Análisis de vibraciones: espectros, frecuencias y diagnóstico

¡Bienvenidos nuevamente al blog de Welectronic! En la publicación anterior vimos qué es la vibración y cómo evaluar su severidad. Ahora toca lo que convierte un número en un diagnóstico: el espectro. La FFT descompone la señal del sensor en las frecuencias que la forman, y cada falla deja una huella en frecuencias conocidas. Aquí verás cómo leer un espectro, las frecuencias características (giro, armónicos, bandas laterales, rodamientos y engranes), cómo colocar el acelerómetro y las rutas de medición, y una tabla de diagnóstico rápido. Al final hay un simulador con fallas, espectro y un reto aleatorio de diagnóstico.

1. Señal en el tiempo y espectro FFT

El acelerómetro entrega una señal en el tiempo: aceleración contra tiempo. Es una mezcla de muchas vibraciones a la vez y a simple vista es difícil saber de dónde viene cada una. La Transformada Rápida de Fourier (FFT) reescribe esa señal como una suma de senoidales y muestra cuánta energía hay en cada frecuencia: eso es el espectro.

Parámetros del espectro que debes configurar

• Fmax: debe cubrir las frecuencias que esperas ver (por ejemplo, 10 a 12 veces la velocidad de giro para fallas mecánicas; varios kHz para rodamientos y engranes).
• Líneas de resolución: más líneas, mejor resolución, pero más tiempo de captura. Para separar un pico de 1× de sus bandas laterales necesitas Δf menor que la separación entre ellos.
• Ventana: la ventana Hanning es la elección general para señales de máquinas; reduce la fuga espectral (leakage). Promedia varios espectros para estabilizar el resultado.
• Escala: la escala logarítmica permite ver a la vez picos grandes y pequeños (como en el póster); la lineal es mejor para comparar picos grandes.

Parámetros clave de la señal en el tiempo

• Amplitud pico (g): el máximo de la señal.
• Valor RMS (g): la energía global de la vibración.
• Factor de cresta = pico / RMS: en una senoidal vale 1,414; valores mucho mayores (5 o más) indican impactos o impulsos.
• Curtosis: mide qué tan «picuda» es la distribución de la señal: vale alrededor de 3 en una señal aleatoria normal y sube con los impulsos, por lo que es un indicador temprano de fallas de rodamientos.

Conceptos del póster: más energía en bajas frecuencias (1×, 2×) suele indicar problemas mecánicos grandes; picos estrechos y altos indican fallas específicas; energía ancha y elevada indica aflojamiento o resonancia.

Corrección respecto al póster: la figura es ilustrativa y no es coherente consigo misma. Los armónicos «3×, 4×, …» están rotulados en la zona de 1.400 a 2.100 Hz, cuando con un 1× cercano a 250 Hz deberían estar en unos 750 y 1.000 Hz; y la forma de onda tiene aspecto impulsivo, mientras que el espectro muestra un 1× dominante. Tómala como esquema de lectura, no como un caso real. Además, un pico a 250 Hz como 1× equivale a 15.000 rpm, algo poco común.

2. Frecuencias características en máquinas rotativas

• 1× rpm (componente de giro): la frecuencia a la que gira el eje. Indica desbalance, holgura mecánica y excentricidad (rotor o poleas descentradas).
• 2× rpm: energía predominante en el doble de la velocidad de giro. Indica desalineación angular o paralela y, a veces, pies blandos (soft foot).
• Armónicos (3×, 4×, …): múltiplos enteros de la velocidad de giro. Indican no linealidades, holguras y contactos mecánicos. Si además hay ½×, 1½×, 2½×, la holgura suele ser severa.
• Bandas laterales: picos a ±1× rpm (u otra frecuencia moduladora) alrededor de una frecuencia central. Indican fallas de rodamientos o de engranes, o una resonancia modulada por el giro.

Precisiones respecto al póster: (1) los pies blandos suelen mostrarse sobre todo en 1×, con 2× secundario; no son un indicador exclusivo de 2×. (2) El póster menciona «holgura en rodamientos» al hablar de bandas laterales: lo habitual es una falla de rodamiento (daño en pistas o elementos rodantes), no una simple holgura. (3) El separador de las bandas laterales no siempre es 1× rpm: en un engrane es la velocidad del eje defectuoso y, en un rodamiento, 1× para la pista interna o la frecuencia de jaula (FTF) para los elementos rodantes. (4) Una desalineación pura rara vez tiene un único pico en 2×: lo normal es ver 1× y 2×, y 2× supera a 1× cuando es severa.

Frecuencias de rodamientos

Cuando un rodamiento tiene una grieta o un descascaramiento, cada vez que un elemento rodante pasa por el defecto se produce un impacto. La frecuencia de esos impactos depende de la geometría: número de elementos rodantes n, diámetro del elemento rodante d, diámetro primitivo D (entre centros de los elementos rodantes), ángulo de contacto φ y velocidad de giro f (rev/s) del anillo interior.

Aclaraciones: BPFO y BPFI son las frecuencias de paso de los elementos rodantes por un defecto de la pista externa e interna; el elemento rodante con un defecto golpea ambas pistas por vuelta, por lo que la frecuencia de impacto es 2 × BSF. Se cumple BPFO + BPFI = n · f. Estas fórmulas suponen rodadura pura; en la práctica los valores reales varían un 1 a 2 % por deslizamiento, así que se buscan los picos cerca del valor calculado. Los datos de geometría (n, d, D, φ) salen del catálogo del fabricante, o de bases de datos del software de análisis.

Un detalle práctico: la vibración producida por los impactos de un rodamiento incipiente es débil y se ubica en alta frecuencia (excita resonancias de la estructura, típicamente entre 2 y 5 kHz). Por eso en el espectro común los picos de BPFO o BPFI quedan casi enterrados en el ruido; el análisis de envolvente (filtrar alrededor de la resonancia, demodular y calcular el espectro de la envolvente) los hace visibles. Las etapas del daño suelen verse así: primero, alta frecuencia y envolvente; luego, picos en BPFO/BPFI y armónicos; después, bandas laterales; y al final, aumento del piso de ruido y de 1×.

Engranes

El engrane produce una frecuencia de engrane, GMF = z × f (número de dientes del piñón por su velocidad en Hz, que es igual a z₂ × f₂ en la rueda). Un engrane sano muestra GMF y sus armónicos; un diente dañado, desgaste o excentricidad modulan la amplitud con la velocidad del eje y aparecen bandas laterales a GMF ± 1×, GMF ± 2×, etc.

Dato práctico: en motores eléctricos de inducción alimentados a 60 Hz (como en Perú) hay también frecuencias de origen eléctrico: 2× la frecuencia de línea (120 Hz) y bandas laterales alrededor de 1× a la frecuencia de paso de polos. Antes de atribuir un pico de 120 Hz a la mecánica, comprueba si se desplaza al cambiar la carga o desaparece al cortar la energía (la mecánica se queda; la eléctrica desaparece de golpe).

3. Acelerómetro: sensor y montaje

El acelerómetro piezoeléctrico contiene un cristal que genera una carga eléctrica proporcional a la aceleración que lo comprime. Los más usados en planta son los tipos ICP/IEPE, que llevan la electrónica integrada y se alimentan con corriente constante (típicamente de 2 a 20 mA, a 18 a 30 V) por el mismo cable de señal; su sensibilidad típica es de 100 mV/g. El sensor tiene un eje sensible (marcado en su carcasa): solo mide en esa dirección, así que la orientación en la máquina debe coincidir con la dirección que quieres medir.

• Montaje correcto: superficie rígida, limpia, plana y sin pintura; buena adherencia; cable asegurado y sin tensión.
• Montaje incorrecto: superficie sucia, pintada o curva; cable suelto o que golpea. Generan ruido o baja señal y falsos picos.

El método de fijación limita la frecuencia máxima confiable porque el conjunto sensor-montaje tiene su propia resonancia: el espárrago roscado conserva casi todo el rango del sensor (hasta varios kHz); el imán de base plana llega a unos pocos kHz; la punta de mano (stinger) solo sirve hasta unos 500 a 1.000 Hz y da poca repetibilidad. Para rodamientos y engranes, usa espárrago o adhesivo.

Dato práctico: una señal «montada» con un cable suelto muestra picos anchos y golpes en el tiempo; una señal con el sensor saturado muestra la forma de onda recortada y un piso de ruido elevado en todo el espectro. Confirma siempre el montaje antes de diagnosticar.

4. Rutas de medición y puntos típicos

Una ruta es la secuencia fija de puntos que recorre el analista en cada ronda. Debe ser repetible y permanente. La ruta del póster para un conjunto motor-bomba tiene siete puntos numerados (en la lista del póster falta el 4, que en el dibujo aparece junto al acople):

1. Motor, lado opuesto al acople (NDE), horizontal.
2. Motor, lado del acople (DE), vertical.
3. Motor, extremo posterior (el póster lo rotula «ODE»), horizontal.
4. Zona del acople (solo aparece en el dibujo).
5. Bomba, lado del acople.
6. Bomba, lado opuesto.
7. Parte superior de la carcasa de la bomba (vertical).

En cada punto se mide en tres direcciones (vertical V, horizontal H y axial A). Buenas prácticas: usar la misma dirección en cada punto, marcar físicamente los puntos y registrar las condiciones de operación (carga, rpm, temperatura). El equipo básico es un colector de datos/analizador, un acelerómetro, el cable ICP o de carga y un software de análisis.

Corrección respecto al póster: las etiquetas de la ruta mezclan siglas: «DE NDE Motor», «DE Motor» y «ODE Motor». La nomenclatura estándar es DE (drive end, lado de acople o accionamiento) y NDE (non-drive end, lado opuesto al acople); «ODE» no es una sigla estándar (se refiere al lado opuesto, es decir, NDE). Además, en la ilustración los números se repiten (dos «4») y falta el «5», así que sigue la lista y no el dibujo.

5. Diagnóstico rápido

• Pico alto en 1× rpm → desbalance: domina 1× y hay poca energía en los armónicos.
• Pico alto en 2× rpm → desalineación: 2× dominante; puede haber 1× y 3×.
• Múltiples armónicos (3×, 4×, …) → holgura mecánica o estructural: serie de armónicos.
• Bandas laterales a ±1× rpm → falla de rodamientos o engranes: picos a f_r ± 1× rpm.
• Pico estrecho en alta frecuencia (BPFO/BPFI) → falla en rodamientos: picos en BPFO/BPFI y armónicos.
• Energía ancha y elevada (baja frecuencia) → aflojamiento o resonancia: elevación amplia del piso del espectro.

Alertas de atención (según el póster): aumento rápido de 1× rpm de más de 30 % respecto a la línea base; aparición de 2× rpm en máquinas que antes no lo mostraban; incremento de bandas laterales en rodamientos o engranes; energía ancha y elevada en todo el espectro; y cualquier cambio repentino en el patrón habitual.

Acciones inmediatas: verificar las condiciones de operación, confirmar el montaje del sensor, comparar con mediciones previas, inspeccionar según las causas probables y registrar y dar seguimiento.

Nota sobre los umbrales: el «30 % sobre la línea base» del póster es una regla práctica, no un valor normalizado. La ISO 20816-1 sugiere considerar significativo un cambio de aproximadamente el 25 % del límite superior de la zona B; define tus umbrales con el historial de cada máquina y la criticidad del equipo. Además, el póster rotula «Holgura en rodamientos» junto a un espectro de bandas laterales: léelo como falla de rodamiento con modulación.

El diagnóstico nunca debe basarse en un solo dato. Combina el espectro con la forma de onda, la fase, la temperatura y las condiciones de operación, y confirma con una segunda técnica (envolvente, análisis de aceite, termografía) antes de intervenir.

6. Simulador de espectro FFT y diagnóstico

Este simulador genera una señal de vibración con las fallas que elijas, calcula su FFT real y rotula los picos. Cómo usarlo:

1. Marca una o varias fallas y ajusta su gravedad: desbalance (1×), desalineación (1×, 2× y 3×), holgura (armónicos y ½×), rodamiento con falla en pista externa, interna o elemento rodante, y engranes (GMF con bandas laterales).
2. Cambia las rpm, elige un rodamiento (por ejemplo, el 6205) o escribe su geometría (bolas, d, D y ángulo de contacto), y los dientes del piñón. La tabla de frecuencias características se actualiza.
3. Alterna entre Espectro FFT y Envolvente: verás por qué los picos de rodamientos aparecen limpios solo en la envolvente. Prueba la escala logarítmica o lineal, el eje en Hz o en órdenes, y la magnitud en g o en mm/s.
4. Haz clic o toca el espectro (o usa las flechas del teclado) para leer frecuencia, orden y amplitud en el cursor.
5. Pulsa Nuevo reto aleatorio: el simulador oculta la falla y tú decides cuál es. Puedes pedir pistas; al comprobar se revela la respuesta y se rotulan los picos.

✅ 5 Problemas Resueltos

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