Diagnóstico de vibraciones de equipos marinos

1. Fundamentos del diagnóstico técnico

¿Por qué el análisis de vibraciones se convirtió en el método dominante para la monitorización de la maquinaria marina rotativa y qué alternativas existen?

1.1 Principios de diagnóstico

El diagnóstico técnico es la disciplina que evalúa el estado actual de una máquina y predice cómo evolucionará con el tiempo. Para los equipos marinos, esta tarea es especialmente crítica: una avería imprevista en alta mar puede poner en peligro a la tripulación, la carga y el propio buque.

La idea central es sencilla. Toda maquinaria rotativa produce señales físicas medibles: vibración, calor, emisión acústica, contaminación por aceite, entre otras. A medida que los componentes internos se desgastan, agrietan, corroen o aflojan, estas señales cambian de forma generalmente predecible. Un programa de monitorización sistemática detecta estos cambios precozmente, los clasifica por tipo y gravedad, e incorpora recomendaciones al plan de mantenimiento.

Términos clave

Flujo de trabajo de diagnóstico general

En la práctica, el proceso es iterativo: si un patrón no coincide con ningún fallo conocido, el analista retrocede, refina el procesamiento, agrega nuevos puntos de medición o lo correlaciona con otros métodos de diagnóstico (termografía, análisis de aceite, pruebas ultrasónicas).

Diagnóstico funcional frente a diagnóstico en banco de pruebas

Diagnóstico funcional Recopila datos mientras la máquina funciona bajo carga normal. Refleja condiciones de funcionamiento realistas, pero limita las pruebas que se pueden realizar; por ejemplo, no se puede inyectar una excitación artificial en una bomba que suministra agua de refrigeración al motor principal.

Diagnóstico del banco de pruebas (probador) Aplica excitación controlada —martillo de impacto, vibrador sinusoidal de barrido o similar— generalmente durante una parada. Esto revela frecuencias naturales, funciones de transferencia y características estructurales que los diagnósticos funcionales no pueden proporcionar. A bordo de un buque, la dificultad práctica es evidente: las paradas son costosas y, en ocasiones, imposibles para sistemas esenciales.

Qué monitorizar

No todas las máquinas de un buque requieren el mismo nivel de atención. Seleccionar qué parámetros monitorizar en cada equipo exige un equilibrio entre la cobertura del diagnóstico y el coste práctico. Los criterios de selección habituales incluyen la sensibilidad a la aparición de fallos, la repetibilidad de las mediciones, el coste del sensor y la instalación, y la criticidad del propio equipo.

1.2 Estrategias de mantenimiento

La industria marítima ha pasado por cuatro filosofías de mantenimiento generales, cada una con un perfil de coste-riesgo diferente.

La mayoría de las flotas modernas utilizan una combinación de ambos enfoques. La maquinaria crítica de propulsión y generación de energía recibe mantenimiento predictivo o basado en condiciones. Los equipos auxiliares pueden seguir programas de mantenimiento programados o incluso funcionar hasta su fallo, donde los repuestos son económicos y las consecuencias son mínimas. El análisis de vibraciones es la base de la capa de mantenimiento predictivo.

1.3 La vibración como señal de diagnóstico principal

El análisis de vibraciones predomina en la monitorización del estado de la maquinaria marina por varias razones interconectadas:

• Toda la maquinaria rotativa produce vibraciones; no se requiere ninguna excitación adicional.
• Las fallas alteran los patrones de vibración de maneras bien documentadas y específicas para cada falla.
• Las mediciones no son intrusivas y pueden realizarse mientras la maquinaria funciona con normalidad.
• Los tiempos de alerta temprana se miden normalmente en semanas o meses, no en horas.
• La técnica es cuantitativa: los resultados se corresponden directamente con las zonas de severidad definidas por las normas internacionales.

La metodología avanza a través de seis etapas: establecimiento de la línea base, monitorización de tendencias, detección de anomalías, clasificación de fallos, evaluación de severidad y pronóstico (vida útil restante). Cada etapa recurre a un conjunto de herramientas distinto, desde simples tendencias RMS en la primera fase hasta análisis de envolvente, cepstrum y clasificadores de aprendizaje automático en las fases posteriores.

Estados de condición

Perspectiva económica

El retorno de la inversión en programas de control de vibraciones a bordo varía, pero en la literatura se citan frecuentemente ratios de 5:1 a 10:1. La mayor parte del ahorro proviene de tres fuentes: evitar daños secundarios catastróficos (como la avería de un cojinete que daña un eje), prolongar la vida útil de los componentes eliminando revisiones innecesarias y reducir el coste de las reparaciones de emergencia en puerto en comparación con los trabajos programados en el astillero.

2. Física de la vibración, unidades y normas

Desplazamiento, velocidad, aceleración: las tres caras de la vibración y el marco ISO utilizado para juzgar cuánto es demasiado.

2.1 Parámetros principales

La vibración es el movimiento oscilatorio de un sistema mecánico alrededor de una posición de equilibrio. Se describe mediante tres magnitudes cinemáticas interrelacionadas, cada una útil en un rango de frecuencia diferente.

Dado que la velocidad varía linealmente con la frecuencia (el factor ω) y la aceleración varía con ω², los tres parámetros presentan sensibilidades muy diferentes en todo el espectro. Esta es la razón práctica por la que los ingenieros eligen uno u otro.

Medidas estadísticas

RMS El valor cuadrático medio (RMS) representa la amplitud efectiva y se correlaciona con el contenido energético de la vibración. Es la métrica predeterminada para la evaluación de la severidad de vibración conforme a normas ISO.

Valor máximo Captura la amplitud instantánea máxima, lo que resulta útil para detectar impactos y eventos transitorios.

Valor pico a pico Proporciona la variación total desde el pico positivo al negativo. Se utiliza comúnmente para mediciones de desplazamiento y análisis de holgura.

Factor de cresta es la relación entre el valor de pico y el RMS. El valor absoluto depende del tipo de máquina, del ancho de banda de medición y del régimen de funcionamiento: una sinusoide pura da ≈1.4, y una máquina rotativa sana suele situarse alrededor de 3–4, por lo que no existe un único valor "normal" universal. Lo que importa desde el punto de vista diagnóstico es el tendencia: un factor de cresta en aumento indica una mayor impulsividad, una señal temprana habitual de defectos en la superficie del rodamiento o impactos.

2.2 Tipos de vibración en sistemas marinos

La maquinaria marina genera varias categorías de vibraciones, cada una de las cuales proviene de un mecanismo físico diferente.

Por fuente de excitación

• Vibración libre — el sistema oscila a su frecuencia natural después de una excitación transitoria (arranque, parada, impacto).
• Vibración forzada — excitación continua a una frecuencia relacionada con la velocidad de rotación, el número de aspas o el suministro eléctrico. La mayor parte de la vibración en estado estacionario es forzada.
• Vibración autoexcitada — La maquinaria genera su propia excitación mediante un mecanismo de retroalimentación interna: remolino de aceite en los cojinetes de deslizamiento, aleteo aerodinámico, fricción intermitente.
• Vibración paramétrica — La rigidez o amortiguación del sistema varía periódicamente, inyectando energía en la respuesta. Un ejemplo típico es un diente de engranaje agrietado que cambia su rigidez de engranaje una vez por revolución.

En relación con la velocidad

• Síncrono (relacionado con el orden) — La frecuencia es un múltiplo entero o racional simple de la velocidad del eje. El desequilibrio (1×), la desalineación (2×) y la holgura (muchos armónicos) se incluyen aquí.
• Asincrónico — la frecuencia no es un múltiplo entero de la velocidad del eje. Las frecuencias de defectos de rodamientos, los armónicos de la frecuencia de línea eléctrica y la vibración por deslizamiento de correas entran en esta categoría.

Por dirección

Radial La vibración (perpendicular al eje) predomina en la mayoría de los equipos rotativos y es la primera dirección que se mide. Axial La vibración (paralela al eje) indica problemas en los cojinetes de empuje, problemas de acoplamiento y fuerzas aerodinámicas. Torsión La vibración (torsión alrededor del eje) requiere sensores especializados y se monitoriza principalmente en trenes de propulsión largos, donde la resonancia torsional puede ser destructiva.

Frecuencias naturales y resonancia

Cada sistema mecánico tiene frecuencias naturales determinadas por su masa, rigidez y amortiguación. Cuando una frecuencia de excitación se aproxima a una frecuencia natural, la respuesta se amplifica, a veces por un factor de 10 o más. En la maquinaria rotativa, estas coincidencias se denominan velocidades críticas.

Fuentes de vibración

Mecánico — Desequilibrio, desalineación, defectos en los cojinetes, holgura, problemas en los engranajes, curvatura del eje. Las frecuencias suelen estar relacionadas con la velocidad del eje y la geometría del componente.

Electromagnético — Defectos en las barras del rotor, excentricidad del estator, desequilibrio en la tensión de alimentación. Las frecuencias se concentran alrededor del doble de la frecuencia de línea (100 Hz para una alimentación de 50 Hz, 120 Hz para 60 Hz) y sus múltiplos.

Hidráulico/aerodinámico — Paso de álabes, cavitación, turbulencia, recirculación. La frecuencia de paso de álabes es igual al número de álabes multiplicado por la frecuencia de rotación; la cavitación produce ruido aleatorio de banda ancha concentrado por encima de 1–2 kHz.

2.3 Unidades y estándares

Las mediciones de vibración utilizan escalas tanto lineales como logarítmicas (decibelios). La forma en decibelios comprime amplios rangos dinámicos y destaca los cambios relativos:

Reference values are standardised in ISO 1683: 10⁻⁹ m/s (1 nm/s) for velocity and 10⁻⁶ m/s² (1 μm/s²) for acceleration. Always state the reference when reporting levels in decibels.

ISO 20816 (antes ISO 10816) — Vibración en partes no giratorias

En ISO 10816 la serie fue históricamente el marco más utilizado para evaluar la vibración de maquinaria medida en partes no giratorias (carcasas de rodamientos). Está siendo sustituida por la ISO 20816 serie: ISO 20816-1:2016 sustituyó tanto a ISO 10816-1 como a ISO 7919-1, y ISO 20816-3:2022 sustituyó a ISO 10816-3 para maquinaria industrial de más de 15 kW. La lógica de evaluación en cuatro zonas (A a D) sigue siendo la misma en ambas series; los límites numéricos dependen del grupo de máquina y de la clase de soporte.

La tabla que aparece a continuación muestra ejemplo límites de zona para una clasificación específica (ISO 10816-3 / ISO 20816-3, máquinas del Grupo 2 de 15–300 kW, soporte rígido). Estos valores no son universales: consulte siempre la parte de la norma que se aplica a su tipo de máquina, rango de potencia y montaje.

Normas marinas y específicas de máquina

Más allá de la serie general para maquinaria, varias normas abordan directamente los buques y tipos específicos de máquinas:

Grupos de máquinas y clases de soporte

En el marco de ISO 10816-3 / ISO 20816-3, los grupos principales para maquinaria industrial son: Grupo 1 — máquinas grandes con potencia nominal superior a 300 kW y hasta 50 MW; Grupo 2 — máquinas medianas con potencia nominal de 15–300 kW. Existen disposiciones separadas para bombas según si el accionamiento está integrado o es externo. Los límites se dividen además según la rigidez del soporte.

Se considera un sistema de soporte rígido cuando la frecuencia natural más baja del conjunto máquina-cimentación está muy por encima de la frecuencia principal de excitación; una guía práctica habitual es al menos un 25 % por encima. Flexible los soportes tienen su frecuencia natural más baja por debajo de la frecuencia de excitación, lo que amplifica la vibración de la carcasa y recibe límites de aceptación más permisivos. La distinción debe verificarse mediante medición (prueba de impacto) y no suponerse solo por el aspecto de la construcción; esto importa en los buques, donde la maquinaria montada elásticamente es habitual.

Puntos de medición

Las normas prescriben la medición en las carcasas de los rodamientos, lo más cerca posible de la zona de carga, en tres direcciones: radial horizontal, radial vertical y axial (normalmente solo en el rodamiento del lado de accionamiento). Las mediciones deben realizarse en condiciones de funcionamiento estables, a velocidad nominal y carga representativa, y promediarse durante un periodo lo bastante largo para captar cualquier variación cíclica.

3. El entorno operativo marino

Lo que hace diferente el trabajo de vibraciones en un buque respecto al mismo trabajo en una fábrica: velocidades variables, una cimentación de acero flexible que flota y una hélice al final de la línea de eje.

3.1 Velocidad y carga variables

A diferencia de la mayoría de las plantas industriales, la maquinaria de propulsión marina rara vez permanece a una sola velocidad. Los motores principales siguen las órdenes del puente, los generadores toman y descargan carga eléctrica, y los buques con hélices de paso controlable cambian la carga a velocidad constante del eje. Para el diagnóstico, esto tiene dos consecuencias:

• Spectra smear. Una FFT convencional tomada mientras la velocidad deriva reparte cada componente rotacional entre varios bins de frecuencia. El seguimiento de órdenes, al remuestrear la señal frente a una referencia de tacómetro, mantiene nítidos los picos relacionados con la velocidad independientemente de la deriva.
• Las líneas base deben etiquetarse por condición. Una lectura tomada al 85 % de MCR en aguas tranquilas no es comparable con otra tomada al 50 % de carga con mar agitada. Toda medición almacenada debe incluir metadatos de velocidad, carga y estado de la mar, y las tendencias deben comparar condiciones equivalentes.

3.2 Excitación por frecuencia de paso de pala y resonancias del casco

La hélice es uno de los excitadores periódicos más potentes del buque. Cada pala que atraviesa el campo de estela no uniforme detrás del casco genera un pulso de presión, produciendo vibración a la frecuencia de paso de paletas (frecuencia de paso de pala) y sus armónicos:

Como el casco es una gran estructura soldada relativamente flexible, la excitación por frecuencia de paso de pala puede acoplarse a los modos de flexión de la viga-casco, a modos locales de panel y a modos de la superestructura. Los síntomas van desde incomodidad para la tripulación en los alojamientos hasta soportes de tuberías agrietados y fatiga en la estructura local. La ISO 20283-2 rige la medición de esta vibración estructural; la ISO 20283-5 establece el marco para evaluar la habitabilidad. Las soluciones incluyen rediseñar o reparar la hélice (los daños en las palas aumentan la excitación inducida por la estela), cambiar el número de palas, rigidizar la estructura y evitar el funcionamiento prolongado a velocidades de eje resonantes.

3.3 Líneas de eje y vibración torsional

La línea de ejes de un buque — motor principal o caja reductora, ejes intermedios, rodamiento del tubo de bocina, hélice — es un sistema rotor largo y pesado cuya alineación depende del casco que lo rodea. La deflexión del casco cambia con la carga, la condición de lastre y la temperatura, por lo que una línea de ejes perfectamente alineada en dique seco puede funcionar desalineada en el mar. Los síntomas incluyen vibración 1× y 2× elevada en rodamientos intermedios, sobrecalentamiento del rodamiento del tubo de bocina y lecturas de desgaste desiguales.

Las líneas de eje largas accionadas por motores diésel también son propensas a vibración torsional. Los órdenes de encendido del motor excitan las frecuencias naturales torsionales del sistema cigüeñal-línea de eje; cuando una crítica torsional significativa cae dentro del rango de funcionamiento, se define un rango de velocidad prohibido en el que se prohíbe el funcionamiento continuo. La vibración torsional es en gran medida invisible para los acelerómetros corrientes montados en la carcasa; requiere instrumentos específicos (torsiógrafos, galgas extensométricas, medición del giro basada en encoder). La ISO 20283-4 cubre la medición y evaluación de la vibración de la maquinaria de propulsión.

3.4 Sociedades de clasificación y factores ambientales

Las sociedades de clasificación (DNV, Lloyd's Register, Bureau Veritas, ABS y otras) publican guías sobre maquinaria y vibraciones y ofrecen notaciones de clase para monitorización por condición, bajo las cuales un programa de monitorización aprobado y auditable puede sustituir partes del régimen de inspecciones a intervalos fijos. Los requisitos específicos difieren entre sociedades y cambian con el tiempo, por lo que siempre deben comprobarse las reglas aplicables con la propia clase del buque, pero el hilo común es que la calidad de los datos, los procedimientos documentados y la competencia del analista deben ser demostrables.

Por último, el propio entorno marino juega en contra de la cadena de medición: el aire cargado de sal corroe los conectores, las temperaturas de la sala de máquinas varían ampliamente y las zonas de lavado exigen sensores y cableado con protección adecuada. Las clasificaciones ambientales, la tornillería inoxidable y un mantenimiento disciplinado de los cables no son lujos: un conector corroído produce señales intermitentes que imitan fallos de la máquina.

4. Métodos de medición y sensores

Selección de sensores, montaje, acondicionamiento de la señal y aspectos prácticos de la recopilación de datos de vibración fiables a bordo de un buque.

4.1 Principios de medición

Cinemático vs. Dinámico

La mayoría de los sensores de vibración miden movimiento La medición cinemática solo mide el desplazamiento, la velocidad o la aceleración, sin cuantificar la fuerza que los produce. La medición dinámica combina datos de movimiento y fuerza, generalmente mediante acelerómetros y transductores de fuerza emparejados, y se utiliza principalmente en situaciones de banco de pruebas controlado, como el análisis modal o las mediciones de la función de transferencia.

Absoluto vs. Relativo

Vibración absoluta es el movimiento de un punto con respecto a un marco de referencia inercial. Un acelerómetro atornillado a una carcasa de rodamiento proporciona una medición absoluta de la vibración de la carcasa. Vibración relativa Se trata del movimiento entre dos partes, normalmente el eje y la carcasa del cojinete. Las sondas de proximidad proporcionan esta información y son estándar en las turbomáquinas de gran tamaño donde se necesita conocer la órbita del eje.

Contacto vs. Sin contacto

Los sensores de contacto (acelerómetros, sensores de velocidad, galgas extensométricas) se fijan físicamente a la superficie vibrante. Ofrecen alta sensibilidad, amplio ancho de banda y procedimientos bien establecidos. Los sensores sin contacto (sondas de corrientes de Foucault, vibrómetros láser) miden a distancia y son esenciales para superficies giratorias, zonas de alta temperatura y lugares donde la carga de masa de un sensor de contacto alteraría la medición.

4.2 Tecnologías de sensores

Acelerómetros piezoeléctricos

El instrumento fundamental para la medición de vibraciones marinas. Un elemento piezoeléctrico (de cuarzo o cerámica) genera una carga eléctrica proporcional a la fuerza aplicada. La electrónica interna (estándar IEPE/ICP) la convierte en una señal de voltaje de baja impedancia que se transmite de forma fiable a través de cables largos en entornos ruidosos como las salas de máquinas.

Los modelos de alta frecuencia (hasta 50 kHz, menor sensibilidad) se utilizan para la detección temprana de defectos en los rodamientos. Los modelos de alta sensibilidad (100–1000 mV/g, ancho de banda de hasta ~5 kHz) se eligen para vibraciones de bajo nivel en maquinaria de precisión.

Acelerómetros MEMS

Los acelerómetros microelectromecánicos son más pequeños, económicos y consumen menos energía que los sensores piezoeléctricos. Se han convertido en una opción viable para la monitorización continua de maquinaria no crítica y redes de sensores inalámbricos. El ancho de banda y el rango dinámico han mejorado sustancialmente en los últimos años, aunque los sensores piezoeléctricos siguen ofreciendo un rendimiento superior en altas frecuencias.

Sensores de velocidad (transductores sísmicos)

Una masa magnética suspendida se mueve con respecto a una bobina, generando una tensión proporcional a la velocidad. Estos sensores no requieren alimentación externa, tienen una construcción robusta y proporcionan una salida directa de velocidad, lo que resulta conveniente para la evaluación según ISO 20816 / ISO 10816 heredada sin integración. Entre sus inconvenientes figuran una respuesta limitada a baja frecuencia (normalmente por encima de 10 Hz), sensibilidad a la temperatura y un tamaño relativamente grande.

Sondas de proximidad (sensores de corrientes de Foucault)

Un oscilador de alta frecuencia genera un campo electromagnético en la punta de la sonda. Las corrientes parásitas en la superficie conductora del eje modifican la impedancia, y la electrónica convierte este cambio en un voltaje de CC proporcional a la distancia de separación (gap). Dos sondas montadas a 90° en cada cojinete proporcionan datos de posición del eje en los ejes XY para el análisis de la órbita. La resolución es del orden de 0,1 μm, y la sonda presenta respuesta en CC (puede registrar tanto desplazamientos estáticos lentos como vibraciones dinámicas).

4.3 Montaje y calibración

Métodos de montaje

La forma en que se fija un sensor a la máquina determina la frecuencia máxima utilizable. Cada método introduce una resonancia de montaje por encima de la cual la medición no es fiable.

Acondicionamiento de señales

Los sensores IEPE requieren una fuente de alimentación de corriente constante (normalmente de 2 a 4 mA a 18-28 V CC). Esta alimentación la proporciona el sistema de adquisición de datos. Los sensores de carga requieren un amplificador de carga independiente. En ambos casos, la ruta de la señal debe utilizar cables apantallados de bajo ruido, y los tendidos de cable deben ser lo más cortos posible para minimizar la captación electromagnética de los cables de alimentación de la sala de máquinas.

Calibración

Los sensores y canales deben verificarse con una referencia trazable al menos una vez al año, y con mayor frecuencia en entornos marinos adversos. Un excitador de calibración portátil que produce una aceleración conocida a una frecuencia conocida (generalmente 10 m/s² a 159,15 Hz) es la herramienta de campo estándar. La comparación directa con un acelerómetro de referencia ofrece mayor confianza y puede realizarse a bordo.

5. Análisis de señales

Desde la forma de onda de vibración en bruto hasta las conclusiones de diagnóstico: la cadena de procesamiento de señales que hace posible la identificación de fallos.

5.1 Tipos de señal

Comprender qué tipo de señal produce su máquina determina qué técnicas de análisis extraerán información útil.

Señales periódicas y armónicas

Una sinusoide pura a una sola frecuencia es el caso más simple (raro en la práctica). La mayoría de las máquinas rotativas producen poliharmónico señales —una frecuencia fundamental más sus múltiplos enteros—. Un motor diésel de cuatro tiempos produce armónicos de orden de encendido; un tren de engranajes produce la frecuencia de engranaje y sus armónicos.

Señales moduladas

Modulación de amplitud (AM) — la envolvente de la señal varía periódicamente. Un defecto en la pista interior de un rodamiento que pasa por la zona de carga una vez por revolución crea AM de la respuesta de impacto de alta frecuencia a la velocidad del eje. Modulación de frecuencia (FM) — la frecuencia instantánea varía. La fluctuación de velocidad de un compresor alternativo es una fuente común.

Señales impulsivas y transitorias

Eventos de corta duración y gran amplitud que excitan simultáneamente múltiples resonancias. Los defectos en rodamientos de elementos rodantes, los desconchados en dientes de engranaje y los elementos de fijación flojos producen vibración impulsiva. Rasgos característicos: alto factor de cresta, contenido frecuencial amplio, decaimiento rápido y repetición periódica a la frecuencia del defecto.

Señales aleatorias

El flujo turbulento, la cavitación y la degradación superficial avanzada producen vibraciones sin un componente periódico dominante. Estadísticamente, se caracterizan por su densidad espectral de potencia (PSD) en lugar de por picos de frecuencia individuales.

5.2 Dominio temporal y dominio frecuencial

Análisis en el dominio del tiempo

El análisis de la forma de onda original revela información que el análisis espectral puede ocultar: la sincronización del impacto, los patrones de modulación, la asimetría (truncamiento, recorte) y la presencia de eventos transitorios. Los parámetros estadísticos calculados a partir de la forma de onda —RMS, factor de cresta, curtosis, asimetría— cuantifican las características de la señal y suelen ser los primeros indicadores del deterioro del rodamiento.

La curtosis es especialmente valiosa para el diagnóstico de rodamientos. Un rodamiento sano produce una vibración aproximadamente gaussiana (curtosis ≈ 3). Los defectos en desarrollo hacen que la curtosis supere ampliamente 4 —a veces incluso 10— mucho antes de que el valor RMS general aumente lo suficiente como para activar una alarma.

Análisis en el dominio de la frecuencia (FFT)

La transformada rápida de Fourier convierte un registro temporal en un espectro de frecuencias, revelando qué frecuencias contienen la mayor cantidad de energía. Esta es la principal herramienta de diagnóstico, ya que los diferentes tipos de fallas producen vibraciones a frecuencias distintas y predecibles.

Consideraciones clave sobre el DSP

Frecuencia de muestreo Debe superar el doble de la frecuencia más alta de interés (criterio de Nyquist). Los filtros anti-aliasing atenúan todo lo que esté por encima de la frecuencia de Nyquist antes de la digitalización. Una regla práctica: muestrear a 2,56 veces el ancho de banda de análisis (para tener en cuenta la atenuación del filtro).

Resolución de frecuencia = 1 / T, donde T es la duración del registro. Para separar dos frecuencias cercanas se necesita un registro más largo. En aplicaciones marinas donde la velocidad varía ligeramente, el seguimiento de órdenes (remuestreo sincronizado con un pulso de tacómetro) mantiene una resolución constante en el dominio de órdenes, independientemente de la deriva de velocidad.

Ventaneo Suprime la fuga espectral causada por la longitud finita del registro. Hanning es la ventana de propósito general por defecto; la ventana flat-top ofrece la mejor precisión de amplitud (importante al compararla con límites absolutos); la ventana rectangular solo es apropiada para señales verdaderamente transitorias.

5.3 Técnicas avanzadas

Análisis de envolvente (demodulación de amplitud)

El método de elección para el diagnóstico de rodamientos de elementos rodantes. Pasos: (1) filtro paso banda alrededor de una resonancia estructural excitada por impactos del rodamiento (normalmente 2–8 kHz), (2) extracción de la envolvente de amplitud mediante transformada de Hilbert o rectificación + filtro paso bajo, (3) cálculo de la FFT de la envolvente. Frecuencias de defectos de los rodamientos (BPFO, BPFI, BSF, FTF) aparecen entonces como picos distintos en el espectro de envolvente, claramente separados de los armónicos de la velocidad del eje y de otras fuentes.

Análisis del cepstro

El cepstrum es la transformada rápida de Fourier inversa del espectro logarítmico de magnitud. Detecta patrones periódicos. dentro El espectro de frecuencias —exactamente lo que producen las bandas laterales alrededor de la frecuencia de engranaje o las familias armónicas derivadas de la holgura—. La técnica es menos intuitiva que la FFT directa, pero resulta especialmente eficaz cuando se superponen varias familias de bandas laterales.

Seguimiento de pedidos

En maquinaria de velocidad variable (común en buques con variadores de frecuencia o durante maniobras), la transformada rápida de Fourier (FFT) convencional difumina los picos relacionados con la velocidad. El seguimiento de órdenes remuestrea la señal temporal utilizando un tacómetro o una referencia de velocidad, convirtiendo el análisis del dominio de la frecuencia al dominio de los órdenes. Cada orden corresponde a un múltiplo fijo de la velocidad del eje.

Función de coherencia

Mide la relación lineal entre dos señales en función de la frecuencia. Una coherencia cercana a 1,0 en una frecuencia dada significa que la vibración en el punto de respuesta está causada predominantemente por la excitación en el punto de referencia. Es útil para aislar vías de transmisión, verificar la calidad de la medición y evaluar qué parte de la vibración de una máquina se transmite a estructuras cercanas o, en un buque, cuánta de la vibración de la «máquina» llega realmente desde la hélice a través del casco.

6. Programas de monitorización de condición

Diseño y gestión de un programa de monitorización de vibraciones a bordo de buques, desde las pruebas de aceptación hasta el análisis de tendencias.

6.1 Ensayos de aceptación

Los ensayos de aceptación de vibraciones establecen que los equipos recién instalados o reacondicionados cumplen su especificación de diseño antes de entrar en servicio. En equipos marinos esto suele hacerse por etapas: ensayo de aceptación en fábrica (FAT) en el fabricante — la ISO 20283-3 cubre la medición de vibraciones previa a la instalación de equipos de a bordo —, ensayo de aceptación en puerto (HAT) tras la instalación a bordo y prueba de mar a plena carga.

¿Qué detectan las pruebas de aceptación?

• Desequilibrio residual superior al especificado ISO 21940-11 (anteriormente ISO 1940-1) grado de calidad de equilibrado
• Pie blando: uno o más pies de montaje no hacen contacto adecuado con la base.
• Desalineación del acoplamiento introducida durante la instalación
• La tensión en las tuberías se transmite a las bridas de la bomba o del compresor.
• Resonancias de la cimentación que coinciden con la velocidad de funcionamiento o con la frecuencia de paso de pala de la hélice

Las mediciones durante los ensayos de aceptación se convierten en la línea base para la monitorización posterior del estado. Deben tomarse a varios niveles de carga (normalmente 25 %, 50 %, 75 %, 100 %) y documentarse con los parámetros de funcionamiento (velocidad, carga, temperaturas, estado de la mar).

6.2 Sistemas de monitorización

Sistemas portátiles (basados en rutas)

Un técnico recorre una ruta predefinida por la sala de máquinas, recopilando datos en cada punto de medición marcado mediante un dispositivo portátil. Un software instalado en un ordenador en tierra o en la oficina almacena, registra tendencias y analiza los datos. Este es el método más rentable para la maquinaria auxiliar, donde no se justifica la monitorización continua.

Sistemas permanentes (en línea)

Los sensores se instalan de forma permanente en equipos críticos y se conectan a un sistema central de adquisición de datos. Las mediciones se realizan automáticamente a intervalos programados o de forma continua. Las alarmas se activan cuando se superan los umbrales establecidos. Los motores principales, los generadores, los motores de propulsión y los reductores son ejemplos típicos de equipos que requieren sensores.

Enfoque híbrido

La mayoría de las flotas modernas combinan ambos métodos. El monitoreo continuo abarca las 10 a 15 máquinas más críticas. Las mediciones portátiles basadas en rutas cubren de 50 a 200 elementos auxiliares con una frecuencia semanal o trimestral. Un software unificado integra ambos conjuntos de datos en una única base de datos.

Un punto de partida práctico

La tabla siguiente es una matriz inicial típica para un buque mercante. Es deliberadamente genérica: para cualquier buque concreto, tienen prioridad el análisis de criticidad, los requisitos de clase y las instrucciones del fabricante.

Base de datos y jerarquía

La base de datos de monitorización organiza los equipos en una estructura jerárquica: buque → departamento (motor, cubierta, electricidad) → sistema (propulsión, refrigeración auxiliar, extinción de incendios) → máquina → componente → punto de medición. Cada punto tiene definidos el tipo de sensor, la dirección, las unidades, los niveles de alarma y la configuración de análisis. Un buen diseño jerárquico facilita la evaluación comparativa y la elaboración de informes para toda la flota.

6.3 Niveles de alarma y análisis de tendencias

Configuración de niveles de alarma

Existen tres enfoques comunes, y estos pueden combinarse.

• Basado en estándares — use directamente los límites de zona de ISO 20816 (anteriormente ISO 10816) o API. Es sencillo, pero de talla única.
• Estadístico — Configure la alerta en la media de referencia + 2–3 desviaciones estándar, y el umbral de peligro en la media + 4–6 σ. Adaptable a cada máquina, pero requiere datos de referencia suficientes.
• Basado en la experiencia — derivado del conocimiento del analista sobre un tipo de máquina específico. Suele ser más eficaz para equipos inusuales o muy antiguos que no están bien cubiertos por estándares genéricos.

Análisis de tendencias

La representación gráfica de un parámetro a lo largo del tiempo permite detectar fallos incipientes antes de que alcancen niveles de alarma. El análisis de tendencias funciona para el valor RMS general, los componentes de frecuencia individuales, los parámetros estadísticos (factor de cresta, curtosis) y las métricas derivadas de la envolvente. La pendiente de la línea de tendencia —y especialmente cualquier cambio repentino en la pendiente— es el factor determinante para la toma de decisiones.

Los métodos abarcan desde la simple inspección visual de gráficos de series temporales hasta el control estadístico de procesos (CUSUM, EWMA) y modelos de vida útil restante basados en regresión. Para maquinaria crítica, la combinación de múltiples parámetros con tendencias en un único «índice de salud» proporciona una visión más completa que la que ofrece cualquier parámetro por separado.

7. Detección e identificación de fallos

Conversión de los picos espectrales, las formas de onda y los parámetros estadísticos en diagnósticos de fallos específicos.

7.1 Diagnóstico de rodamientos de elementos rodantes

Los rodamientos de elementos rodantes son el componente más monitorizado en los programas marinos de vibraciones. Cada ubicación del defecto produce una frecuencia característica determinada por la geometría del rodamiento y la velocidad del eje.

Frecuencias de defectos

La frecuencia de la pista exterior es siempre la menor de las dos frecuencias de pista (BPFO ≈ 0.4 · N · f_eje como regla aproximada), y la frecuencia de la pista interior es la mayor (BPFI ≈ 0.6 · N · f_eje); juntas suman N · f_eje — una comprobación rápida muy útil.

Etapas de progresión de fallos

1. Comienzo — aumento sutil del nivel de ruido de alta frecuencia (banda ultrasónica, > 20 kHz). Aún no hay picos discretos. Solo detectable con técnicas especializadas de alta frecuencia (emisión acústica, spike energy).
2. Aparecen frecuencias de defectos discretas — Las frecuencias características del rodamiento (BPFO, BPFI, etc.) se hacen visibles en el espectro de la envolvente o en el espectro de aceleración de la banda de alta frecuencia.
3. Se desarrollan armónicos y bandas laterales. — Los armónicos de frecuencia de defecto aumentan; aparecen bandas laterales de modulación a la velocidad del eje alrededor de las frecuencias de los rodamientos.
4. Ampliación y aumento — el nivel de ruido aumenta en la banda de frecuencia de los rodamientos; la aceleración general y la velocidad RMS comienzan a aumentar; el factor de cresta puede comenzar a disminuir a medida que aumenta el contenido aleatorio.
5. Daños avanzados — Predomina la vibración aleatoria de banda ancha; aumentan los niveles de desplazamiento; se incrementan las temperaturas; se escucha ruido. El fallo es inminente.

Análisis de envolvente en la práctica

Filtre la señal de aceleración sin procesar en el rango de 2 a 8 kHz (o alrededor de la resonancia más alta excitada por el rodamiento; identifíquela a partir de una prueba de impacto o del propio espectro). Calcule la envolvente de la transformada de Hilbert. Aplique la transformada rápida de Fourier (FFT) a la envolvente. Si observa picos en BPFO, BPFI, BSF o FTF (y sus armónicos), se confirma la presencia de un defecto en el rodamiento.

7.2 Fallos de engranajes y problemas de eje

Diagnóstico de engranajes

La frecuencia fundamental de malla de engranaje (GMF) es igual al número de dientes multiplicado por la frecuencia de rotación del eje. Un engranaje en buen estado produce un pico de malla limpio con bandas laterales bajas. Los problemas que se desarrollan se manifiestan como una mayor amplitud de malla, bandas laterales crecientes espaciadas a la frecuencia del eje del engranaje dañado y, finalmente, la generación de armónicos superiores de la GMF.

Problemas de ejes y acoplamientos

Problemas relacionados con el impulsor y el flujo

Frecuencia de paso de pala (BPF) = número de palas × frecuencia del eje. Una BPF elevada y sus armónicos indican daño en el impulsor, problemas de separación difusor-impulsor o distorsión del flujo de entrada. La cavitación produce ruido de banda ancha de alta frecuencia, una firma sonora de «crepitación» por encima de 2 kHz con alta curtosis. La recirculación a bajo caudal crea inestabilidad aleatoria de baja frecuencia. En los buques, recuerde que la propia hélice produce vibración a la frecuencia de paso de pala que se propaga por la estructura (véase la Sección 3.2).

7.3 Evaluación de severidad y pronóstico

Detectar una falla es solo la mitad del trabajo. El equipo de mantenimiento necesita saber qué rápido La falla está progresando y cuánto tiempo La máquina puede seguir funcionando de forma segura.

Métricas de severidad

• Amplitud del pico de frecuencia del defecto en relación con su valor de referencia.
• Tasa de cambio de esa amplitud (pendiente de la tendencia)
• Número e intensidad de los armónicos y las bandas laterales.
• Factor de cresta y progresión de la curtosis
• Velocidad o aceleración RMS global en relación con los límites de la zona ISO

Métodos de pronóstico

Una simple tendencia con extrapolación lineal o exponencial proporciona una estimación aproximada de la vida restante. Los enfoques más sofisticados incluyen modelos de degradación basados en la física (por ejemplo, propagación del desconchado bajo esfuerzo hertziano) y modelos basados en datos entrenados con conjuntos run-to-failure. En cualquier caso, las predicciones deben llevar intervalos de confianza explícitos: una estimación puntual de «quedan 42 días» es mucho menos útil que «30–60 días con un 90 % de confianza».

8. Alineación y equilibrado

Las dos medidas correctivas que eliminan la mayor parte de los problemas de vibración en los equipos rotativos marinos.

8.1 Alineación de ejes

La desalineación entre ejes acoplados es una de las tres principales causas de vibración en la maquinaria marina (junto con el desequilibrio y el desgaste de los cojinetes). Genera fuerzas excesivas sobre cojinetes, sellos y acoplamientos, y produce una vibración característica dominada por el componente de 2× la velocidad del eje.

Tipos de desalineación

Alineación estática frente a alineación dinámica

La alineación estática se mide cuando la máquina está fría y en reposo. La alineación dinámica (en funcionamiento) puede diferir considerablemente debido al crecimiento térmico, la deflexión de la cimentación bajo carga y las fuerzas de la tubería que aparecen con la temperatura y la presión. Un grupo electrógeno diésel, por ejemplo, puede crecer 1–2 mm en vertical en el centro del acoplamiento cuando el motor alcanza la temperatura de servicio. En los buques hay una capa adicional: la deflexión del casco con los cambios en la condición de carga y lastre modifica la alineación de la línea de eje entre el viaje cargado y el viaje en lastre.

Los sistemas de alineación láser calculan desviaciones en frío para compensar la dilatación térmica prevista, de modo que la alineación sea correcta a la temperatura de funcionamiento y no a temperatura ambiente.

Pie blando

Si uno o más patas de la máquina no hacen contacto correctamente con la base, al apretar el perno de sujeción se deforma el bastidor, se altera la alineación de los cojinetes y se modifican las características de vibración en función de la carga. Detectar la pata blanda es el primer paso antes de cualquier procedimiento de alineación: afloje cada perno y mida el movimiento con un comparador de cuadrante o un sistema láser. Corrija con calces de precisión.

8.2 Teoría del equilibrado

El desequilibrio de masas genera una fuerza centrífuga que gira con el eje, produciendo vibraciones a 1× RPM. Esta fuerza es proporcional a ω², por lo que un rotor que vibra moderadamente a baja velocidad puede ser destructivo a alta velocidad.

Tipos de desequilibrio

• Estático — un único punto pesado; el rotor se asentaría con el lado pesado hacia abajo sobre los bordes afilados. Un plano de corrección es suficiente.
• Momento — Dos masas iguales separadas 180° en planos axiales diferentes. No hay desequilibrio estático, pero el rotor oscila durante la rotación. Se requieren dos planos de corrección.
• Dinámica — El caso general: combinación de estática y de par. Siempre requiere corrección en dos planos para su eliminación completa.

Calidad de equilibrado — ISO 21940-11 (anteriormente ISO 1940-1)

ISO 21940-11 define el desequilibrio residual permisible en función de la masa del rotor y de la velocidad de servicio, expresado como un grado de calidad de equilibrado G. El valor del grado equivale al producto e_por · ω in mm/s, where e_por es el desequilibrio específico permisible (desplazamiento del centro de masa respecto al eje del árbol) y ω la velocidad angular a la velocidad de servicio. En unidades prácticas:

8.3 Equilibrado in situ

El equilibrado en campo corrige el desequilibrio en los cojinetes y soportes de la propia máquina, en condiciones reales de funcionamiento. Esto es casi siempre preferible a desmontar el rotor para su equilibrado en taller cuando el desequilibrio se debe a la suciedad, la erosión o la deformación térmica durante el uso, y no a un defecto de fabricación.

Procedimiento de plano único (método del coeficiente de influencia)

1. Mida la amplitud y la fase de la vibración inicial a 1× RPM (pasada de referencia).
2. Coloque una masa de prueba conocida en una posición angular conocida sobre el rotor.
3. Ponga en marcha la máquina y mida la vibración de nuevo (pasada de prueba).
4. Calcule el coeficiente de influencia: cuánto cambio de vibración produce una unidad de masa en ese radio.
5. Calcula la masa y el ángulo de corrección necesarios para anular la vibración (aritmética vectorial).
6. Retire la masa de prueba, instale la masa de corrección y verifique con una pasada final.

El equilibrado en dos planos sigue la misma lógica, pero resuelve un sistema de 2×2 de coeficientes de influencia, lo que permite la corrección simultánea de los componentes estáticos y de par.

Desafíos específicos del medio marino

• Movimiento del buque — Las vibraciones de fondo producidas por las olas y el motor pueden enmascarar la señal 1×. Solución: promediar las mediciones durante muchas revoluciones, programar las pruebas para condiciones de calma o en puerto.
• Acceso limitado — Los planos de corrección pueden estar dentro de recintos. A menudo se requiere una planificación previa y métodos personalizados de fijación de contrapesos.
• Efectos térmicos — las máquinas equilibradas en frío pueden desarrollar desequilibrio adicional a la temperatura de servicio debido a la expansión diferencial. Idealmente, verifique el equilibrado a la temperatura normal de funcionamiento.

8.4 Otros enfoques de reducción de vibraciones

Cuando el equilibrado y la alineación no reducen la vibración a niveles aceptables, existen otras técnicas disponibles.

Modificación de la fuente

Rediseñar o modificar el componente para reducir la fuerza de excitación; por ejemplo, optimizando la distancia entre el impulsor y el difusor en una bomba, mejorando las tolerancias de fabricación o seleccionando una velocidad de funcionamiento más alejada de una velocidad crítica.

Cambios en la rigidez y la amortiguación

El refuerzo de una cimentación modifica su frecuencia natural, alejándola de la frecuencia de excitación. La adición de amortiguación (tratamientos de capas restringidas, soportes viscoelásticos) reduce la amplificación en resonancia. Ambos métodos pueden aplicarse después de la instalación, si bien el refuerzo de la cimentación en un buque está limitado por las restricciones de peso estructural.

Aislamiento de vibraciones

Los soportes resilientes (goma, muelle, aire) desacoplan la máquina de la estructura del casco. El aislamiento se vuelve efectivo cuando la frecuencia de excitación supera aproximadamente √2 × la frecuencia natural del soporte. Los aisladores marinos también deben resistir cargas debidas al movimiento del buque y tolerar atmósferas corrosivas.

Absorbedores y amortiguadores sintonizados

Un amortiguador de masa sintonizada (TMD), un pequeño sistema secundario masa-resorte ajustado a la frecuencia problemática, absorbe energía de la estructura primaria a esa frecuencia concreta. Es eficaz para problemas de banda estrecha, como una resonancia de cubierta excitada por un generador o por la frecuencia de paso de pala de la hélice. La desventaja es que cada TMD aborda solo una frecuencia.

9. Tecnologías emergentes

Hacia dónde se dirige el diagnóstico de vibraciones marinas: sensores inalámbricos, computación perimetral, aprendizaje automático y el camino hacia el mantenimiento autónomo.

9.1 IA y aprendizaje automático

El aprendizaje automático está transformando el diagnóstico de vibraciones, pasando de conjuntos de reglas definidas manualmente al reconocimiento de patrones basado en datos. Las aplicaciones más inmediatas son la clasificación automatizada de fallos y la predicción de la vida útil restante.

Clasificación

Las redes neuronales convolucionales (CNN) entrenadas con conjuntos de datos de vibración etiquetados pueden clasificar fallos en rodamientos, engranajes, desequilibrios y desalineaciones con una precisión comparable a la de analistas experimentados, siempre que los datos de entrenamiento cubran las condiciones operativas reales. El aprendizaje por transferencia y la adaptación de dominio abordan el problema común de la escasez de datos marinos etiquetados, partiendo de modelos entrenados con conjuntos de datos industriales y ajustándolos con datos a bordo de los buques.

Detección de anomalías

Los autoencoders y los autoencoders variacionales aprenden una representación comprimida de la vibración normal. Cuando una nueva medición se sale de la distribución aprendida, el sistema la marca como anómala, sin necesidad de ejemplos previos de todos los posibles tipos de fallos. Esto resulta especialmente valioso para modos de fallo poco frecuentes.

Gemelos digitales

Un gemelo digital es un modelo basado en la física o híbrido de una máquina que funciona en paralelo con la real y se actualiza continuamente con datos de sensores. Las desviaciones entre las predicciones del modelo y las mediciones reales indican cambios en las condiciones internas. Los gemelos digitales permiten simular escenarios («¿qué pasa si aumentamos la velocidad un 5 %?») y ofrecen un pronóstico más fiable porque incorporan física en lugar de basarse solo en extrapolación estadística.

9.2 Sensores inalámbricos y edge computing

Los sensores de vibración inalámbricos han madurado hasta el punto en que la duración de la batería supera los cinco años, la fiabilidad de la comunicación es suficiente para la monitorización no crítica para la seguridad y el procesamiento integrado permite que el sensor calcule parámetros estadísticos localmente, transmitiendo únicamente resúmenes y alarmas en lugar de formas de onda brutas. Esto reduce drásticamente el coste de instalación —sin cableado, sin conducciones, sin cajas de conexiones— y hace que sea económicamente viable monitorizar cientos de máquinas auxiliares que anteriormente no se monitorizaban.

La computación perimetral sitúa la capacidad de procesamiento en el sensor o cerca de él, lo que permite generar alarmas en tiempo real, realizar transformadas rápidas de Fourier (FFT) locales e incluso inferencias de redes neuronales sin depender de una conexión a la nube en tierra. Esto es fundamental para los buques que pasan días o semanas con un ancho de banda satelital limitado.

9.3 Diagnóstico autónomo e integración

La trayectoria a largo plazo apunta hacia sistemas que detecten, diagnostiquen y actúen con una mínima intervención humana:

• Sensores autocalibrables que verifican su propia salud y compensan la desviación.
• Diagnóstico automático de fallos integrado con el sistema de mantenimiento planificado del buque, la detección de defectos en los rodamientos genera automáticamente una orden de trabajo, verifica el inventario de repuestos y sugiere una ventana de mantenimiento.
• Análisis a nivel de flota — Comparar el mismo tipo de equipo en toda una flota permite identificar problemas sistémicos (un lote defectuoso de rodamientos, una resonancia relacionada con el diseño) que pasarían desapercibidos con la monitorización de un solo buque.
• Fusión multiparamétrica La combinación de datos de vibración, análisis de aceite, termografía y rendimiento en un único índice de salud proporciona una evaluación del estado más fiable que cualquier técnica individual por separado.

Preparación para la adopción

La tecnología por sí sola no es suficiente. Su adopción exitosa requiere el desarrollo de la fuerza laboral (capacitación en alfabetización de datos para ingenieros acostumbrados a herramientas, no a algoritmos), planificación de ciberseguridad (los sistemas de monitoreo conectados son una superficie de ataque) y un enfoque por fases: realizar una prueba piloto en algunos buques, demostrar su valor y luego ampliarlo.