Monitorización del estado
Aplicación de la tecnología de ultrasonidos
Las aplicaciones más importantes de las tecnologías de medición basadas en la vibración están relacionadas con la supervisión de maquinaria rotativa y alternativa. El análisis de vibraciones y los estudios de acústica técnica se llevan a cabo principalmente en el rango de frecuencias de hasta 20 kHz.
Sin embargo, muchos procesos técnicos y físicos generan sonido y vibraciones a frecuencias más altas. La mayoría de los instrumentos actuales de ensayo por ultrasonidos permiten a los usuarios acceder a parámetros relativamente sencillos, como el nivel sonoro, registrado y convertido por sensores de banda estrecha y sistemas electrónicos. Esto limita el valor informativo de los resultados de las mediciones por ultrasonidos, ya que la mayoría de los procesos físicos generan ultrasonidos en un amplio rango de frecuencias.
Introducción
La creciente importancia del mantenimiento se debe a la automatización cada vez mayor de los procesos técnicos. A medida que aumentan el nivel de automatización y la complejidad de las máquinas y las instalaciones, se incrementará la interrelación técnica y organizativa de las plantas y, por consiguiente, el coste de las averías. Esto conlleva un aumento de los requisitos en cuanto a la disponibilidad y la productividad de las máquinas y las instalaciones. Además, los requisitos en materia de seguridad laboral y protección del medio ambiente también se incrementarán de la misma manera.
En los últimos años se han desarrollado diversas estrategias de mantenimiento para cumplir estos requisitos. En los inicios de la evolución del mantenimiento, las reparaciones solo se llevaban a cabo una vez que se había producido el daño y los tiempos de inactividad solían ser de carácter no crítico. Las máquinas tenían un diseño sencillo y/o estaban sobredimensionadas. Durante la segunda generación del mantenimiento, aproximadamente entre 1960 y 1980, se estableció el mantenimiento programado para satisfacer las crecientes exigencias de productividad. Durante la tercera generación del mantenimiento (desde la década de 1980), la disponibilidad y la fiabilidad de las máquinas y las instalaciones han sido los factores más importantes de la producción. Las restricciones derivadas de la presión económica exigen la optimización no solo de los costes asociados a la producción, sino también de los relacionados con el mantenimiento. Esto ha dado lugar a la introducción del mantenimiento basado en el estado (CBM). Con el CBM, solo se lleva a cabo una reparación si es realmente necesaria, en función del estado real del proceso o de la máquina.
Fig. 1: Dispositivo digital de ensayo por ultrasonidos SONAPHONE
La monitorización del estado como herramienta del mantenimiento basado en el estado
El objetivo del mantenimiento basado en el estado o mantenimiento predictivo (PdM) es poner en marcha una medida de mantenimiento en el momento oportuno. «Oportuno» significa lo suficientemente pronto como para mantener los gastos de reparación al mínimo antes de que se produzcan daños mayores que requieran un mayor esfuerzo, pero lo más tarde posible para minimizar el tiempo de inactividad de una máquina y maximizar el uso de las piezas hasta el final de su ciclo de vida. Garantizar el último momento de uso seguro supone un gran reto. Como consecuencia de ello, en la práctica se suele recurrir a la primera estrategia. El objetivo de la estrategia basada en el estado es, por lo tanto, minimizar los costes de mantenimiento mediante la detección y reparación tempranas de fallos. La identificación temprana de indicios de defectos es la misión esencial de los métodos de diagnóstico basados en ultrasonidos. La monitorización del estado se define generalmente como el uso de tecnologías adecuadas para determinar el estado operativo real de una máquina. El estado operativo es la superposición del estado del proceso y del de la máquina. En el pasado, el operador o el técnico de mantenimiento tenía que llevar a cabo la monitorización del estado utilizando únicamente los sentidos, como el oído, la vista o el tacto. Hoy en día, dado que muchas máquinas y procesos funcionan sin personal y las instalaciones son cada vez más complejas, se necesita una técnica de monitorización.
Además, esta técnica podría ofrecer muchas nuevas posibilidades para supervisar parámetros las 24 horas del día, sin interrupción. Esto significa que las máquinas y los sistemas no tripulados pueden controlarse a distancia con relativa facilidad. Se pueden supervisar diversos parámetros, como la temperatura, la presión, el caudal, la calidad del aceite o las vibraciones, con el fin de detectar el estado de funcionamiento de una máquina. Dichos parámetros pueden complementarse con otros, como la corriente o la fuerza del husillo de accionamiento. Los dos últimos parámetros mencionados suelen ponerse a disposición del operario de las máquinas-herramienta directamente de fábrica. Dado que la mayoría de los fallos en máquinas con piezas giratorias provocan vibraciones, la mayor parte de la información sobre el estado de una máquina (su «salud») y los parámetros del proceso (sus características de funcionamiento) puede obtenerse mediante la monitorización del estado a través de la medición de vibraciones. Esto significa que es posible supervisar tanto el estado de la máquina como el del proceso con una sola tecnología. Esta capacidad de optimizar simultáneamente la productividad y el mantenimiento puede mejorar significativamente la eficiencia global de las plantas.
El ultrasonido en el ámbito del mantenimiento
Debido a las ventajas descritas anteriormente, la medición de vibraciones es, en la práctica, la primera opción para la supervisión de máquinas con piezas giratorias. Para medir las vibraciones se suelen utilizar sensores de vibración con una respuesta de frecuencia lineal de hasta 20 kHz. Dado que los procesos acústicos que pueden utilizarse para el mantenimiento abarcan un rango de frecuencias adicional de hasta 1 MHz, se necesitan sensores especiales. Estos sensores ultrasónicos se utilizan cuando las frecuencias que se van a analizar son demasiado altas, pero también cuando las deflexiones son demasiado pequeñas para los sensores de vibración. Además, el análisis en el rango ultrasónico ofrece la ventaja de que la gran cantidad de ruido de la máquina en el rango audible no interfiere en la medición. Los autores clasifican el uso de métodos ultrasónicos como un enfoque complementario al análisis de vibraciones. Las causas de la generación de emisiones sonoras en el rango ultrasónico difieren de las que dan lugar a la generación de vibraciones. Los impactos más importantes que deben registrarse en el mantenimiento se basan, en última instancia, en la fricción. Entre estas operaciones se encuentran, por ejemplo, la supervisión de la lubricación o la detección de funcionamiento en seco, los flujos de fuga y los procesos técnicos de fricción en cojinetes lisos o frenos. Sin embargo, otras causas de emisión sonora, como la turbulencia, la cavitación o los procesos de descarga, amplían también el ámbito de aplicación a procesos que no tienen su origen en máquinas con piezas giratorias. Para todas estas causas, se aprovechan las ventajas de los métodos de ultrasonidos para detectar daños o cambios en el proceso lo antes posible. Como se muestra en la figura 2, el tipo de detección de señales y, por tanto, el uso de los ultrasonidos en el mantenimiento pueden dividirse en dos categorías: el sonido aéreo y el sonido transmitido por la estructura.
Fig. 2: Resumen de las aplicaciones de mantenimiento con ultrasonidos
En el caso del sonido aéreo, ya se conocen aplicaciones como la detección de fugas en sistemas de aire comprimido, las pruebas activas de fugas en cabinas y contenedores o la detección de descargas parciales. Las aplicaciones relacionadas con el sonido transmitido por la estructura, como las pruebas de purgadores de vapor, el diagnóstico de rodamientos y las pruebas de válvulas, ya están consolidadas. Se han desarrollado sensores ultrasónicos basados en materiales compuestos piezoeléctricos que se utilizan en aplicaciones de sonido transmitido por la estructura para la monitorización de procesos. Gracias a su respuesta en frecuencia plana y a su alta sensibilidad, estos nuevos sensores son adecuados para aplicaciones de banda ancha.
El nuevo detector de ultrasonidos portátil SONAPHONE
En 2016, SONOTEC Ultraschallsensorik Halle GmbH lanzó al mercado un nuevo dispositivo de ensayo. El dispositivo está diseñado para tareas de inspección por ultrasonidos en el ámbito del mantenimiento. Las principales diferencias con respecto a los dispositivos disponibles anteriormente son el amplio rango de frecuencias de los sensores y el diseño modular del dispositivo de medición digital. Además, todas las funcionalidades de los dispositivos móviles habituales, como los smartphones y las tabletas, están integradas en este novedoso detector de ultrasonidos portátil. Con el nuevo SONAPHONE, se puede detectar y evaluar un rango de frecuencias de 20 a 100 kHz.
El dispositivo contará con aplicaciones específicas que ayudarán al ingeniero de mantenimiento durante las pruebas, así como en la evaluación de datos y la documentación de las mismas. El SONAPHONE se ha desarrollado como un dispositivo de ensayo portátil para todas las aplicaciones de mantenimiento mencionadas anteriormente. Por el momento, la plataforma está diseñada para el registro y el procesamiento sincrónicos de dos señales: la señal de ultrasonidos y la de temperatura (implementada en el sensor de sonido transmitido por la estructura) pueden registrarse de forma sincronizada en el tiempo.
Fig. 3: Detector de ultrasonidos portátil SONAPHONE (izquierda); sensor de sonido aéreo con accesorios (arriba a la derecha); y sensor de sonido transmitido por la estructura con guía de ondas (abajo a la derecha)
Para las aplicaciones relacionadas con el sonido aéreo, como la detección de fugas, las pruebas de estanqueidad y la detección de descargas parciales, se han desarrollado diferentes accesorios (figura 3, arriba a la derecha) para el sensor de sonido aéreo con el fin de adaptarse a los requisitos. De este modo, las características de recepción del sensor pueden modificarse en lo que respecta al alcance de detección y al ángulo de apertura. Para las aplicaciones de sonido transmitido por la estructura, como las pruebas de purgadores de vapor o la inspección de cojinetes, también se han desarrollado accesorios (figura 3, abajo a la derecha).
El sensor de ruido transmitido por la estructura puede equiparse con un soporte magnético o con guías de onda de diferentes longitudes. También puede atornillarse directamente al punto de ensayo. En lo que respecta a la aplicación de la monitorización de estado, el dispositivo portátil debe utilizarse para realizar pruebas móviles y periódicas, ya sea en forma de medición comparativa o de análisis de tendencias a partir de numerosas mediciones. Esto significa que la monitorización de estado se lleva a cabo en momentos específicos predeterminados y puede describirse como una estimación del estado mediante una instantánea.
Nuevos sensores de ultrasonidos de banda ancha para la monitorización del estado de las instalaciones
La motivación y los antecedentes del desarrollo de la nueva tecnología de sensores se describen detalladamente en varios artículos, por ejemplo. Se han desarrollado nuevos transductores de ultrasonidos para aplicaciones de monitorización del estado a partir de un material piezocompuesto, que resulta fundamental para el uso complementario de frecuencias más bajas y más altas dentro de una filosofía de aplicación integradora.
El uso de esta tecnología permite obtener varias ventajas. La curva de respuesta en frecuencia del sensor es relativamente suave y se suprimen las resonancias no deseadas. Esto significa que las características de frecuencia pueden linealizarse hasta cierto punto, lo que permite aprovechar las propiedades espectrales de las señales y aplicar análisis avanzados de tiempo-frecuencia en tiempo real. Otro aspecto importante se deriva del mayor número de grados de libertad en el diseño de los transductores; por ejemplo, ahora es posible fabricar transductores flexibles o con curvaturas especiales.
En la figura 4 se muestran dos curvas de impedancia eléctrica. La curva azul representa un transductor convencional de tipo piezocerámico y la curva roja representa un nuevo transductor de tipo piezocompuesto. La diferencia entre ambas curvas ilustra la supresión de resonancias no deseadas en los transductores piezocompuestos. Por el contrario, el tipo piezocerámico presenta numerosas resonancias causadas por los diferentes modos de vibración de un disco cerámico, como es el caso de la parte principal del transductor.
Fig. 4: Impedancia de un sensor convencional con un disco piezocerámico y de un nuevo sensor con un disco piezocompuesto
Fig. 5: Tecnología de procesamiento «Dice-and-fill» de compuestos piezoeléctricos
El material piezocompuesto utilizado en este trabajo se fabricó mediante la tecnología «dice-and-fill» (figura 5). Esta exigente técnica de fabricación se implantó en SONOTEC en 2008. Las placas piezocerámicas (por ejemplo, titanato de zirconato de plomo [PZT]) se cortan parcialmente con una máquina de corte de obleas en dos direcciones, formando un ángulo de 90°. Los huecos se rellenan con poliuretano o resina epoxi. Tras el endurecimiento, la placa se rectifica hasta alcanzar su espesor final. Por último, el compuesto se metaliza y se polariza.
Este proceso de fabricación es complejo y consta de varios pasos con distintos grados de dificultad. Esto da lugar a una gran variedad de posibilidades, lo que permite obtener nuevas propiedades en los transductores. Las variaciones son posibles mediante cambios en el tipo de piezocerámica, el tipo de matriz plástica, el paso y la disposición de los pilares piezocerámicos, la anchura de los huecos, el espesor de la placa, la forma de la placa y el paso macroscópico de los elementos del transductor.
Las ventajas de los novedosos sensores basados en materiales piezocompuestos también pueden ilustrarse mediante experimentos sencillos. La figura 6 muestra espectrogramas y espectros de frecuencia generados durante un experimento de fricción.
El experimento consistió en dos sensores diferentes, que se fijaron a un tubo de acero. Se comparó un sensor de vibraciones de alta frecuencia convencional con uno de los nuevos sensores ultrasónicos de banda ancha. Se utilizó una estimulación con papel de lija como fuente de sonido transmitido por la estructura. En los espectrogramas, este movimiento recíproco es reconocible entre los dos y los siete segundos. Los espectros de frecuencia se calculan a partir de una ventana temporal dentro de este intervalo. Tanto los espectrogramas como los espectros muestran claramente las diferencias entre los dos tipos de sensores.
Fig. 6: Espectrograma y espectro del sensor de vibraciones (izquierda) y del nuevo sensor ultrasónico (derecha)
El sensor de vibraciones presenta resonancias significativas por encima de los 60 kHz, mientras que el sensor ultrasónico no las presenta. A partir de la excitación de banda ancha provocada por la fricción, se pueden apreciar especialmente bien las características de frecuencia relativamente uniformes de los nuevos sensores. De ello se deduce la posibilidad de linealizar esta característica.
Sierra para el corte de obleas
El objetivo de este ejemplo es presentar la posibilidad de utilizar nuevos sensores de ultrasonidos para la monitorización del estado del proceso de mecanizado de piezas cerámicas mediante máquinas de corte de obleas de precisión. La motivación radica en la optimización general de los procesos de corte, especialmente de los denominados materiales «difíciles de cortar», o en la monitorización del estado del proceso de mecanizado de piezas muy costosas. El husillo de accionamiento de la máquina de corte se equipó con sensores ultrasónicos basados en piezocompuestos. La frecuencia de resonancia de espesor de estos sensores es de aproximadamente 1 MHz. Las señales se registraron con la tarjeta de adquisición de datos DT 9847-2-2 (Data Translation) y se analizaron utilizando MATLAB de MathWorks.
Se aplicó una frecuencia de muestreo de 216 kHz. La figura 7 muestra dos de los nuevos sensores, así como el husillo de accionamiento de la máquina de corte de obleas equipada con dichos sensores. El ejemplo de la máquina de corte de obleas constituye una aplicación interesante debido a los husillos de accionamiento especiales que se utilizan en estas máquinas. Los husillos de alta velocidad, con una velocidad de rotación de hasta 60 000 r/min, son husillos con cojinetes de aire y motores sin escobillas. Por lo tanto, no existe un acoplamiento mecánico directo entre las partes giratorias y las fijas dentro del proceso. Además, el cojinete de aire provoca una emisión acústica permanente debido al soplo de aire.
Fig. 7: Nuevos sensores para la monitorización del estado (izquierda) y máquina de corte equipada (derecha)
Se analizó un proceso estándar de corte en dados con tres discos cerámicos fijados en una fila (figura 8). El proceso tarda unos seis segundos por cada línea de corte. En primer lugar, el husillo de accionamiento se desplaza hacia abajo (en dirección del eje z). El proceso de corte propiamente dicho tiene lugar en un segundo paso. A primera vista, la señal de tiempo no aporta ninguna información valiosa para el control del proceso.
Por lo tanto, es necesario aplicar el procesamiento de señales en el dominio tiempo-frecuencia. En el espectrograma (figura 8, derecha) se muestra todo el proceso de corte. Se midieron constantemente algunas frecuencias bajas fijas. Estas se deben al husillo giratorio, con una velocidad de rotación fija de 30 000 r/min, y a las turbulencias en la salida del cojinete de aire, superpuestas por los efectos de la pulverización de agua de refrigeración.
Fig. 8: Flujo de trabajo esquemático, señal temporal (izquierda) y espectrograma de frecuencia (derecha)
Al principio y al final del corte (paso 1 y paso 3), la aceleración muy elevada del eje z da lugar a amplitudes elevadas en un rango de frecuencias de hasta un máximo de 5 kHz. Durante el corte (paso 2), el procesamiento de los tres discos da lugar a cambios reproducibles en el espectro a diferentes frecuencias. Las amplitudes más elevadas se generaron en torno a los 20 kHz, lo que constituye un buen indicio de que la monitorización de estado en el rango de frecuencias ultrasónicas podría funcionar bien. Con este resultado es posible supervisar los cambios en los parámetros de procesamiento; por ejemplo, cuanto mayor es la velocidad de avance, mayor es la amplitud en el rango de frecuencias ultrasónicas.
En el siguiente ejemplo se muestran los resultados de una serie de ensayos para la optimización de la velocidad de avance. Se procesó una placa cerámica aumentando la velocidad de avance de una línea de corte a la siguiente. En la actualidad, el valor de la corriente de accionamiento del husillo es la única información disponible sobre el estado del proceso. Debido a los cambios muy pequeños en la corriente de accionamiento del husillo en comparación con los cambios en la velocidad de avance, los resultados de la monitorización son insuficientes. Se puede obtener mucha más información con los sensores de ultrasonidos colocados en el husillo de accionamiento.
La figura 9 muestra una fotografía de la placa parcialmente cortada. Se aprecia una lámina de cerámica rota en el centro de la última línea de corte. Seis líneas de corte antes de esta, se observan los primeros indicios de daño en la parte inferior de las ranuras de corte, lo que significa que el proceso de corte ya se encontraba en un estado crítico.
Fig. 9: Fotografía de un plato de cerámica parcialmente procesado
Los siguientes resultados (figura 10) muestran que esto será posible mediante el uso de un análisis espectral de datos en tiempo y frecuencia. En el espectrograma de frecuencia, se pueden encontrar los primeros indicios en el rango de frecuencias más bajas, hasta los 5 kHz. Esto plantea la cuestión de si es posible o no detectar este estado crítico del proceso.
Fig. 10: Señal temporal (arriba a la izquierda); espectrograma (arriba a la derecha); y ampliación del espectrograma (abajo)
El aumento de la fricción en el estado crítico del proceso, y especialmente la rotura de la lamela, provoca cambios en el espectro de frecuencias de las señales. En el instante de medición de 2,3 s, algunas líneas de resonancia se interrumpen. Este fenómeno transitorio fue detectado por los sensores y podría deberse a la rotura de la lámina cerámica, tal y como se muestra en la figura 9. La posición geométrica de la rotura puede asignarse aproximadamente al fenómeno transitorio observado en el espectrograma.
Por el momento no es posible realizar una asignación precisa, ya que no existe una señal de activación procedente del eje móvil de la máquina que pueda utilizarse para sincronizar el eje temporal de la medición. Asimismo, la interpretación detallada de los efectos físicos y técnicos deberá formar parte de estudios posteriores y se publicará en futuros artículos. En conclusión, puede afirmarse que los novedosos sensores de ultrasonidos basados en piezocompuestos pueden utilizarse de forma muy eficaz para la monitorización del estado de los procesos de corte.
Detección de defectos en rodamientos de bolas
Se utilizó un banco de pruebas de rodamientos para llevar a cabo investigaciones sobre el diagnóstico de rodamientos con el nuevo detector ultrasónico SONAPHONE. Se prepararon rodamientos de bolas del tipo 6002 con diversos defectos de prueba para simular daños.
La figura 11 muestra un ejemplo de la zona sombreada en la pista de rodadura de bolas del anillo exterior. Tanto la pista de rodadura del anillo interior como las bolas pueden prepararse mediante grabado con láser. El objetivo de este método es utilizar una técnica de preparación reproducible. Esto es importante para que el estado inicial del desgaste previsto pueda reproducirse tantas veces como sea necesario.
Durante el funcionamiento, este daño simulado en el rodamiento genera vibraciones y ruido transmitido por la estructura. La figura 12 muestra un ciclo de funcionamiento ascendente y descendente en un rodamiento de bolas nuevo (izquierda) y en un rodamiento preparado (derecha). El rodamiento defectuoso puede diferenciarse del nuevo mediante la diferencia en el nivel sonoro, así como mediante la evaluación óptica del espectrograma. En el caso del rodamiento preparado, se detectan incluso ultrasonidos en todo el rango de frecuencias del SONAPHONE, hasta los 100 kHz.
La figura 11 muestra capturas de pantalla del software Data-Viewer ejecutándose en un ordenador. El nivel sonoro se muestra en la parte superior y los espectrogramas del tiempo de medición, en la parte inferior. La robustez de la tecnología de ultrasonidos de banda ancha también queda demostrada en el presente ejemplo de diagnóstico de rodamientos. En los espectrogramas se aprecia que hay rangos de frecuencia en los que prácticamente no se emite energía acústica.
Fig. 11: Anillo exterior de un rodamiento de bolas, con un defecto de prueba grabado mediante un rayo láser
El uso de la técnica de medición de banda ancha y la evaluación de datos de banda ancha supone una mejora notable de la fiabilidad en los ensayos ultrasónicos aplicados al diagnóstico técnico. Con la tecnología clásica de ensayo de banda estrecha, el resultado depende en gran medida de la superposición entre los rangos de frecuencia de máxima sensibilidad de la tecnología de ensayo y las características de frecuencia del daño del rodamiento.
Conclusiones
La aplicación de los ultrasonidos en el mantenimiento se clasificó, al principio de este artículo, dentro del ámbito de los métodos modernos de mantenimiento. En el ámbito de la monitorización del estado, en particular, la técnica de ultrasonidos contribuye de manera significativa a la detección precoz de fallos. Se presentaron brevemente el desarrollo de un nuevo dispositivo de ensayo y los primeros ejemplos de aplicación. Se describieron las ventajas del proceso de medición de banda ancha, incluido el uso de novedosos sensores de ultrasonidos con material piezocompuesto en el núcleo de los transductores. Se destacó el análisis de datos de banda ancha y la mayor solidez de los resultados de las pruebas que ello conlleva.
Agradecimientos
Partes de este trabajo han contado con el apoyo del Ministerio Federal de Educación e Investigación UMKlaD (BMBF, programa: kMU-innovativ, proyecto: 01IS15051A).
Fig. 12: Prueba de funcionamiento ascendente y descendente en el banco de pruebas. Rodamiento nuevo (izquierda) y rodamiento dañado (derecha)
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