Vibración y modulación de envolvente.
En este artículo, que es el primero de una serie, Se trata del tema de la modulación y envolvente de vibraciones con un papel fundamental en el diagnóstico por análisis de vibraciones en máquinas. Aquí está la introducción a una serie de artículos sobre este tema..
1 Introducción a la vibración y la modulación de envolvente.
La vibración mecánica es una de las manifestaciones físicas más evidentes del funcionamiento de una máquina rotativa.. Cada vez que una máquina funciona, la interacción dinámica entre sus componentes: las venas, cojinetes, engranajes, compromisos, Rotores y elementos estructurales: genera fuerzas variables en el tiempo que se propagan en forma de vibraciones.. Estas vibraciones transportan información sobre el estado mecánico de la máquina y pueden analizarse para identificar cambios en su comportamiento., Permitir que los defectos sean detectados antes de que se conviertan en fallas graves..
Los primeros métodos de análisis de vibraciones se basaban esencialmente en medir el nivel global de vibración., expresado en aceleración, velocidad o desplazamiento. Aunque estos parámetros siguen siendo importantes para evaluar la gravedad de las vibraciones, Rápidamente se descubrió que su valor general contiene información limitada sobre el origen del problema.. Máquinas con diferentes defectos pueden presentar niveles generales similares, mientras que los defectos en la fase inicial pueden no causar ningún cambio significativo en estos valores.
La introducción de Transformada rápida de Fourier (FFT: transformada rápida de Fourier) representó un avance decisivo en la ingeniería de diagnóstico.
este enfoque, designada por análisis espectral, sigue siendo una de las herramientas fundamentales de la ingeniería de vibraciones. sin embargo, La experiencia industrial ha demostrado que muchos defectos no se manifiestan inicialmente mediante la aparición de frecuencias nuevas y bien definidas.. En vez de eso, Causar pequeños cambios en la forma en que una vibración existente evoluciona con el tiempo..
Estos cambios pueden traducirse en variaciones periódicas en la amplitud., la frecuencia o fase de una vibración ya presente en la máquina. Este fenómeno es conocido por modulación.
La modulación es particularmente importante porque constituye un mecanismo que hace que la información asociada con defectos incipientes sea más fácilmente detectable., moviéndolo a una banda de frecuencia (alrededor de la frecuencia portadora) con una mejor relación señal-ruido. Un pequeño desperfecto localizado en una calzada, por ejemplo, puede generar impactos energéticos reducidos, prácticamente invisible en el espectro convencional. Sin embargo, Estos impactos excitan altas frecuencias naturales de la estructura y modulan su amplitud periódicamente.. La información sobre el defecto ya no se concentra en la frecuencia de impacto y comienza a manifestarse en forma de bandas laterales alrededor de la frecuencia portadora o, después de la demodulación, a través de un espectro claramente identificable de entornos.
Este principio es común a varios componentes mecánicos.:
- en los rodamientos, el paso de elementos rodantes sobre un defecto produce impactos periódicos que modulan las resonancias estructurales;
- en los engranajes, el desgaste, La excentricidad o un diente roto provocan variaciones cíclicas en la fuerza del engranaje., dando lugar a bandas laterales alrededor de la frecuencia del engranaje;
- en motores electricos, Los defectos electromagnéticos o excentricidades del rotor generan modulaciones relacionadas con la frecuencia de la red eléctrica., la frecuencia de deslizamiento o la velocidad de rotación;
- en bombas y ventiladores, Los fenómenos hidráulicos o aerodinámicos pueden modular los componentes mecánicos asociados al rotor..
De este modo, La modulación no debe verse como un fenómeno secundario o una simple curiosidad matemática.. Por lo contrario, constituye una consecuencia directa de la interacción dinámica entre los diferentes elementos de la máquina y proporciona información extremadamente sensible sobre la evolución de su estado mecánico.
Figura 1.1 – Comparación conceptual entre el análisis FFT convencional y el análisis de modulación, mostrando cómo un defecto incipiente puede ser prácticamente invisible en la FFT tradicional, pero claramente identificable después de la demodulación de la envolvente.
La demodulación distribuye la energía del efecto en bandas laterales alrededor de la frecuencia portadora.. la demodulacion (sobre) recupera la información de baja frecuencia asociada con el defecto.
Desde el punto de vista del procesamiento de señales, La modulación establece una conexión entre un fenómeno mecánico de baja frecuencia, como la rotación del eje o el paso de un elemento rodante, y una vibración de mayor frecuencia., A menudo asociado con una resonancia estructural.. Esta interacción hace que se obtenga información relevante. “transportado” por vibración de alta frecuencia, permitiendo detectar defectos cuya energía sería insuficiente para ser observadas directamente en el espectro convencional.
Figura 1.2 – Diagrama de flujo de la cadena de diagnóstico., Del defecto mecánico al diagnóstico. (defecto → fuerza dinámica → vibración → sensor → adquisición → FFT/demodulación → diagnóstico).
Es precisamente esta capacidad de revelar información oculta lo que ha hecho del análisis de modulación una de las herramientas más importantes de la ingeniería de diagnóstico de máquinas moderna.. Técnicas como el análisis de envolvente. (generalmente implementado a través de la Transformada de Hilbert), análisis cepstral, La curtosis espectral y el análisis cicloestacionario aprovechan este principio para identificar defectos en etapas muy tempranas., a menudo semanas o meses antes de que se produzca un aumento significativo en el nivel general de vibración.
En los sistemas industriales actuales, Esta capacidad asume una importancia estratégica.. Equipos críticos, como turbinas, compresores centrífugos, reductores de velocidad, generadores electricos, bombas de proceso y turbinas eólicas, A menudo funcionan de forma continua y cualquier fallo inesperado puede traducirse en elevados costes económicos., riesgos de seguridad y pérdidas de producción. La detección temprana que proporcionan las técnicas de modulación permite planificar intervenciones durante las paradas programadas, reducir el riesgo de fallas catastróficas y extender la vida útil de los componentes.
Este documento constituye una introducción a la vibración y la modulación de envolvente..
La continuación de este artículo se puede encontrar en los siguientes enlaces:
2 Historia de la modulación en el análisis de vibraciones.
3 Concepto de modulación y su origen físico
