Curtosis en el análisis de vibraciones para la detección de fallas
Curtosis es un parámetro estadístico que describe la forma de una distribución de probabilidad. En análisis de vibración se aplica a la forma de onda en el tiempo para medir su “puntualidad” o impulsividad. Una señal con alta curtosis se caracteriza por picos o impactos agudos y distintos, mientras que una señal con baja curtosis es más plana y redondeada. El gran valor práctico de la curtosis es que condensa este carácter en un solo número que puede señalar un cambio en la naturaleza de una señal de vibración incluso cuando la energía general — la RMS valor — aún no ha cambiado significativamente.
1. La estadística detrás del número
La curtosis es el cuarto momento estadístico normalizado de la distribución de amplitud de la señal. Como cada desviación de la media se eleva a la cuarta potencia antes de promediar, las excursiones grandes ocasionales — exactamente el tipo que produce un impacto breve — dominan el resultado mucho más de lo que lo harían en un cálculo de RMS, que solo usa la segunda potencia. Ese énfasis matemático en los extremos es lo que hace que la curtosis sea tan sensible a transitorios cortos y agudos enterrados en una señal de otro modo modesta. En efecto, responde a una pregunta diferente a la de RMS: no “¿cuánta energía hay presente?” sino “¿qué tan picuda es?”.
2. El valor diagnóstico de la curtosis
El valor principal de la curtosis en monitoreo de condición es su alta sensibilidad a fallas impulsivas en etapa temprana. Muchos defectos mecánicos comienzan como grietas microscópicas o descascaramientos. A medida que estos fallos en desarrollo hacen contacto, generan impactos de corta duración y alta frecuencia. Esos impactos causan picos agudos en la forma de onda de vibración en el tiempo que hacen que el valor de la curtosis suba dramáticamente — mucho antes de que el fallo haya crecido lo suficiente como para afectar el nivel general de RMS de la máquina.
Por lo tanto, la curtosis es una excelente herramienta para:
- Detección temprana de fallos en rodamientos: es uno de los métodos más efectivos para captar los primeros signos de descascaramiento superficial en una pista de rodadura o elemento rodante, y complementa análisis de envolvente en diagnóstico de rodamientos.
- Detección de fallos en dientes de engranaje: un diente agrietado o roto produce un impacto distinto una vez por revolución, que un valor de curtosis en aumento detecta fácilmente — una verificación cruzada útil en defectos en engranajes.
- Detección de rozamientos o impactos intermitentes: cualquier evento de impacto no uniforme dentro de una máquina, como rozamiento o holgura mecánica, es resaltado por esta medición.
3. Interpretación de valores de curtosis
La curtosis es un valor normalizado. Para una distribución gaussiana (normal) perfecta — típica de la vibración de fondo aleatoria en una máquina sana — el valor de la curtosis es 3.0. Las desviaciones de esta cifra son diagnósticamente significativas:
- Curtosis ≈ 3.0: la vibración es aleatoria y gaussiana, lo que sugiere una operación normal y saludable.
- Curtosis > 3.0: la señal se está volviendo más picuda o impulsiva de lo normal. Un valor en aumento es una advertencia clara de impactos en desarrollo; valores de 5, 10 o superiores son comunes cuando hay defectos significativos en rodamientos o engranajes.
- Curtosis < 3.0: la señal es más plana que una distribución normal. Esto puede ocurrir con ciertos tipos de rozamiento, o cuando la señal está dominada por una vibración sinusoidal muy limpia, como un puro desbalance.
Cabe señalar que algunos instrumentos reportan curtosis excesiva, que resta 3.0 para que una señal gaussiana sana lea 0 en lugar de 3.0. La interpretación es idéntica; solo cambia el punto de referencia. La curtosis está estrechamente relacionada con el factor de cresta, que compara el pico con el RMS y responde a los mismos eventos impulsivos desde un ángulo ligeramente diferente.
4. El ciclo de vida de la curtosis de un fallo en rodamiento
Al rastrear un fallo en rodamiento desde su inicio hasta la falla, el valor de la curtosis a menudo sigue un patrón predecible — y al principio contraintuitivo —:
- Etapa saludable: la curtosis es estable y cercana a 3.0.
- Etapa de fallo temprano: se forma un defecto microscópico. Se generan impactos agudos y distintos, lo que hace que la curtosis suba significativamente (por ejemplo, a 5.0 o más). La vibración RMS general aún puede ser baja. Este es el momento ideal para detectar el fallo.
- Etapa de fallo desarrollado: a medida que el defecto crece y se extiende, los impactos se vuelven más frecuentes y menos distintos. La señal comienza a parecer ruido aleatorio nuevamente, aunque a un nivel de energía mucho mayor. En consecuencia, el valor de la curtosis puede disminuir volver hacia 3.0, incluso cuando el nivel de RMS comienza a subir dramáticamente.
- Etapa tardía / de falla: el rodamiento está severamente dañado y la vibración es alta y en gran medida aleatoria. La curtosis se sitúa cerca de 3.0, pero el valor de RMS ahora está en alarma.
Este ciclo de vida es exactamente por qué la curtosis es tan valiosa. El “punto dulce” para la detección es la etapa temprana cuando la curtosis sube; confiar solo en el RMS dejaría el fallo sin detectar hasta que ya se hubiera vuelto significativo. El comportamiento no monótono también es una advertencia: una lectura de curtosis que ha vuelto a 3.0 no prueba, por sí sola, que el rodamiento esté sano — debe leerse junto con la tendencia del RMS.
5. Medición de la curtosis en campo
La curtosis se calcula directamente a partir de una forma de onda en el tiempo limpia y bien muestreada, lo que la convierte en una compañera natural del trabajo que un ingeniero ya está haciendo en el sitio. Un analizador portátil como el Balanset-1A captura la forma de onda de vibración en el tiempo y espectro de una máquina funcionando en sus propios rodamientos, por lo que cuando un desbalance se corrige mediante balanceo en campo el mismo conjunto de datos puede analizarse en busca de las firmas impulsivas de rodamientos o engranajes que la curtosis pone de manifiesto. Seguir la tendencia de ese valor a lo largo de mediciones periódicas convierte una lectura puntual en un advertencia temprana indicador.
6. Limitaciones
Poderosa como es, la curtosis debe usarse junto con otras técnicas como espectro y el análisis de forma de onda. Puede ser sensible a golpes aleatorios no relacionados con la máquina, por lo que es mejor tratarla como un tendencia parámetro en lugar de un umbral absoluto. Un aumento constante de la curtosis con el tiempo es un indicador mucho más fiable que una sola lectura alta, y confirmar la fuente en el espectro evita que un golpe aislado se confunda con una falla en desarrollo.
