defectos en cojinetes se indican en la Figura 6.
Figura 6. Las frecuencias de defecto en cojinetes dependen del tipo de cojinete, la geometría y la velocidad de giro.
El análisis de los datos de vibraciones de una máquina o sistema en particular normalmente se basa en una combinación de análisis de tiempo y dominio de frecuencia. El análisis de dominio es útil para detectar tendencias en el aumento general de los niveles de vibración del sistema. Sin embargo, en este análisis se contiene muy poca información de diagnóstico. El análisis de dominio de frecuencia mejora la información de diagnóstico, pero la identificación de las frecuencias de falla pueden ser complejas, debido a las influencias de otras vibraciones del sistema.
Para lograr un diagnóstico temprano de los defectos de cojinetes, se usa la armonía de las frecuencias de los defectos para identificar las fallas en fase inicial o incipientes, de modo que se puedan monitorear y reparar antes de que se produzca una falla catastrófica. Para detectar, diagnosticar y comprender las implicancias para el sistema de una falla en un cojinete, técnicas como la detección de envolvente, que se muestra en la Figura 7, combinada con el análisis espectral en el dominio de la frecuencia normalmente proporcionan información más detallada.
Figura 7. Técnicas como la detección de envolvente pueden extraer patrones iniciales de defectos en cojinetes de datos de vibraciones con un ancho de banda amplio.
¿Qué especificaciones del sistema se deben considerar al diagnosticar una falla en un cojinete de bolas?
Un bajo nivel de ruido y una resolución suficiente son esenciales para la detección de defectos iniciales en cojinetes. Normalmente, estos patrones de defectos tienen una baja amplitud durante el inicio de un defecto. El deslizamiento mecánico, inherente a los cojinetes debido a las tolerancias de diseño, reduce aún más la magnitud de las vibraciones al difundir información de la amplitud en varios contenedores en la respuesta de la frecuencia de un cojinete; requiriendo, de este modo, un bajo nivel de ruido para detectar las señales antes.
El ancho de banda es esencial para lograr la detección temprana de defectos en cojinetes. Un impulso que contenga contenido de alta frecuencia se crea cada vez que el defecto recibe un golpe durante una revolución (consulte la Figura 7). La armonía de las frecuencias de defectos en cojinetes, y no la velocidad de giro, es la que se monitorea para estas fallas iniciales. Debido a la relación de las frecuencias de defectos en cojinetes con la velocidad de giro, estos patrones iniciales se pueden producir en varios rangos de kilohertz y extender mucho más allá del rango de 10 kHz a 20 kHz. Incluso para equipos de menor velocidad, la naturaleza inherente de los defectos en cojinetes requiere anchos de banda más amplios para la detección temprana para evitar las influencias de resonancias y ruidos del sistema que influyan en las bandas de frecuencia más baja.
El rango dinámico también es importante para el monitoreo de defectos en cojinetes, ya que las cargas y los defectos del sistema pueden generar un impacto en las vibraciones que experimente el sistema. Mayores cargas llevan a que se ejerzan mayores fuerzas que actúen en los cojinetes y los defectos. Los defectos en cojinetes también crean impulsos que excitan las resonancias estructurales, lo que amplifica las vibraciones que experimentan el sistema y el sensor. A medida que las máquinas aumentan y disminuyen la velocidad durante arranque y parada o el funcionamiento normal, el cambio de velocidad crea potenciales oportunidades para que se exciten las resonancias del sistema, lo que lleva a que se produzcan vibraciones de una mayor amplitud. La saturación del sensor puede dar como resultado pérdida de información, un diagnóstico erróneo y, en el caso de ciertas tecnologías, daño a los elementos del sensor.
Defectos en engranajes
¿Qué son los defectos en engranajes y qué los causa?
Las fallas en engranajes normalmente se producen en los dientes de un mecanismo de engranaje debido a fatiga, fisuras o picaduras. Estos se pueden manifestar como grietas en la raíz del engranaje o en la pérdida de metal de la superficie del diente. Se pueden causar por desgaste, carga excesiva, lubricación deficiente, juego entre dientes y ocasionalmente la instalación inapropiada o defectos de fabricación.
¿Por qué son de preocupación las fallas en engranajes?
Los engranajes son los principales elementos de transmisión de potencia en muchas aplicaciones industriales y están sujetos a tensiones y cargas significativas. Su estado es esencial para el correcto funcionamiento de todo el sistema mecánico. Un ejemplo bien conocido de esto en el campo de las energías renovables es el hecho de que el mayor contribuidor de inactividad en turbinas eólicas (y del consecuente daño en los ingresos) es la falla de la caja de cambios multietapa en el tren motriz principal. Se aplican consideraciones similares en usos industriales.
¿Cómo se detectan y diagnostican las fallas en engranajes?
Las fallas en engranajes son difíciles de detectar debido a la complejidad de la instalación de sensores de vibraciones cerca de la falla y de la presencia de una gran cantidad de ruido de fondo debido a las múltiples excitaciones mecánicas dentro del sistema. Esto es especialmente cierto en sistemas de cajas de cambio más complejos, en los que pueden existir varias frecuencias de giro, relaciones de engranajes y frecuencias de engranaje. Por consiguiente, se pueden tomar varios enfoques y enfoques complementarios para la detección de fallas en engranajes, lo que incluye análisis de emisiones acústicas, análisis de patrones de corriente y análisis de residuos de aceite.
En términos de análisis de vibraciones, la carcasa de la caja de cambios es el lugar de montaje típico para un acelerómetro, con el modo de vibración dominante en dirección axial. Los engranajes en buen estado producen un patrón de vibración a una frecuencia conocida como la frecuencia de conjunto de engranaje. Esto es igual al producto de la frecuencia del eje y el número de dientes del engranaje. Normalmente también existen algunas bandas laterales de modulación relacionadas con las tolerancias de fabricación y montaje. Esto se ilustra en el caso de un engranaje en buen estado en la Figura 8. Cuando se produce una falla localizada como una grieta en un diente, la señal de la vibración en cada revolución incluirá la respuesta mecánica del sistema en un impacto de corta duración en un nivel de relativamente baja energía. Esta es normalmente una señal de banda ancha de baja amplitud que generalmente se considera no periódica y no fija.
Figura 8. Espectro de frecuencia de un engranaje en buen estado con velocidad de cigüeñal de ~1000 rpm, velocidad de engranaje de ~290 rpm, y dientes de engranaje = 24.
Como resultado de estas características particulares, las técnicas de dominio de frecuencia estándar por sí solas no son consideradas como adecuadas para la identificación precisa de fallas en engranajes. Puede que el análisis espectral no pueda detectar fallas en engranajes en una etapa inicial, ya que la energía de impacto se contiene en la modulación de banda lateral, la que también puede contener energía desde otro par de engranajes y componentes mecánicos. Las técnicas de dominio de tiempo como el promedio sincrónico de tiempo o los enfoques de dominio mixtos como el análisis de ondas y la demodulación envolvente son generalmente más adecuados.
¿Qué especificaciones del sistema se deben considerar al diagnosticar una falla en engranajes?
Un ancho de banda amplio generalmente es muy importante en la detección de fallas en engranajes, ya que el número de dientes de engranajes actúa como multiplicador en el dominio de frecuencia. Incluso para los sistemas de relativamente baja velocidad, el rango de frecuencia de detección que se requiere se impulsa rápidamente a la región de múltiples kHz. Además, las fallas localizadas extienden aún más el requisito de ancho de banda.
La resolución y un bajo nivel de ruido son muy importantes por varios motivos. La dificultad para montar sensores de vibraciones en la cercanía de zonas de fallas específicas significa que hay una atenuación potencialmente mayor de la señal de vibración que emite el sistema mecánico, lo que hace que sea vital poder detectar señales de baja energía. Adicionalmente, debido a que las señales no son señales periódicas fijas, no se puede confiar en las técnicas FFT estándar para extraer señales de baja amplitud de un piso con un alto nivel de ruido, ya que la base de ruido del sensor mismo debe ser baja. Esto es especialmente cierto en un entorno de caja de cambios en el cual existe una mezcla de varios patrones de vibración de diferentes elementos de la caja de cambios. Además de estas consideraciones está la importancia de la detección temprana, no solo por motivos de protección de activos, sino que por motivos de acondicionamiento de señal. Se ha mostrado que la gravedad de la vibración puede ser mayor en el caso de una falla por rotura de un diente, en comparación a una falla por rotura de dos o más dientes, lo que implica que la detección puede ser relativamente más fácil en la etapa inicial.
Resumen
Si bien son comunes, el desequilibrio, la desalineación, los defectos en cojinetes y las fallas en dientes de engranajes son solo algunos de los muchos tipos de fallas que se pueden detectar y diagnosticar con sensores de vibraciones de alto rendimiento. Un mejor rendimiento de los sensores, junto con las consideraciones adecuadas a nivel de sistema, permiten desarrollar soluciones de monitoreo basado en el estado de nueva generación que proporcionarán mayores niveles de detalle en el funcionamiento mecánico de una amplia gama de equipos y usos industriales. Estas soluciones transformarán la manera en que se realiza el mantenimiento y en que funcionan las máquinas, y en última instancia, reducirán los tiempos de inactividad, mejorarán la eficacia y proporcionarán nuevas capacidades para los equipos de nueva generación.