Introducción

El análisis de las vibraciones en activos industriales es muy relevante para garantizar el funcionamiento seguro y eficiente de equipos y estructuras, además de ser extremadamente importante para salvaguardar la salud de los trabajadores y proporcionar un producto final de calidad. Este análisis tiene como objetivo promover la disponibilidad y la seguridad de la operación, ya que un activo en funcionamiento genera vibraciones que, si no se tratan adecuadamente, pueden reducir drásticamente la vida útil de la estructura o incluso provocar su colapso debido al acoplamiento de frecuencias.

Estos datos vibracionales suelen utilizarse junto con el análisis estructural mediante el método de los elementos finitos (MEF). método de los elementos finitos (MEF)que simula el comportamiento de equipos y estructuras sometidos a aceleraciones y vibraciones. Las mediciones de las vibraciones se utilizan para calibrar el modelo informático, estableciendo una comparación entre los datos teóricos y los experimentales con el fin de validar el modelo.

Este artículo presentará dos casos de éxito, cada uno de los cuales utiliza una metodología diferente para recoger y analizar las vibraciones: la acelerometría y la cámara de amplificación del movimiento.

Acelerometría

Metodología

La instrumentación acelerométrica se utiliza ampliamente en activos industriales para medir y controlar las vibraciones. Como su nombre indica, el método utiliza un acelerómetro, que es un dispositivo sensible a la aceleración que convierte la vibración mecánica en una señal eléctrica proporcional a la aceleración. La figura 1 muestra uno de estos sensores.

Figura 1: Modelo de acelerómetro - FUENTE: Kot Collection.

Estos sensores se fijan a las superficies de los bienes que deben vigilarse, y su colocación es sumamente importante para captar las vibraciones de interés. Una vez instalados, las vibraciones se registran a lo largo del tiempo, de modo que estos datos pueden recogerse tanto puntualmente, a intervalos específicos, como de forma continua.

Tras la recogida, las señales eléctricas generadas por los acelerómetros se procesan mediante un software específico, lo que permite extraer datos de vibración relevantes como la frecuencia, la amplitud y la forma de onda. A continuación, estos datos se interpretan, momento en el que se evalúan posibles patrones de vibración e incumplimientos de las normas aplicables, que pueden ser indicios de problemas como desalineación, desequilibrio o incluso holgura en componentes y estructuras.

Succes story

En uno de sus recientes servicios, Kot Engenharia realizó mediciones de vibraciones en un edificio de estructura metálica que forma parte de una planta minera. Este tipo de activo suele estar formado por diversos equipos cuyo funcionamiento da lugar a cargas dinámicas, en las que la magnitud, la dirección y la posición pueden variar con el tiempo. En consecuencia, las respuestas del activo en términos de desplazamiento, velocidad y aceleración también pueden variar, por lo que resulta extremadamente importante medir y recopilar datos de vibraciones para evaluar el estado estructural del edificio.

En este estudio, el cliente había notificado vibraciones excesivas en la estructura del edificio. A raíz de ello, se solicitó la realización de mediciones de vibraciones en el edificio, seguidas de un análisis estructural y, en caso necesario, de propuestas de cambios para remediar las vibraciones excesivas en la estructura.

Inicialmente, se tomaron mediciones con acelerómetros en algunos puntos de interés de la estructura para evaluar los niveles de vibración en vigas, pilares y bases de equipos. La figura 2 muestra uno de estos sensores una vez instalado.

Figura 2: Acelerómetro instalado - FUENTE: Kot Collection.

Las mediciones recogieron datos transversales, verticales y longitudinales, en los que se identificaron velocidades superiores a las permitidas por la norma para vibraciones de larga duración en edificios industriales. Estos datos se utilizaron para calibrar el modelo informático, que a su vez se utilizó para analizar la estructura del activo y proponer mejoras para ajustar los niveles de vibración. El Gif 1 muestra uno de los modos naturales de vibración investigados en el análisis modal y el Gif 2 muestra la variación de la velocidad con el tiempo en uno de los ejes.

Gif 1: Modos naturales de vibración - FUENTE: Colección Kot.

Gif 2: Variación de la velocidad en el tiempo - FUENTE: Kot Collection.

Como resultado, fue posible identificar que las principales vibraciones de la estructura procedían de un equipo específico. Se propusieron entonces refuerzos que, tras un nuevo análisis estructural, indicaron una mejora significativa de los niveles de vibración de la estructura.

Cámara de amplificación de movimiento

Metodología

Una de las metodologías desarrolladas recientemente para recopilar y procesar datos de vibraciones es el procesamiento de imágenes, un método asociado al uso de una cámara de alta velocidad responsable de generar grabaciones de vídeo que miden el desplazamiento real de la estructura. Estas grabaciones se procesan en un software específico y dan lugar a formas de onda y espectros de vibración a partir de los vídeos amplificados.

Una de las principales ventajas de esta metodología es que se pueden medir varios puntos simultáneamente, con el único requisito de que dichos puntos estén encuadrados en la misma imagen que se va a capturar. La cámara también elimina la necesidad de detener el equipo para instalar sensores, por lo que las mediciones se pueden realizar a una distancia segura del activo que se está evaluando.

Este método es capaz de realizar mediciones de alta precisión, utilizando un sistema compuesto por cámaras de alta resolución y alta velocidad, sistemas de iluminación, objetivos y ordenadores con un software específico. El software en cuestión transforma los píxeles de la imagen en "sensores", y estos puntos se analizan a continuación para obtener el espectro de vibración y la forma de onda. La figura 3 muestra a un profesional de Kot utilizando el equipo en cuestión para recoger datos sobre vibraciones.

Figura 3: Medición de vibraciones con una cámara de amplificación de movimiento - FUENTE: Colección Kot.

Estudio de caso de éxito

En una de las aplicaciones de esta metodología, uno de nuestros clientes solicitó la recogida de vibraciones en un edificio industrial que había sufrido algunas modificaciones. Tras la instalación de estas nuevas estructuras, el edificio comenzó a presentar vibraciones excesivas, por lo que se solicitó una evaluación del estado estructural del activo en estas condiciones, con la propuesta de mejoras para adecuar los niveles de vibración a los permitidos por la norma, si fuera necesario.

Como resultado, se propuso el uso de una cámara de amplificación de movimiento para satisfacer las necesidades del cliente. El Gif 3 muestra una de las grabaciones tomadas durante las mediciones sobre el terreno.

Gif 3: Imágenes recogidas por la cámara - FUENTE: Colección Kot.

Tras las mediciones de las vibraciones, los datos recogidos se utilizaron para calibrar el modelo informático, que se empleó después para realizar el análisis estructural mediante el método de los elementos finitos (MEF). Esta evaluación determinó que las cargas de excitación del edificio eran inferiores a las cargas dinámicas máximas especificadas en el diseño. A continuación se realizó una comparación entre los desplazamientos en los ejes para la condición real, medidos sobre el terreno con la cámara, y para la condición teórica, y se validó el modelo basándose en la proximidad de estos valores, como puede verse a continuación en la Figura 4.

Figura 4: Desplazamiento en uno de los ejes - FUENTE: Kot Collection.

Tras la calibración, se comprobó que la frecuencia de vibración de la estructura era muy próxima a la frecuencia de funcionamiento de un equipo específico situado en el edificio. Esto se debía a la proximidad de la frecuencia del equipo a las primeras frecuencias naturales del edificio. Tras el estudio, se identificaron disconformidades estructurales en determinados puntos de la estructura y se propusieron refuerzos para adecuar las vibraciones a los niveles admisibles recomendados por las normas aplicables.

Conclusión

Tras los dos casos presentados, queda claro que las metodologías para realizar mediciones y análisis de vibraciones están cada vez más presentes en el día a día de la industria, y son muy relevantes para evaluar los niveles de vibración que actúan sobre equipos, componentes y estructuras, y sus posibles implicaciones.

Además, el conocimiento previo de estas metodologías es esencial para definir el mejor curso de acción para cada situación. Con la evaluación de expertos técnicos, esta información se utiliza para tomar decisiones, definiendo las mejoras y modificaciones que deben aplicarse para lograr una mayor fiabilidad, seguridad y eficacia operativa.

Kot cuenta con un amplio equipo de profesionales cualificados para evaluar, seleccionar y aplicar las metodologías y soluciones más adecuadas para su negocio y sus activos. Contacte con nuestro equipo para más información

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