Cómo identificar fallas mediante el análisis espectral

El análisis de vibraciones es una de las técnicas más extendidas y eficaces en la detección de posibles fallas en los equipos rotativos y forma parte del mantenimiento predictivo, como se puede ver en la conocida curva DIPF (Figura 1 ), que presenta las diferentes fases por las que pasa un activo industrial, desde su diseño hasta el final de su vida útil.

La curva DIPF es una generalización de la curva PF, que también considera la fase de diseño y puesta en marcha del equipo.

Existen varias opciones tecnológicas para la obtención de datos sobre vibraciones en los equipos industriales. En este artículo hablaremos de la recolección de datos mediante sensores inalámbricos montados de forma fija en los componentes críticos de la maquina.

Este tipo de dispositivo de medición permite generalmente la recolección de datos de dos naturalezas: datos globales o continuos, así como también datos espectrales.

Los datos globales permiten un control básico de los niveles de funcionamiento de una máquina, señalando rápidamente cualquier desviación del estándar previsto. A continuación, se muestra un ejemplo de este caso.

Con el uso de los sensores inalámbricos Dynamox, el cliente pudo percibir claramente la evolución en la vibración del motor, con un aumento significativo de los niveles de velocidad RMS en el eje axial del sensor instalado en el lado acoplado de este equipo.

Aunque es importante para la detección rápida de desviaciones y con una capacidad muy visual para mostrar cuándo algo está fuera del funcionamiento normal en un punto supervisado, este tipo de gráfico a menudo no es suficiente para señalar cuál es el modo de la falla, es decir, cuál es la causa raíz del problema.

Para llegar a este nivel de detalle, entra en juego la recolección y el análisis de datos espectrales. Este tipo de datos permite, por lo general, realizar un diagnóstico más certero sobre el tipo de la falla y su gravedad. De este modo, el equipo de mantenimiento puede planificar y ejecutar las acciones correctivas que considere más adecuadas.

¿Cómo aparecen las fallas en el Análisis Espectral?

El análisis espectral consiste en investigar las señales en el dominio de la frecuencia mediante la Transformada de Fourier aplicada a la señal obtenida originalmente en el dominio del tiempo (forma de onda).

La propia forma de onda (señal en el tiempo) contiene información relevante para analizar el estado de un componente y puede ser utilizada por los analistas.

La forma de onda está representada por una suma de senos y cosenos de diferentes frecuencias y amplitudes y, tras su procesamiento, da lugar al espectro de esta señal.

La presencia de frecuencias dominantes en el espectro, o la concentración de energía en bandas de frecuencia, puede indicar la existencia de fallas. Cada tipo de falla se manifiesta de forma diferente en los gráficos de análisis y modifica la firma espectral de la máquina.

A continuación, mostraremos algunos ejemplos, empezando por un fallo de desequilibrio presente en un motor evaluado con el sistema de monitorización Dynamox.

Se trata de un motor que opera cerca de las 3600 RPM y presentó evolución en los niveles de vibración en el mes de agosto de 2021. Analizando con más detalle la forma de onda y el espectro obtenido del sensor instalado en el lado acoplado, fue posible comprobar la causa principal del problema.

Esta es la forma de onda original obtenida, en tiempo, transformada a velocidad. Al convertirlo al dominio de la frecuencia, el alto predominio de la vibración se puede ver en la frecuencia de rotación del equipo, en este caso 3492 RPM, o 58,20 Hz, como se puede ver en la imagen de abajo.

El predominio y los altos niveles de vibración en la velocidad de rotación de la máquina (en su primer armónico) es precisamente la forma en que se presenta generalmente el desequilibrio.

Este tipo de fallo está más presente en los ejes vertical y horizontal, y es menos activo en el eje axial.

Este ejemplo muestra exactamente este caso, en el que predomina la vibración horizontal (color azul), seguida de la vibración vertical (color amarillo) y prácticamente ninguna vibración en el eje axial (color rosa).

Además, analizando el historial de esta máquina, se puede ver la evolución del desequilibrio en el tiempo a través de la cascada de espectros de velocidad RMS.

Veamos otros ejemplos:

La siguiente figura muestra el espectro en el punto de control del rodamiento de un motor eléctrico. Se observa de forma destacada un pico a unos 40 Hz, que corresponde a 2 veces la frecuencia de rotación del eje.

También se aprecia la presencia de la frecuencia de 1 x RPM, aunque con menor intensidad que la de 2 x RPM. Esta característica en un espectro indica una desalineación paralela en el eje de transmisión.

Esto da lugar a esfuerzos del campo magnético del motor, evidenciados en el espectro por la excitación en las frecuencias de ranura del rotor (a 1080 Hz) y del estator (a 1500 Hz), junto con bandas laterales en la frecuencia de rotación del eje.

Otra falla bastante común es la aparición de grietas en los dientes de las cajas de cambios. En este caso, la gravedad del fallo puede determinarse en función de la presencia de armónicos de la frecuencia del engranaje, como se muestra en la figura siguiente.

Además, los dientes agrietados generan modulaciones en la frecuencia del engranaje en relación con la rotación del defectuoso. Así, otro síntoma será la presencia de bandas laterales de la rotación de la cremallera dañada con muchos armónicos.

El Marcador de Armónicos permite identificar con precisión la ubicación de estos, con una frecuencia fundamental de 343,75 Hz.

La identificación de un engranaje defectuoso puede realizarse en función del espaciado de las bandas laterales en torno a la frecuencia de este.

El marcador de banda lateral permite identificar que las bandas laterales están espaciadas a 5,08 Hz, lo que corresponde a la velocidad de rotación del eje de salida, y por lo tanto corresponde a un fallo del engranaje de salida.

¿Qué hacer cuando el fallo no aparece en el espectro?

En algunos casos, la falla puede no ser tan visible en la forma de onda o del espectro, lo que requiere herramientas de procesamiento de señales más avanzadas.

Por ejemplo, las frecuencias de los fallos de los rodamientos pueden quedar enmascaradas por otros componentes de la máquina, lo que dificulta el diagnóstico. Tomemos, por ejemplo, la forma de onda de un cojinete de rodamiento de un motor en la siguiente figura.

El espectro revela la presencia de varios picos y armónicos en diferentes frecuencias, pero la aplicación del marcador de frecuencia de la falla de rodamiento revela amplitudes muy bajas en estas.

En este contexto, es posible realizar la demodulación de la señal mediante la técnica de la envolvente, que consiste en obtener la envolvente de la forma de onda después de aplicar un filtro pasa banda. La plataforma web DynaPredict dispone de diferentes frecuencias de filtrado para garantizar el mejor diagnóstico de fallas.

Como se muestra en la figura siguiente, el espectro de esta envolvente revela la presencia de armónicos en la frecuencia de falla de la pista exterior del rodamiento, lo que exige el seguimiento de la evolución de este tipo de fallos. Puede encontrar más información sobre la detección de fallos en los rodamientos en este artículo.

La técnica envolvente está disponible en la plataforma web DynaPredict, junto con un banco de frecuencias de fallo (BPFO, BPFI, BSF y FTF) de casi 70.000 rodamientos de diferentes marcas y modelos, lo que permite añadir marcadores de frecuencia al espectro para facilitar la interpretación de los resultados.

¿Cómo configurar la recogida de datos espectrales?

Un análisis espectral exitoso sólo es posible con una configuración espectral adecuada. Esto repercute no sólo en la calidad de la señal obtenida, sino también en la capacidad del espectro para proporcionar indicaciones relevantes para el diagnóstico de los equipos.

El rango dinámico debe seleccionarse en función de los niveles de amplitud previstos en el activo industrial.

Los valores de rango dinámico bajos pueden dar lugar a señales saturadas de manera que no se capte la evolución de las fallas.

Por el contrario, los valores de rango dinámico elevados en activos que, incluso en presencia de fallas, no alcanzan esos niveles de vibración, pueden dar lugar a señales con baja resolución, es

decir, con poca capacidad para distinguir diferentes niveles de amplitud, lo que perjudica la calidad del espectro.

Puede encontrar más detalles sobre el ajuste óptimo del rango dinámico de su Dynalogger (sensores Dynamox) en este artículo.

La frecuencia de muestreo determina la máxima frecuencia identificable en el espectro: la frecuencia de Nyquist.

Por lo tanto, para los activos que tienen modos de fallo que se manifiestan con alta frecuencia, es deseable la mayor frecuencia de muestreo posible.

En otros casos, los modos de falla más críticas pueden ocurrir a frecuencias más bajas, por lo que una frecuencia de muestreo más baja sigue siendo adecuada. Esto permite aumentar el tiempo de duración de la obtención y, en consecuencia, aumentar la resolución espectral, es decir, la capacidad de distinguir entre distintas frecuencias en el espectro.

La combinación de la frecuencia de muestreo y el tiempo de duración de la toma determina el número de líneas del espectro, como se ve en este artículo.

DynaLoggers

En la familia de sensores inalámbricos de vibración y temperatura de Dynamox, existen diferentes Dynaloggers preparados para satisfacer las demandas más específicas y los tipos de máquinas. Los Dynaloggers permiten identificar las averías. Encontrará más información técnica sobre los Dynaloggers en las fichas técnicas de los productos.

Dynamox ofrece asesoramiento para la compra del sensor inalámbrico adecuado para realizar el análisis espectral y la identificación de fallos en equipos específicos y proporciona asistencia al cliente para el mejor uso de la plataforma web DynaPredict y sus funciones.

Póngase en contacto con nosotros hoy mismo y solicite una cotización.

Los sensores de Dynamox, los Dynaloggers, tienen la posibilidad de recoger niveles globales, para monitorizar el estado de los equipos, y también recoger datos espectrales, que se envían a la Plataforma Web DynaPredict, mediante la App o en un proceso automatizado vía Gateway.

La recogida de datos espectrales es configurable para cada Dynalogger. En este caso, es necesario seleccionar los ejes que se van a controlar, la frecuencia de muestreo, el rango dinámico de la señal y la duración de la recogida.

Con los datos disponibles en la Plataforma, el usuario puede ver el análisis espectral solicitado para cada activo monitorizado. Las recogidas realizadas se ponen a disposición junto con el seguimiento continuo de la velocidad, la aceleración y la temperatura en la página de cada equipo, como se ve en la figura 1.

De este modo, al observar cualquier tendencia al alza en la monitorización continua, el usuario puede acceder rápidamente a los análisis espectrales correspondientes a ese periodo para realizar el diagnóstico de salud del activo, identificar un posible fallo y planificar el mantenimiento.

Este análisis puede realizarse para cualquier tipo de equipo, como motores, reductores, rodamientos, bombas, entre otros.