Guía completa para la medición de vibraciones

ÍNDICE

1. ¿Qué es la vibración?
2. ¿Cómo se originan las vibraciones?
3. Cómo cuantificar el nivel de vibración
4. Parámetros de las vibraciones: aceleración, velocidad y desplazamiento

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MEDICIÓN DE VIBRACIONES
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¿Qué es la vibración?

Se dice que un cuerpo vibra cuando describe un movimiento oscilante con respecto a una posición de referencia. La frecuencia es el número de veces que se produce un ciclo de movimiento completo durante un periodo de un segundo, y se mide en hercios (Hz).

Ese movimiento puede consistir en un solo componente que vibra con una frecuencia dada, como es el caso de un diapasón, o puede consistir en varios componentes que se mueven simultáneamente a diferentes frecuencias; es lo que ocurre, por ejemplo, con el movimiento de los pistones de un motor de combustión interna.

En la práctica, las señales de vibración suelen estar formadas por muchas frecuencias que se producen simultáneamente. Por tanto, solo con mirar un patrón de amplitud con respecto al tiempo no podemos saber de forma inmediata cuántos componentes vibran y con qué frecuencias.

Para distinguir los distintos componentes, es preciso representar la amplitud de vibración con respecto a la frecuencia. Un análisis en frecuencia es la descomposición de las señales de vibración en componentes de frecuencia individuales. Esta técnica puede considerarse la piedra angular de las medidas de vibración que se realizan con fines de diagnóstico. El gráfico que muestra los niveles de vibración en función de la frecuencia se denomina espectrograma de frecuencia.

Cuando hacemos un análisis en frecuencia de las vibraciones de una máquina, normalmente encontramos varios componentes de frecuencia prominentes, que aparecen de forma periódica y que guardan una relación directa con los movimientos fundamentales de distintos elementos de la máquina. Por tanto, al análisis en frecuencia permite identificar el origen de las vibraciones indeseables.

 

¿Cómo se originan las vibraciones?

En la práctica, es muy difícil evitar las vibraciones. Suelen deberse a los efectos dinámicos de las tolerancias de fabricación, a las holguras, al contacto por rodadura y fricción entre piezas de una máquina, y a desequilibrios de fuerzas en elementos giratorios y de movimiento alternativo. A menudo, una vibración insignificante puede excitar frecuencias de resonancia en otros elementos estructurales y amplificarse hasta el punto de convertirse en una fuente de ruido o vibración importante.

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En otros casos, las vibraciones mecánicas pueden resultarnos útiles. Por ejemplo, hay máquinas como los alimentadores de componentes, los compactadores de hormigón, los baños de limpieza por ultrasonidos, los martillos perforadores de roca o las máquinas de hincar pilotes, que funcionan mediante vibraciones generadas de forma intencionada. Lo mismo ocurre con las máquinas de ensayo de vibraciones, que se utilizan ampliamente para aplicar un nivel controlado de energía de vibración a un producto o a un subconjunto, con el fin de examinar su respuesta física o funcional y determinar su grado de resistencia a los entornos en los que hay vibraciones presentes.

Todos los estudios de vibraciones tienen algo en común, tanto si se aplican al diseño de máquinas que utilizan la energía de vibración o a la construcción y el mantenimiento de aparatos mecánicos que deben funcionar con fluidez: siempre hay que hacer medidas y análisis para describir las vibraciones con precisión.

 

Cómo cuantificar el nivel de vibración

La amplitud de la vibración, que es la característica que describe su magnitud, puede cuantificarse de varias maneras. El diagrama de más abajo muestra la relación entre el nivel de pico a pico, el nivel pico, el nivel medio y el nivel RMS de una onda sinusoidal.

El valor de pico a pico es particularmente valioso porque indica la amplitud máxima de la onda. Resulta útil, por ejemplo, cuando el desplazamiento vibratorio de un componente de una máquina es un factor crítico a efectos de la tensión máxima que admite o a la hora de dimensionar holguras mecánicas.

El valor pico resulta muy útil para indicar el nivel de los impactos de corta duración. No obstante, como se puede apreciar en el diagrama, los valores pico solo indican cuál es el nivel máximo, sin tener en cuenta el histórico temporal de la onda.

En cambio, el valor medio rectificado sí que tiene en cuenta ese histórico temporal, aunque su interés práctico es limitado porque no guarda una relación directa con ninguna magnitud física útil.

El valor cuadrático medio o RMS es la medida de amplitud más relevante porque tiene en cuenta el histórico temporal de la onda y, además, da un valor de amplitud que está relacionado directamente con el contenido de energía y, por tanto, con la capacidad destructiva de la vibración.

 

Aceleración, velocidad y desplazamiento

Unidades de medida

En el ejemplo del diapasón que vibra, la amplitud de la onda es el desplazamiento físico de los dientes del diapasón a ambos lados de la posición de reposo. Pero, aparte del desplazamiento, también podemos describir el movimiento de los dientes de un diapasón mediante su velocidad y aceleración. La forma y el periodo de la vibración son los mismos, con independencia de que estudiemos el desplazamiento, la velocidad o la aceleración. La principal diferencia es el desfase que existe entre las curvas amplitud-tiempo de los tres parámetros, tal y como se muestra en el diagrama de más abajo.

En el caso de las señales sinusoidales, las amplitudes de desplazamiento, velocidad y aceleración se pueden relacionar matemáticamente en términos de la frecuencia y el tiempo, como se muestra gráficamente en el diagrama. Si despreciamos la fase, como ocurre en las medidas de promedios temporales, se puede calcular el nivel de velocidad dividiendo la señal de aceleración por un factor proporcional a la frecuencia. Del mismo modo, se puede calcular el desplazamiento dividiendo la señal de aceleración por un factor proporcional al cuadrado de la frecuencia. Los instrumentos de medida realizan internamente estas operaciones.

Los parámetros de vibración se miden de forma casi universal empleando las unidades métricas ISO que se muestran en la tabla. Sin embargo, es muy habitual utilizar el valor de la gravedad "g" (o quizás más correctamente "g_n") para expresar la aceleración, aunque no forma parte del sistema ISO de unidades coherentes. De todos modos, 1g es prácticamente 10 m/s2 (9,80665); es muy fácil hacer una conversión mental con un error inferior al 2%.

Selección de parámetros de aceleración, velocidad o desplazamiento

El hecho de detectar la aceleración vibratoria no nos limita a trabajar solo con ese parámetro. La señal de aceleración puede convertirse en velocidad y desplazamiento. Además, la mayoría de los vibrómetros modernos son capaces de medir los tres parámetros.

Cuando obtenemos una medida de vibración en una banda de frecuencia muy amplia, la elección del parámetro es importante si la señal tiene componentes en distintas frecuencias. La medida del desplazamiento da un mayor peso a los componentes de baja frecuencia. A la inversa, las medidas de aceleración dan más peso a los componentes de alta frecuencia.

La experiencia ha demostrado que, en el caso de máquinas rotativas, el valor RMS total de velocidad de vibración, medido en un intervalo de 10 a 1000 Hz proporciona la mejor indicación de la intensidad de una vibración. Una explicación probable de ello es que un nivel dado de velocidad se corresponde con un determinado nivel de energía; y, desde el punto de vista de la energía de vibración, las vibraciones a altas y bajas frecuencias se ponderan por igual En la práctica, muchas máquinas tienen un espectro de velocidad razonablemente plano.

Cuando se lleva a cabo un análisis en frecuencia en una banda estrecha, la elección de un parámetro u otro solo tiene reflejo en la inclinación de la gráfica o representación, lo cual nos lleva a una consideración práctica que puede influir en la elección del parámetro. Conviene seleccionar el parámetro que ofrezca el espectro de frecuencias más plano para explotar al máximo el rango dinámico del instrumento (es decir, la diferencia entre el valor más pequeño y el más grande que se pueden medir). Ese es el motivo por el que se suele seleccionar la velocidad o la aceleración como parámetro para el análisis en frecuencia.

Y, como las medidas de aceleración dan más peso a los componentes de alta frecuencia de la vibración, son las que suelen emplearse si el rango de frecuencias de interés abarca frecuencias altas.

En los sistemas mecánicos solo se producen desplazamientos apreciables a bajas frecuencias; por este motivo, las medidas de desplazamiento tienen un valor limitado en el estudio general de las vibraciones mecánicas. Ahora bien, cuando existen holguras reducidas entre los elementos de una máquina, el desplazamiento vibratorio es, desde luego, una consideración importante. El desplazamiento se utiliza a menudo como un indicador de desequilibrio entre las piezas de las máquinas rotativas. El motivo de ello es que suelen aparecer desplazamientos relativamente grandes a la frecuencia de rotación del eje, que es también la frecuencia de mayor interés a efectos del equilibrado.