Herramientas de medición para el mantenimiento mecánico industrial
Este artículo examina las herramientas que se utilizan en el mantenimiento mecánico industrial para predecir y prevenir costosas averías mecánicas causadas por el calor, la vibración o la humedad.
Los fallos mecánicos en una máquina pueden provocar un largo y costoso tiempo de inactividad. Aunque los problemas pueden ser fáciles de detectar cuando ocurren, la sustitución de los componentes que fallan puede llevar más tiempo en comparación con un sensor o un cable roto en el sistema de control.
Si se rompe el armazón de la máquina, puede llevar a una reparación extensa o a un reemplazo completo.
Antes de meternos en materia repasaremos algunos conceptos para que todo lector, tenga el nivel que tenga, entienda a la perfección a que nos estamos refiriendo en todo momento:
- ¿Qué es la medición y para qué sirve?
- ¿Qué son las herramientas o instrumentos de medición industrial?
- ¿Qué es el mantenimiento mecánico industrial?
- Funciones de un técnico de mantenimiento mecánico industrial
¿Qué es la medición y para qué sirve?
Su definición más literal sería: La acción de realizar una medición de algo en lo que «medir» determina el tamaño, la cantidad o el grado (de cualquier elemento) utilizando un instrumento o herramienta marcado en unidades estándar.
En las profesiones de la ingeniería y la ciencia, la medición, la precisión y la exactitud son de suma importancia, ya que son la base de lo que hacemos y cómo lo hacemos.
El reconocimiento de la necesidad de información precisa y adecuada a través de la medición se remonta a 1847 en el momento de la fundación de la Institución de Ingenieros Mecánicos. Entonces, D. Joseph Whitworth reconoció la necesidad de crear y aplicar normas de medición a través de complejos montajes de ingeniería.
Sin ellas era muy consciente del deterioro en el rendimiento de la maquinaria y de cómo hacer que los elementos encajaran mejor.
La medición no es sólo una herramienta para determinar las cantidades, también lo es para el tamaño físico de las cosas, el tiempo empleado o las unidades utilizadas en el conteo.
La medición es fundamental para el control, la mejora y la verificación. Medimos el éxito y el fracaso, y a menudo basamos nuestras acciones en juicios que surgen de la medición. Es mucho más poderosa que un simple conjunto de números en una escala, y explotando el valor de la medición nosotros, como técnicos, podemos conseguir mayores logros.
¿Qué son las herramientas o instrumentos de medición industrial?
En general, las herramientas de medición incluyen una serie de elementos funcionales. Un elemento es necesario para distinguir el objeto y percibir sus dimensiones o frecuencia.
Esta información se transmite luego a través del sistema por medio de señales físicas. Si el objeto es en sí mismo activo, como el flujo del agua, puede accionar la señal; si es pasivo, debe accionar la señal mediante la interacción con una sonda energética, como una fuente de luz o un tubo de rayos X, o con una señal portadora.
Finalmente, la señal física se compara con una señal de referencia de cantidad conocida que se ha subdividido o multiplicado para adaptarse al rango de medición requerido.
La señal de referencia se deriva de los objetos de cantidad conocida mediante un proceso llamado calibración. La comparación puede ser un proceso analógico en el que se igualan las señales en una magnitud constante.
Un proceso alternativo de comparación es la cuantificación por conteo, es decir, la división de la señal en partes de tamaño igual y conocido, más la suma del número de partes.
Otras funciones de los sistemas de medición facilitan el proceso básico descrito anteriormente. La amplificación asegura que la señal física es lo suficientemente fuerte para completar la medición.
A fin de reducir la degradación de la medición a medida que avanza a través del sistema, la señal puede ser convertida en forma codificada o digital.
La amplificación, que amplía la señal de medición sin aumentar su potencia, suele ser necesaria para hacer coincidir la salida de un elemento del sistema con la entrada de otro, como por ejemplo hacer coincidir el tamaño del medidor de lectura con la capacidad de percepción del ojo humano.
¿Qué es el mantenimiento mecánico industrial?
En un entorno industrial, es importante mantener las máquinas operativas en su máxima eficiencia. Y ese es el objetivo del mantenimiento mecánico.
Estas máquinas pueden incluir elementos como una máquina de hacer papel en una industria papelera, una prensa de moldear, un robot, una carretilla elevadora, una cinta transportadora o una paletizadora. Por lo general, cualquier máquina mecánica o herramienta utilizada en un entorno industrial.
Las plantas industriales suelen tener un departamento de mantenimiento mecánico, que forma parte de su unidad de mantenimiento general y en el que participan uno o más técnicos de mantenimiento mecánico.
Funciones de un técnico de mantenimiento mecánico industrial
En el proceso de mantener las máquinas trabajando con la máxima eficiencia, los técnicos de mantenimiento y montaje mecánico del equipo industrial tratan de:
- Dar mantenimiento a las máquinas antes de que ocurra cualquier fallo o avería
- Volver a poner rápidamente en funcionamiento las máquinas en caso de fallo o avería
Para alcanzar estos dos objetivos, y por lo tanto mejorar la eficiencia de las máquinas de una planta industrial, el técnico de mantenimiento puede realizar trabajos de mantenimiento planificados o no planificados.
Algunas de las funciones y tareas que corresponden a un mecánico de mantenimiento industrial incluyen:
- Reparar la maquinaria y los equipos industriales.
- Realizar tareas de mantenimiento regular, como el cambio de filtros y pruebas de rendimiento.
- Ensamblar y programar nuevas máquinas y equipos.
- Identificar las causas de problemas desconocidos y seleccionar el mejor procedimiento de reparación.
- Pedir suministros cuando sea necesario.
- Mantener registros detallados.
- Efectuar tareas de limpieza básicas para el mantenimiento de la maquinaria.
Las actividades de un mecánico de mantenimiento industrial pueden variar dependiendo de su entorno y especialidad. Un mecánico de una empresa nueva o en expansión puede encontrarse instalando y modificando equipos con frecuencia, mientras que un mecánico industrial de una empresa ya establecida podría dedicar más tiempo al mantenimiento preventivo y al mantenimiento correctivo.
Un ejemplo de ello sería:
- Hacer inspecciones
- La lubricación de las máquinas
- Reparar periódicamente las piezas desgastadas (como las correas)
Además, los técnicos de mantenimiento mecánico trabajan en muchos tipos de máquinas y dispositivos, entre ellos:
- Compresores
- Cintas transportadoras
- Bombas
- Tubos y válvulas
- Motores y accionamientos mecánicos
- Equipo móvil
Pues tras esta detallada introducción de conceptos, ahora sí, vamos con el tema central de este artículo:
¿Qué tipo de herramientas se utilizan para predecir y prevenir averías mecánicas?
Por norma general, hay tres categorías principales de causas en las fallas mecánicas: el calor, la vibración y la humedad. Pueden presentarse con varios síntomas y pueden afectar a diferentes componentes.
Con independencia de cómo aparezcan estas averías, se pueden emplear unas determinadas mediciones sencillas para ayudar a predecir -y, con suerte, prevenir- el costoso tiempo de inactividad por avería.
En definitiva, esas tres fuentes principales o una combinación de ellas, suelen ser las responsables de los fallos de los motores y cojinetes, las roturas mecánicas y la mayoría de los demás fallos típicos.
Es decir, no pueden ser evitadas totalmente, pero una máquina bien diseñada debe tratar de minimizar los efectos. Algunos ejemplos comunes comprenden bujes que reducen la fricción o cojinetes engrasados, cables y circulación del aire debidamente calibrados para los motores, y reducción de la humedad mediante el control de la temperatura.
La medición de estos factores es menos sencilla que las mediciones eléctricas. En los casos eléctricos, se deben esperar cantidades específicas de cada lectura: el voltaje de un alimentador, la resistencia y la corriente a través de los dispositivos. Cada lectura tiene un significado que puede relacionarse con el funcionamiento de los circuitos.
En las mediciones mecánicas, no hay un valor específico esperado para las lecturas. No hay una temperatura exacta que deba esperarse en cada rodamiento o un valor particular de vibración en un armazón de acero que deba ser medido.
En su lugar, las mediciones mecánicas se basan en el registro a largo plazo, o en el registro de valores. Si un equipo nuevo muestra ciertas características, cualquier cambio en esos valores puede apuntar a problemas potenciales.
La frecuencia de registro está a menudo a la altura de la situación, tal vez un registro horario, diario o incluso mensual sea suficiente. Si se detecta un cambio en cualquier valor, puede evaluarse si se trata de una anomalía puntual o si apunta a un componente que inicia el proceso de avería.
Medición del calor
Si has probado un equipo con excesivas vibraciones, lo más probable es que hayas comprobado este problema: el calor. Casi todos los movimientos, puntos de fricción y flujos eléctricos aumentan el calor. Cuando la energía térmica se desperdicia en cualquier punto del sistema, esa energía extra cargará aún más el sistema.
Un ligero aumento en el consumo de energía puede apuntar a un aumento de las pérdidas en algún punto del sistema. Si se quiere encontrar un fallo, se puede apuntar una pérdida de calor como posible causa de la falla de la maquinaria.
Los problemas térmicos pueden ser un problema de efecto dominó, lo que los hace especialmente peligrosos. Cuando el metal se calienta debido a la fricción, se expande, aumentando aún más la fricción. Esto, a su vez, vuelve a aumentar el calor, y el ciclo continúa hasta el fallo.
En los sistemas eléctricos, el calor provoca resistencia, lo que aumenta la pérdida de tensión del sistema, que provoca un aumento de la corriente para mover la carga, lo que vuelve a provocar los efectos del calor en cascada.
Una eficaz herramienta de medición de bajo costo para el análisis térmico es un termómetro de infrarrojos (IR) sin contacto. El nivel de precisión depende de la consistencia de la medición, incluyendo las condiciones del aire en el ambiente y la distancia entre el termómetro y el componente de prueba.
Normalmente, se utilizan para operaciones sencillas, que puedan señalar las variaciones importantes, pero no se suelen utilizar cuando las temperaturas cambian en fracciones de grados. Estos termómetros son excelentes para el registro rápido de datos generales de muchos puntos.
Por otro lado, las cámaras de imágenes térmicas (TIC) pueden proporcionar una imagen de una secuencia, muy similar a una cámara estándar, señalando puntos y componentes calientes. Se pueden utilizar de la misma manera que los modelos sin contacto más pequeños, pero proporcionan una información mucho más específica.
En lugar de indicar simplemente que una carcasa de un rodamiento de metal se está calentando un poco más de lo normal, es posible ver que la parte superior izquierda de la carcasa del rodamiento (por ejemplo) es el origen del calor por fricción.
Por último, existen varios tipos de sensores, quizás un poco más populares que están montados en la maquinaria como elementos fijados, llamados termopares y termistores. Suelen estar conectados a los posibles puntos problemáticos. De esta manera, el registro de datos puede realizarse en cualquier momento, y no es necesario desplazarse para medir y registrar cada punto.
El termopar es un dispositivo de medición de la temperatura mientras que el termistor es un tipo de resistencia térmica. Este tipo de sensores se utilizan normalmente para el control de procesos, pero pueden funcionar igualmente para predecir fallos.
Medición y análisis de la Vibración
La vibración puede influir en la durabilidad y la fiabilidad de los sistemas o estructuras de las máquinas y causar problemas como daños, paradas anormales y accidentes. La medición de la vibración es una importante contramedida para prevenir estos problemas.
Para evitar la avería y los problemas de la maquinaria, se miden periódicamente las vibraciones y se comparan con las vibraciones en el momento inicial o en condiciones normales después del mantenimiento para evaluar el equipo deteriorado.
La medición de la vibración no sólo se utiliza cuando se produce el problema sino también cuando se realiza el mantenimiento diario. El sistema de producción se mantiene en funcionamiento mediante la detección del deterioro o posible fallo de una pieza por patrones de vibración inadecuados.
Supongamos que se genera una vibración anormal cuando tres engranajes, cada uno con un número diferente de dientes, giran en una caja de engranajes. Debe haber una falla en algún lugar. ¿Dónde ocurre? En tal caso, el fallo puede ser detectado por la medición de la vibración.
Al principio, se mide la frecuencia de vibración de la caja de engranajes. A continuación se calcula el número de rotaciones por segundo para cada una de las tres ruedas dentadas.
La frecuencia de vibración de la caja de engranajes debe ser un múltiplo del número de rotaciones por segundo de la rueda dentada defectuosa. El número de dientes defectuosos puede calcularse a partir del múltiplo de la frecuencia de vibración. De esta manera, el fallo de la máquina se ha detectado mediante el análisis de la medición de las vibraciones.
Una herramienta de medición de vibraciones bastante utilizada en la mecánica industrial se basa en un dispositivo para detectar la vibración (acelerómetro) y un instrumento para medir el nivel de vibración.
Este equipo también tiene ajustes para medir la frecuencia, una red de ponderación de la frecuencia y una indicación como un medidor, una interfaz o un registrador.
El acelerómetro produce una señal eléctrica. El tamaño de esta señal es proporcional a la aceleración que se le aplica. La red de ponderación de frecuencias imita la sensibilidad humana a las vibraciones de diferentes frecuencias.
El uso de redes de ponderación da un único número como medida de la exposición a las vibraciones y se expresa como la exposición a las vibraciones ponderada por la frecuencia en metros por segundo al cuadrado (m/s2).
Medición de la Humedad
La humedad es otra de las causas de avería común con efectos negativos también en las otras áreas. Es bien sabido que los circuitos eléctricos no funcionan bien con la humedad, pero tampoco lo hacen los componentes mecánicos.
El signo más fácil de la humedad en el metal es una fina capa de óxido en la superficie. Esto por sí solo puede ser un defecto irreparable. Te garantizo que el chasis de tu coche tiene óxido en algunos lugares ahora mismo, y todavía sobrevive. Si no se seca y limpia bien, el óxido puede convertirse en una debilidad estructural importante.
Si hay movimiento, el óxido puede causar defectos en la superficie, lo que aumenta la vibración y la fricción.
El óxido es difícil de reparar, por lo que es fundamental mantener el entorno adecuado controlando la temperatura y la humedad con sistemas de aire acondicionado y calefacción.
En primer lugar, es recomendable consultar siempre los programas de mantenimiento adecuados. Puede ser fácil pasarlo por alto en el ajetreado día a día del técnico de mantenimiento, pero es importante tener en cuenta si se puede correr el riesgo de tener un fallo mecánico grave en un momento no planificado.
En la mayoría de las industrias, esto supondría enormes pérdidas, por lo que tiene sentido adoptar o desarrollar un plan de mantenimiento preventivo de los componentes mecánicos.
Este tipo de medición requiere sensores de humedad específicos para recoger correctamente los datos. Normalmente no son muy caros ni difíciles de instalar. La humedad es diferente a las dos mediciones anteriores, ya que suele haber un rango de humedad aceptable establecido para cualquier dispositivo.
Existen dos tecnologías principales empleadas en la medición de la humedad industrial: la tecnología de sensores capacitivos (cerámica u óxido de aluminio) y la tecnología de sensores ópticos (espejo refrigerado).
Los sensores capacitivos responden a pequeños cambios en la presión del vapor de agua, tienen una respuesta rápida y un amplio rango de calibración. Son económicos de adquirir y fáciles de manejar. De manera habitual, se utilizan en aplicaciones industriales, comerciales y de laboratorio.
Los cambios en la presión del vapor de agua provocan cambios en la salida del dispositivo capacitivo. Esta señal se acondiciona y se envía como señal digital a una pantalla local o a un sistema de control distribuido (DCS).
En comparación, los higrómetros (sensores) ópticos (de espejo refrigerado) enfrían el gas sometido a prueba hasta el punto en que se forma rocío o escarcha en un espejo metálico (normalmente de oro, platino u otro metal con excelente conductividad térmica) y un termómetro de resistencia de platino (PRT) incrustado en el espejo mide este punto de rocío, la temperatura a la que se produce el rocío o la escarcha.
En funcionamiento, el espejo se enfría mediante un refrigerador termoeléctrico (TEC; bomba de calor Peltier) hasta que comienza a formarse rocío o escarcha.
Posteriormente, se dirige un haz de luz (LED) a la superficie del espejo y un fotodetector controla la luz reflejada y/o dispersada del espejo. Mediante un controlador proporcional-integral-derivativo (PID), la temperatura del espejo se mantiene exactamente en el punto de rocío o de congelación.
Conclusiones
Los sistemas de accionamiento mecánico son propensos a sufrir problemas que requieren un mantenimiento regular. Si se realiza un mantenimiento adecuado, a veces pueden evitarse costosas reparaciones.
La mayoría de los trabajos de mantenimiento preventivo giran en torno a intentar minimizar tres fuentes diferentes de fallos mecánicos, como son el calor, la vibración y la humedad.
Las máquinas industriales suelen tener fama de ser fiables y duraderas cuando se les realiza un mantenimiento idóneo. No es extraño ver que los componentes mecánicos de una máquina sigan funcionando en su estado original desde hace décadas, incluso cuando los controles eléctricos han sido actualizados y modificados.
En el mantenimiento diario, muchas máquinas tienen listas de verificación de mantenimiento exhaustivas que, si se siguen, conducen al éxito.
Es esencial saber qué partes de la maquinaria hay que mantener, qué tipo de propiedades hay que vigilar, qué mediciones se han de realizar para detectar puntos de fallo, dando tiempo suficiente para programar el mantenimiento adecuado.
Algunos entornos pueden provocar fallos en estas áreas más rápidamente que otros, pero la única constante es que siempre hay que tener en cuenta el mantenimiento necesario si se espera que el equipo dure.
Hay una premisa en el mantenimiento industrial que dice: «Planifica el mantenimiento de tu equipo, o tu equipo lo planificará por ti». No esperes a que se produzcan costosos tiempos de inactividad.
