Eliminación de la vibración excesiva de los equipos giratorios: Guía de diagnóstico UNITEC-D

1. Problema y ámbito de aplicación

La vibración excesiva de los equipos giratorios es un indicador crítico de posibles fallos de funcionamiento que pueden provocar paradas de producción no planificadas, pérdidas financieras importantes, degradación de la calidad del producto y, lo más importante, amenazas a la seguridad del personal. Este manual de UNITEC-D está diseñado para diagnosticar y eliminar sistemáticamente las principales causas del aumento de la vibración y abarca una amplia gama de equipos rotativos industriales, incluidas bombas, ventiladores, motores eléctricos, compresores, cajas de engranajes y turbinas utilizadas en la industria ucraniana.

Clasificación de la gravedad de las vibraciones según DSTU ISO 10816-1:2004:

• Crítico: El nivel de vibración que excede los límites superiores de los valores permitidos (Zona D) requiere el apagado inmediato del equipo y la resolución de problemas.
• Significativo: El nivel de vibración en la zona C requiere una parada planificada del equipo para diagnóstico y reparación. El funcionamiento prolongado en esta zona reduce la vida útil de los componentes.
• Menor: El nivel de vibración en la zona B indica la presencia de un mal funcionamiento que puede progresar. Se recomienda un seguimiento mejorado.

La identificación oportuna y precisa de la causa raíz de la vibración es la clave para un funcionamiento confiable y seguro del equipo.

2. Precauciones

Antes de iniciar cualquier trabajo de diagnóstico o reparación con equipos rotativos, se deben seguir estrictas reglas de seguridad. Ignorar estas precauciones podría provocar lesiones graves o la muerte.

LA SEGURIDAD DEL PERSONAL ES NUESTRA PRIORIDAD

• Bloqueo/Etiquetado (LOTO): SIEMPRE aísle y bloquee todas las fuentes de energía (eléctrica, hidráulica, neumática) del equipo. Utilizar procedimientos LOTO estándar de acuerdo con la normativa interna de la empresa. Verifique el voltaje y la presión residual.
• Energía almacenada: tenga en cuenta la energía potencialmente almacenada en resortes, acumuladores hidráulicos, volantes y gases presurizados. Asegúrese de que todas estas fuentes de energía estén descargadas o bloqueadas de forma segura.
• Equipo de protección personal (EPI): Utilice EPI adecuados: gafas de seguridad (DSTU EN 166), guantes (DSTU EN 388), calzado de protección (DSTU EN ISO 20345), protección auditiva (DSTU EN 352).
• Superficies calientes y alta presión: Maneje con cuidado el equipo que opera a altas temperaturas o presiones. Utilice cámaras termográficas y manómetros para evaluar las condiciones.
• Partes giratorias: NUNCA trabaje cerca de piezas giratorias sin cubiertas protectoras.
• Consultar: Si tiene dudas sobre la seguridad, consulte a un ingeniero superior o a un especialista en seguridad y salud ocupacional.

3. Herramientas de diagnóstico necesarias

El diagnóstico eficaz de vibraciones requiere un determinado conjunto de herramientas. Su correcta aplicación permite obtener datos precisos para su análisis.

4. Lista de verificación de evaluación inicial

Antes de iniciar un diagnóstico detallado, es necesario recopilar la mayor cantidad de información posible sobre las condiciones de funcionamiento y el historial del equipo. Esto reducirá la gama de causas potenciales.

5. Flujo sistemático de diagnósticos

El diagnóstico de vibraciones requiere un enfoque sistemático, comenzando con la medición del nivel general y pasando a un análisis espectral detallado para identificar las frecuencias dominantes.

1. Mida el nivel general de vibración:
   • Utilice un analizador de vibraciones para medir la velocidad de vibración (mm/s RMS) en los soportes de los rodamientos en tres direcciones (horizontal, vertical, axial).
   • Compare los valores obtenidos con los umbrales permitidos según DSTU ISO 10816-1 para la clase de máquina correspondiente.
   • Si el nivel total de vibración excede la zona B (falla menor) o C (falla significativa): Vaya al paso 2.
   • En caso contrario: El problema probablemente no esté relacionado con la vibración mecánica o su nivel sea insignificante. Monitoreo mejorado.
2. Realice análisis de espectro (FFT) y análisis de señales de tiempo:
   • Recopile espectros de vibración (gráfico de amplitud de vibración versus frecuencia) y señal de tiempo (gráfico de amplitud versus tiempo) en cada conjunto de rodamientos en las tres direcciones.
   • Determine la velocidad de rotación del equipo (1X RPM) usando un tacómetro.
   • Analizar los espectros para detectar la presencia de frecuencias dominantes y sus armónicos:
   • 1. IF está dominado por 1X RPM (velocidad de rotación del rotor) con alta amplitud:
        • ENTONCES Verifique el desequilibrio:
          • La amplitud IF de 1X RPM es alta en direcciones radiales (horizontal/vertical) y varía proporcionalmente con la velocidad.
          • ENTONCES Causa probable: Desequilibrio. Pasar al diagnóstico de desequilibrio (párrafo 7.1).
        • ENTONCES Verifique si hay desalineación:
          • SI la amplitud de 1X RPM es alta en la dirección axial, o si 1X RPM y 2X RPM son altas en las direcciones radiales.
          • ENTONCES Causa probable: Discordancia. Ir al diagnóstico de discordancia (párrafo 7.2).
     2. IF dominado por 2X RPM (dos veces la velocidad del rotor) con alta amplitud:
        • ENTONCES Verifique si hay desalineación (angular/paralela):
          • La amplitud IF de 2X RPM es mucho mayor que 1X RPM en direcciones radiales, o si 2X RPM es alta en dirección axial.
          • ENTONCES Causa probable: Discordancia. Ir al diagnóstico de discordancia (párrafo 7.2).
     3. SI hay armónicos altos (3X, 4X RPM y superiores) o subarmónicos (0,5X RPM):
        • ENTONCES Compruebe si hay holgura:
          • SI las amplitudes armónicas no son lineales o aparecen subarmónicos, así como ruido en la señal de sincronización.
          • ENTONCES Causa probable: Aflojamiento mecánico. Pasar al diagnóstico de aflojamiento (párrafo 7.5).
     4. SI hay frecuencias características de los rodamientos (BPFI, BPFO, FTF, BSF) o altas frecuencias moduladas en amplitud:
        • ENTONCES Verifique si hay defectos en los rodamientos:
          • Utilice un análisis de pulso de choque (SPM, PeakVue) o un detector ultrasónico para confirmar.
          • ENTONCES Causa probable: Defectos en rodamientos. Pasar a diagnóstico de defectos en rodamientos (cláusula 7.3).
     5. SI hay vibración de alta amplitud a una frecuencia que no es un armónico de la velocidad de rotación, pero que está cerca de ella o es constante:
        • ENTONCES Verifique la resonancia:
          • Realice una prueba de aceleración/aceleración o de choque para determinar las frecuencias naturales.
          • ENTONCES Causa probable: Resonancia. Ir al diagnóstico de resonancia (párrafo 7.4).

6. Matriz "Fallo-Causa"

Esta matriz proporciona una descripción general rápida de los síntomas de vibración comunes, sus causas probables y pruebas de diagnóstico.

7. Análisis de la causa raíz de cada mal funcionamiento

7.1. Desequilibrio del rotor

Por qué ocurre: El desequilibrio es una distribución desigual de la masa del rotor en relación con su eje de rotación. Esto puede deberse a defectos de fabricación, acumulación desigual de contaminantes (por ejemplo, polvo en el ventilador, incrustaciones en el rotor de la bomba), erosión o corrosión del material y reparación o reemplazo incorrectos de componentes sin mayor equilibrio. Por ejemplo, reparar las aspas de un ventilador sin restablecer el equilibrio inicial.

Cómo confirmarlo: El indicador principal es una vibración dominante a 1X RPM en la dirección radial, que aumenta proporcionalmente con la velocidad de rotación. El análisis de fase muestra una fase de vibración estable. Realizar una prueba con la adición de una masa de prueba y analizar el cambio en la vibración le permite determinar cuantitativamente la magnitud y el ángulo del desequilibrio.

Daños si no se corrige: El desequilibrio prolongado genera una mayor tensión en los rodamientos y sellos, lo que acorta su vida útil, provoca fallas en los sujetadores, fatiga estructural del marco y la base, y puede provocar fallas en el eje y otras fallas catastróficas. La vibración de 15-20 mm/s RMS para máquinas estándar de tamaño mediano ya es crítica.

7.2. Desalineación de ejes (acoplamiento)

Por qué ocurre: La desalineación es una desviación de los centros de los ejes o los ángulos de sus ejes de la alineación ideal. Puede ser paralelo (desplazamiento de centros), angular (desplazamiento de esquinas) o combinado. Las causas típicas son: mala instalación, deformación del marco o de la base bajo carga, expansión térmica de los componentes durante el funcionamiento, "pie blando" (contacto desigual entre el soporte y la base) y asentamiento de la base.

Cómo confirmar: Los indicadores principales son amplitudes de vibración altas a 1X RPM y 2X RPM. La desalineación paralela suele estar dominada por 1X RPM en la dirección radial, mientras que la desalineación angular suele estar dominada por 2X RPM en la dirección radial y/o 1X RPM en la dirección axial. Medir con un sistema de nivelación láser (más preciso que los indicadores tipo reloj) permite cuantificar la desviación y el tipo de desalineación. Una desviación de más de 0,05 mm es inaceptable para la mayoría de las máquinas industriales.

Daños si no se corrige: La desalineación provoca tensión cíclica en los rodamientos, acoplamientos y sellos, lo que provoca un desgaste acelerado, sobrecalentamiento y fallas prematuras. También aumenta el consumo de energía del motor y puede provocar daños en los ejes.

7.3. Defectos de los rodamientos

Por qué ocurre: Los defectos en los rodamientos son una de las causas más comunes de vibración. Pueden ser causados ​​por fatiga del material (descantillado), instalación incorrecta (cargas de impacto, desalineación), lubricación insuficiente o excesiva, contaminación del lubricante con partículas extrañas, erosión eléctrica (corriente que pasa a través del rodamiento), carga excesiva o sobrecalentamiento.

Cómo confirmar: Un rasgo característico es la aparición en el espectro de vibración de frecuencias específicas de defectos en los rodamientos: BPFI (defecto en la pista de rodadura del aro interior), BPFO (defecto en la pista de rodadura del anillo exterior), FTF (defecto en el separador), BSF (defecto en el cuerpo rodante). Estas frecuencias se calculan en función de la geometría del rodamiento y la velocidad de rotación. Para una detección temprana son eficaces los métodos de análisis de impulsos de choque (SPM, PeakVue) o la monitorización ultrasónica, que detectan los impulsos de alta frecuencia generados cuando los elementos rodantes entran en contacto con defectos. Un nivel de SPM de más de 15 a 20 dB con respecto al valor inicial es alarmante.

Daños si no se corrigen: La progresión de los defectos de los rodamientos provoca un aumento de la vibración, sobrecalentamiento, falla del separador, agarrotamiento de los rodamientos y, como resultado, falla del eje o del rotor.

7.4. resonancia

Por qué ocurre: La resonancia ocurre cuando la frecuencia de excitación (por ejemplo, velocidad de operación, frecuencia de la hoja/diente, frecuencia eléctrica) coincide con una de las frecuencias naturales (naturales) del sistema o su componente (bastidor, eje, base). Esto conduce a un aumento significativo de la amplitud de vibración incluso con una fuerza de excitación relativamente pequeña. Motivos: cambio de rigidez o masa de la estructura, elección incorrecta de la velocidad de funcionamiento, cambio de las características dinámicas de la cimentación.

Cómo confirmarlo: Vibración de alta amplitud a una frecuencia específica que puede ser inarmónica hasta 1X RPM. Para confirmarlo, se utiliza una prueba de aceleración/deceleración, durante la cual el equipo se acelera o se detiene suavemente y se registra la vibración. Un pico de vibración significativo a una determinada velocidad de rotación indica el paso de la frecuencia de resonancia. También se utiliza una prueba de impacto (Impact Test) para determinar las frecuencias naturales de la estructura.

Daños si no se corrige: La resonancia provoca una rápida fatiga estructural, fallas de soldaduras, sujetadores, aflojamiento de pernos, grietas en el marco y los cimientos, lo que puede causar fallas catastróficas en el equipo.

7.5. Holgura Mecánica

Por qué ocurre: El aflojamiento mecánico es una pérdida de rigidez o confiabilidad de la fijación de un componente, lo que le permite "golpear" o vibrar de manera no lineal. Esto puede deberse a pernos de montaje flojos (cimientos, conjuntos de cojinetes, carcasas), grietas en el marco o los cimientos, asientos de cojinetes desgastados o holguras excesivas en los cojinetes lisos. A menudo es consecuencia de otras disfunciones (desequilibrio, falta de conciencia) que han progresado.

Cómo confirmarlo: Los síntomas de vibración en el espectro de vibración a menudo incluyen la presencia de subarmónicos (0,5X RPM), armónicos altos (2X, 3X RPM y más) y cambios en la amplitud de la vibración según la carga. El análisis de la señal horaria muestra ráfagas de impulsos o cortes en la señal. Una inspección visual de los sujetadores, su ajuste y el uso de una prueba de impacto de martillo pueden ayudar a localizar la fuente del aflojamiento. Una cámara térmica puede detectar sobrecalentamiento en áreas de mayor fricción.

Daños si no se corrige: El aflojamiento provoca desgaste progresivo, deformación de los componentes, falla de los sujetadores, desalineación de los ejes y, como resultado, falla de los sellos, cojinetes, ejes y otros componentes críticos.

8. Procedimientos de solución de problemas paso a paso

8.1. Eliminación del desequilibrio

1. Preparación: Aislar el equipo (LOTO). Inspeccione visualmente el rotor en busca de suciedad, daños y piezas faltantes. Limpiar el rotor.
2. Medición: Mida la vibración inicial a 1X RPM.
3. Equilibrio: Aplicar el método de equilibrio dinámico en sitio (según DSTU ISO 1940-1). Para la mayoría de las máquinas industriales, la clase de calidad G6.3 es aceptable, para máquinas de alta precisión: G2.5 o G1.0.
4. Prueba de funcionamiento: agregue masa de prueba, mida el cambio en la vibración.
5. Corrección: Calcula la masa de corrección necesaria y su posición. Instale la masa en el rotor.
6. Verificación: Mida la vibración nuevamente. El nivel de velocidad de vibración debe ser inferior a 4,5 mm/s RMS para una máquina de tamaño mediano (Clase II).

8.2. Eliminación del desconocimiento

1. Preparación: Aislar el equipo (LOTO). Limpiar las superficies de apoyo, comprobar el desgaste de los acoplamientos.
2. Revisión suave de las patas: verifique todas las patas del motor/bomba usando un indicador de cuadrante o un sistema láser. Si la desviación al apretar el perno supera los 0,05 mm, ajuste la "pata suave" utilizando espaciadores calibrados.
3. Alineación: Utilice un sistema de alineación de eje láser para ajustar con precisión la posición del motor en relación con la bomba/caja de cambios. Observe las tolerancias especificadas por el fabricante del acoplamiento o recomendadas por las normas (por ejemplo, 0,02-0,05 mm para la mayoría de los acoplamientos a 1500 rpm).
4. Verificación: Después de la alineación, apriete todos los pernos al par especificado en la documentación y mida la vibración nuevamente. Las amplitudes a 1X y 2X RPM en las direcciones radial y axial deben reducirse significativamente.

8.3. Eliminación de defectos de rodamientos.

1. Preparación: Aislar el equipo (LOTO). Velar por la limpieza del área de trabajo.
2. Extracción: Retire con cuidado el conjunto del cojinete utilizando una herramienta especial (extractores) para evitar daños al eje y la carcasa.
3. Inspección: Inspeccione cuidadosamente el eje, la carcasa del cojinete y los asientos en busca de desgaste, corrosión y rebabas.
4. Instalación de un rodamiento nuevo:
   • Utilice únicamente rodamientos UNITEC-D originales o certificados.
   • La instalación se realiza mediante calentamiento (calentador de inducción) o con prensa, utilizando herramientas de instalación especiales. NUNCA golpee la pista exterior o interior de un rodamiento sin un mandril adecuado.
   • Asegure el juego radial y axial correcto de acuerdo con las recomendaciones del fabricante del rodamiento.
5. Lubricación: Llene el rodamiento con el lubricante adecuado según las recomendaciones del fabricante (tipo, cantidad). Utilice jeringas y dispensadores recomendados.
6. Verificación: Después del reemplazo y lubricación, arranque el equipo, controle la vibración y la temperatura. El nivel de velocidad de vibración y los impulsos de choque deben corresponder a los valores normativos, la temperatura debe estabilizarse dentro del rango normal (normalmente < 70°C).

8.4. Eliminación de resonancia

1. Preparación: Aislar el equipo (LOTO).
2. Determinación de la frecuencia natural: Realizar una prueba de impacto (Impact Test) en varios puntos de la estructura para determinar las frecuencias naturales.
3. Modificación de diseño:
   • Cambio de rigidez: Añadir o reforzar elementos de soporte, aumentar el espesor de las placas, instalar tirantes adicionales. El objetivo es alejar la frecuencia natural de la frecuencia de excitación operativa (mínimo un 20%).
   • Cambio de masa: Agregue o reduzca la masa del componente resonante. Esto también cambiará la frecuencia natural.
   • Cambiar la velocidad de funcionamiento: Si es posible y económicamente justificado, cambiar la velocidad de funcionamiento del equipo para evitar solapamiento con la frecuencia natural.
4. Verificación: Después de realizar los cambios, repita la prueba de choque y la prueba de aceleración/inercia para confirmar el cambio en las frecuencias naturales. Arranque el equipo y verifique el nivel de vibración.

8.5. Eliminación de sacudidas mecánicas

1. Preparación: Aislar el equipo (LOTO).
2. Localización: mediante un analizador de vibraciones, una prueba de impacto y una inspección visual, identifique el origen de la sacudida.
3. Apretado de elementos de fijación: Apriete todos los tornillos y tuercas aflojados al par especificado en la documentación técnica (por ejemplo, 120 Nm para tornillos M16 de clase de resistencia 8.8).
4. Reparación de daños:
   • Si se encuentran grietas en el marco/cimiento: soldar, fortalecer la estructura de acuerdo con los cálculos y estándares de ingeniería.
   • Si los asientos de los cojinetes están desgastados: restaurar los asientos (pulverización, casquillos) o sustituir el alojamiento/eje.
   • Si las holguras en los cojinetes deslizantes son excesivas: ajuste las holguras o reemplace los casquillos.
5. Verificación: Poner en marcha el equipo y repetir las medidas de vibraciones, prestando especial atención a los armónicos y a la señal horaria. La vibración debe corresponder a la norma.

9. Medidas preventivas

El mantenimiento preventivo es la clave para un funcionamiento prolongado y confiable de los equipos rotativos.

10. Repuestos y Componentes

UNITEC-D GmbH es un proveedor confiable de repuestos de alta calidad para equipos rotativos. El uso de componentes certificados es fundamental para garantizar la fiabilidad y durabilidad de la reparación. A continuación se muestran grupos típicos de repuestos.

Para realizar pedidos y recibir información detallada sobre la gama de repuestos UNITEC-D, visite nuestro Catálogo electrónico UNITEC-D.

11. Enlaces

• DSTU ISO 10816-1:2004 Vibración mecánica. Evaluación de vibraciones de máquinas a partir de los resultados de mediciones en piezas no giratorias.
• DSTU ISO 1940-1:2007 Vibración. Requisitos para la calidad del equilibrio de rotores sólidos.
• DSTU ISO 15243:2009 Rodamientos. Daños y renuncias. Terminología, clasificación e ilustraciones.
• EN 15417-1:2008 Alineación de máquinas. Parte 1: Métodos y tolerancias.
• Manuales de operación y mantenimiento de fabricantes de equipos (OEM).
• Normas internas UNITEC-D para diagnóstico y reparación de equipos.