Abriendo el sobre sobre la vibración de los rodamientos

Una sofisticada técnica de procesamiento de señales puede ayudar a identificar fallas en los rodamientos en una etapa temprana, explica Chris Hansford, director general de Hansford Sensors.

Los operadores experimentados a menudo pueden saber si una máquina no funciona correctamente, basándose en que ‘no suena bien’. El mismo principio se puede aplicar —utilizando la electrónica moderna— para identificar la causa exacta del problema.

Los acelerómetros sensibles pueden detectar y analizar las vibraciones de los equipos industriales, poniendo de relieve problemas como la desalineación o el desequilibrio de los rodamientos. La técnica se conoce como análisis de vibraciones. Puede identificar fallos en los rodamientos en fases muy tempranas, cuando hay un defecto microscópico en la pista de rodadura, por ejemplo. El problema es que la señal de identificación suele quedar sepultada entre todo el demás ruido que emana de la máquina.

Dispositivo de filtrado

Es fundamental detectar este tipo de defectos lo antes posible para evitar que se conviertan en problemas más graves. Una forma de centrarse en la señal de interés –y filtrar el ‘ruido’– es utilizar una técnica de procesamiento de señales llamada envolvente de aceleración. Funciona filtrando progresivamente las partes no deseadas del espectro de vibración hasta que se pueda ver claramente la señal de un defecto del cojinete, extrayendo vibraciones repetitivas de bajo nivel del ruido que las rodea.

La forma de onda sin filtrar de un rodamiento defectuoso es una mezcla de frecuencias bajas y altas, sin un patrón evidente. El primer paso es aplicar un filtro paso banda, que aísla únicamente las frecuencias en las que se esconde la señal de interés. Se necesita cierta experiencia para saber cómo elegir las frecuencias de paso alto y paso bajo.

La salida filtrada identificará señales repetitivas de alta frecuencia, aunque se requieren más pasos para identificar con precisión la específica del defecto del cojinete. Primero, la forma de onda se rectifica —invirtiendo la parte negativa a positiva— y luego se envuelve (o demodula) trazando una línea sobre la forma general de la señal rectificada. Esta ‘envolvente’ se utiliza ahora como una señal de vibración real, lo que ayuda a que destaque por encima del ruido.

La envolvente ayuda a contener señales espaciadas regularmente, como un solo defecto en una pista de rodadura. Otras causas de ruido, como el roce del eje, son aleatorias, por lo que no producirán picos espaciados uniformemente.

Técnica en acción

La envolvente de aceleración se utiliza más comúnmente en sistemas de rodamientos, pero también se puede aplicar en áreas como motores eléctricos y reductores. Es un factor clave en el éxito de los programas de mantenimiento basado en la condición (CBM).

Si bien la envolvente se utiliza más comúnmente con señales en el espectro de aceleración, se puede emplear para mejorar otras mediciones, como un pulso de choque.

Una vez que la señal ha sido filtrada, la información se puede recopilar del acelerómetro mediante un recolector de datos, lista para ser revisada e interpretada por un especialista, quien puede decidir si se requiere o no trabajo de mantenimiento de inmediato o si se puede planificar como parte de los programas rutinarios.

Si bien la envolvente de aceleración puede parecer la respuesta definitiva para detectar fallas en los rodamientos, no se puede aplicar universalmente a cualquier máquina. La técnica detecta fallas que involucran interacciones repetitivas de metal con metal. Cualquier cosa que enmascare esto, como juntas o amortiguadores, puede hacer que una máquina quede fuera de su ámbito de uso.

Factores de éxito

Si una aplicación es adecuada para la envolvente, varios factores ayudarán a garantizar mejores resultados. En primer lugar, los acelerómetros para medir la señal de bajo nivel deben seleccionarse cuidadosamente, dentro del rango de frecuencia adecuado, para adaptarse a las necesidades de la máquina o aplicación en particular.

En segundo lugar, los acelerómetros deben montarse correctamente, cerca del componente que se está monitoreando, sobre una superficie plana y limpia para garantizar resultados consistentes. Un montaje deficiente reduce la fiabilidad y puede hacer que los datos recopilados sean redundantes.

Una vez que los acelerómetros hayan sido instalados y calibrados, se deben tomar lecturas de datos a intervalos regulares durante un período de tiempo para permitir la elaboración de análisis de tendencias precisos. Esto permite identificar una condición que se deteriora de manera constante, por ejemplo.

Es importante comprender que la información proporcionada no es una respuesta simple de ‘sí/no’, y requiere cierta habilidad y experiencia para interpretarla: la amplitud de una condición que empeora puede de hecho reducirse con el tiempo, por ejemplo, a medida que la imperfección se vuelve un poco más lisa.

Los beneficios potenciales de la envolvente de aceleración son claros, pero sería imprudente confiar únicamente en la técnica. Implementarla como parte de un régimen de análisis y monitoreo más amplio puede ser mucho más efectivo, ayudando a los ingenieros de planta a salvaguardar la salud, el rendimiento y la productividad de todos los activos bajo su cuidado.

Envolvente de aceleración en acción

Según el Consejo Mundial de Energía Eólica, a finales de 2014 había 268.000 aerogeneradores en funcionamiento, y cada turbina contaba con una media de 8.000 componentes distintos. De estos, un gran número están asociados con la cadena cinemática, la cual ha sido reconocida por separado como la principal causa de tiempo de inactividad prolongado. En particular, se sabe que el desgaste en las cajas de cambios y los rodamientos causa problemas. Aunque el desgaste tiende a ser gradual en lugar de catastrófico, puede, no obstante, dar lugar a costosas reparaciones que, en términos de tiempo de inactividad más la posible necesidad de equipos de elevación pesados, sustitución de la caja de cambios o bobinado de generadores, cuestan mucho más que el simple coste de un rodamiento o una unidad de engranaje de repuesto. La monitorización periódica de las vibraciones puede evitar que se produzcan estos problemas.

Sin embargo, la complejidad de un aerogenerador típico plantea un desafío para el monitoreo de vibraciones. Por ejemplo, la turbina principal, la caja de engranajes y el generador suelen tener más de 15 rodamientos instalados, mientras que la caja de engranajes incorpora una serie de etapas, cada una con múltiples engranajes. Estos componentes generan firmas de vibración únicas, con diferentes amplitudes y frecuencias, que pueden ser difíciles de aislar entre sí y que pueden quedar enmascaradas por el ruido de los sistemas circundantes.

Aquí es donde una técnica como la envolvente de aceleración puede desempeñar un papel crucial, permitiendo a los analistas de vibraciones y a los ingenieros de mantenimiento separar las firmas de vibración e identificar los cambios en las condiciones de la señal, lo que puede indicar un desgaste creciente.

Para ser eficaz, la envolvente de aceleración requiere el uso de múltiples acelerómetros, instalados en todas las partes giratorias clave. Estos incluyen los rodamientos principales, las etapas de engranajes planetarios, intermedios y de alta velocidad, el generador (cojinetes interiores y exteriores) e idealmente los movimientos transversales y axiales de la góndola.

En cada caso, hay varios factores críticos que deben tenerse en cuenta. En particular, cada acelerómetro debe montarse de forma segura sobre una base limpia y sólida, y lo más cerca posible del componente que se está vigilando; normalmente, se utilizan soportes estándar M8. También es importante recopilar datos de manera constante, para permitir que cualquier cambio en las condiciones de funcionamiento o en las tendencias a lo largo del tiempo se identifique con precisión en la etapa más temprana posible.

También cabe señalar que la frecuencia de las señales de envolvente está relacionada directamente con la velocidad de rotación del eje. En las transmisiones de aerogeneradores, por ejemplo en el eje de salida del generador, las velocidades de rotación pueden ser relativamente lentas y, por lo tanto, pueden requerir el uso de acelerómetros de CA de baja frecuencia para fines especiales, con una sensibilidad de entre 100 mV/g y 500 mV/g. Los sensores generalmente se conectan mediante cableado fijo a una caja de conexiones dentro de la góndola y luego a una caja de conmutación montada a nivel del suelo. Las señales se pueden supervisar in situ utilizando colectores de datos portátiles, que cuentan con software capaz de calcular automáticamente la envolvente de aceleración, o se pueden transmitir a un centro de monitorización remoto para su posterior análisis.