Definición: ¿Qué es un armónico?

En el análisis de vibraciones, un armónico es una frecuencia que es un múltiplo entero exacto de una frecuencia fundamental. En maquinaria rotativa, la frecuencia fundamental es típicamente la velocidad de rotación del eje, conocida como el 1er armónico o 1×. Los armónicos subsiguientes son múltiplos enteros: 2× (el doble de la velocidad del eje), 3× (el triple), y así sucesivamente. Estas frecuencias también se denominan órdenes de la velocidad de giro, o armónicos síncronos porque están precisamente sincronizados con la rotación del eje.

Por ejemplo, si un motor opera a 1,800 RPM (30 Hz), sus armónicos aparecen a 60 Hz (2×), 90 Hz (3×), 120 Hz (4×), 150 Hz (5×), y así sucesivamente. La serie armónica es teóricamente infinita, pero en la práctica, la amplitud disminuye en órdenes superiores y solo los primeros varios armónicos contienen información diagnóstica.

Definición de Frecuencia Armónica
fn = n × f1 = n × (RPM / 60)
donde n = 1, 2, 3, 4… (orden armónico) y f₁ = frecuencia de rotación del eje en Hz

Armónicos vs. Subarmónicos vs. Picos No Síncronos

Armónicos son múltiplos enteros de la velocidad del eje (2×, 3×, 4×…). Subarmónicos son múltiplos fraccionarios (½×, ⅓×, ¼×) y siempre indican problemas mecánicos severos. Picos no síncronos son frecuencias no relacionadas con la velocidad del eje — como frecuencias de falla de rodamientos, frecuencias de engranaje, frecuencia de línea (50/60 Hz), o frecuencias naturales — y requieren enfoques diagnósticos diferentes. Un pico a 3.57× RPM NO es un armónico; probablemente es una frecuencia de falla del rodamiento.

¿Por qué se generan los armónicos?

En un sistema perfectamente lineal excitado por una fuerza sinusoidal pura (como un rotor perfectamente balanceado y alineado en rodamientos perfectos), solo aparecería el fundamental 1×. La maquinaria real nunca es perfectamente lineal. Los armónicos aparecen siempre que la forma de onda de vibración se distorsiona respecto a una onda sinusoidal pura — siempre que la respuesta del sistema sea no lineal o la función de forzamiento en sí es no sinusoidal.

La matemática: el teorema de Fourier

El teorema de Fourier establece que cualquier forma de onda periódica, por compleja que sea, puede descomponerse en una suma de ondas sinusoidales en la frecuencia fundamental y sus múltiplos enteros, cada una con una amplitud y fase específicas. El algoritmo FFT (Transformada Rápida de Fourier) utilizado por los analizadores de vibración realiza esta descomposición computacionalmente, revelando el contenido armónico de la señal.

Una onda sinusoidal pura tiene solo un componente de frecuencia. Una onda cuadrada contiene todos los armónicos impares (1×, 3×, 5×, 7×…) con amplitudes que disminuyen como 1/n. Una onda diente de sierra contiene todos los armónicos con amplitudes que disminuyen como 1/n. La forma específica de la distorsión determina qué armónicos aparecen; esto es lo que hace que el análisis armónico sea tan poderoso desde el punto de vista diagnóstico.

Mecanismos físicos que generan armónicos

  • Recorte / truncamiento de la forma de onda: Cuando el movimiento del eje está físicamente restringido (soporte del rodamiento, contacto por rozamiento), la forma de onda resultante se recorta, generando armónicos. Un recorte más severo produce más armónicos.
  • Rigidez asimétrica: Si la rigidez del sistema difiere entre las mitades positiva y negativa del ciclo de vibración (apertura/cierre de una grieta en el eje, desalineación que crea diferentes rigideces de tensión/compresión), se generan armónicos pares (2×, 4×, 6×).
  • Eventos de impacto: Los impactos periódicos (tornillos flojos, impactos por defectos en rodamientos) crean formas de onda agudas y de corta duración que son extremadamente ricas en contenido armónico, similar a cómo un baqueta de tambor produce muchos armónicos superiores.
  • Fuerzas de restauración no lineales: Cuando la rigidez cambia con el desplazamiento (rodamientos bajo carga variable, soportes de goma de tasa progresiva), la respuesta a una fuerza sinusoidal contiene armónicos.
  • Excitación paramétrica: Cuando las propiedades del sistema varían periódicamente a una frecuencia relacionada con la velocidad del eje, pueden generar armónicos y subarmónicos de la frecuencia de excitación.
El principio diagnóstico clave

El patrón de qué armónicos están presentes, sus amplitudes relativas y cuáles están ausentes le indica al analista qué mecanismo físico genera la no linealidad. Los analistas experimentados examinan la estructura armónica completa del espectro, no solo el nivel general de vibración, para identificar mecanismos de falla específicos.

Firmas de falla detalladas: patrones armónicos

1× dominante: desbalance

Un pico dominante en 1× con armónicos superiores mínimos es la firma clásica del desbalance de masa. La fuerza de desbalance es inherentemente sinusoidal (gira con el eje a la frecuencia 1×), produciendo un pico único y limpio en el dominio de la frecuencia.

Detalles diagnósticos

  • Amplitud: Proporcional a la velocidad² (doble velocidad → 4× amplitud) y proporcional a la masa de desbalance
  • Fase: Estable, repetible y de valor único. Cambia de manera predecible con la adición de un peso de prueba; esta es la base de todos los procedimientos de balanceo
  • Dirección: Principalmente radial; el 1× axial es bajo a menos que el rotor tenga un voladizo significativo
  • Confirmación: La respuesta a los pesos de prueba confirma el desbalance. Si 1× no responde a los pesos de prueba, considere eje curvado, excentricidad o resonancia
No toda vibración a 1× es desbalance

Varias condiciones producen un 1× alto que NO es corregible mediante balanceo: eje doblado, excentricidad del eje, excentricidad de giro eléctrica en sondas de proximidad, flexión del rotor por efectos térmicos, excentricidad del acoplamiento y resonancia amplificación. Siempre verifique el diagnóstico antes de intentar realizar el balanceo.

2× dominante: desalineación

Un segundo armónico fuerte, a menudo comparable en amplitud o superior al pico de 1×, es el indicador principal de desalineación de ejes. La desalineación fuerza al eje a seguir una trayectoria no sinusoidal durante cada revolución, creando la distorsión que genera 2× y a veces armónicos superiores.

Desalineación angular vs. paralela

  • Desalineación angular: Las líneas centrales de los ejes se intersectan en un ángulo en el acoplamiento. Produce una alta vibración axial a 1×. La fase a través del acoplamiento muestra un cambio de ~180° en la dirección axial.
  • Desalineación paralela (desplazada): Las líneas centrales de los ejes son paralelas pero desplazadas. Produce una alta vibración radial a 2×, a menudo con 2× ≥ 1×. Los casos severos generan 3× y 4×. La fase radial a través del acoplamiento muestra un cambio de ~180°.
  • Combinada: En la práctica, ambas suelen coexistir, produciendo una mezcla de las firmas.

La relación 2×/1× como indicador diagnóstico

Relación 2×/1× Condición probable Acción
< 0.25 Normal; 2× presente a bajo nivel en la mayoría de las máquinas No se requiere acción
0.25 – 0.50 Posible desalineación leve; normal para algunos tipos de acoplamiento Verificar la alineación; comparar con el valor de referencia
0.50 – 1.00 Desalineación significativa probable Realizar alineación láser de precisión
> 1.00 Desalineación grave; 2× supera a 1× Urgente — realinee; verifique el acoplamiento y la tensión de tuberías

Múltiples armónicos — Holgura mecánica

Una rica serie de velocidad de operación armónicos (1×, 2×, 3×, 4×, 5×… hasta 10× o más) indican holgura mecánica. Los impactos, el golpeteo y los ciclos no lineales de contacto/separación generan una distorsión extrema de la forma de onda que se descompone en muchos componentes armónicos.

Tres tipos de holgura

  • Tipo A — Estructural: Conexión floja entre la máquina y la cimentación (pata floja, base agrietada, pernos de anclaje flojos). Produce 1× direccional (mayor en la dirección de la holgura). Prueba clave: apriete/suelte los pernos individuales mientras monitorea la amplitud de 1×.
  • Tipo B — De componente: Revestimiento del rodamiento flojo en la tapa, tapa floja en el soporte, juego excesivo del rodamiento. Produce una familia de armónicos, a menudo con subarmónicos (½×). Los subarmónicos son el diferenciador clave frente a la desalineación (la holgura, no la desalineación, produce subarmónicos).
  • Tipo C — Asiento del rodamiento: Impulsor flojo en el eje, cubo del acoplamiento flojo, juego excesivo del rodamiento que permite que el rotor rebote. Produce muchos armónicos con elevación del piso de ruido de banda ancha.
Subarmónicos: La huella digital de la holgura

La presencia de subarmónicos (½×, ⅓×) es el diferenciador más confiable entre holgura mecánica y desalineación. La desalineación genera 2× y 3× pero rara vez produce subarmónicos. La holgura mecánica (Tipos B y C) genera característicamente ½× porque el rotor contacta un lado del rodamiento en una media revolución y rebota al otro en la siguiente, creando un patrón que se repite cada dos revoluciones, de ahí ½×.

Otras condiciones que generan armónicos

Eje curvado

Genera vibración tanto a 1× como a 2× con un componente axial alto. A diferencia de la desalineación, un eje curvado muestra un 1× que no se puede corregir con balanceo (excentricidad geométrica, no distribución de masa) y una diferencia de fase axial de ~180° entre los extremos del eje. El 2× proviene de la rigidez asimétrica cuando la flexión se abre y cierra durante la rotación.

Maquinaria de movimiento alternativo

Los motores, compresores y máquinas de movimiento alternativo generan inherentemente espectros armónicos ricos porque el movimiento del pistón/biela es fundamentalmente no sinusoidal. El patrón armónico depende del número de cilindros, el orden de encendido y el tipo de carrera (2 tiempos vs. 4 tiempos).

Frotamiento del rotor

Un roce parcial (contacto durante una porción de cada revolución) produce muchos armónicos de alto orden — a veces hasta 10×, 20× o más. Un roce anular completo (contacto continuo de 360°) genera subarmónicos dominantes (½×, ⅓×, ¼×) a través de mecanismos de precesión inversa.

Problemas eléctricos en motores

Los motores CA generan vibración en múltiplos de la frecuencia de línea (50 o 60 Hz) independientemente de la velocidad del eje. El más común es 2× la frecuencia de línea (100 Hz en sistemas de 50 Hz, 120 Hz en sistemas de 60 Hz). Esto NO es un armónico de la velocidad del eje; es un armónico de la frecuencia de línea, que es la clave para distinguir la vibración eléctrica de la mecánica. El prueba de corte de energía es definitiva: la vibración eléctrica cae instantáneamente cuando se corta la energía, la vibración mecánica persiste durante el paro por inercia.

Los defectos en las barras del rotor generan bandas laterales alrededor de 1× espaciadas a la frecuencia de paso de polos (frecuencia de deslizamiento × número de polos). Estas bandas laterales están muy cerca de 1× (dentro de 1–5 Hz), lo que requiere un FFT con zoom análisis de alta resolución para resolverlas.

Frecuencias no síncronas — No son armónicos verdaderos

Varias frecuencias importantes a veces se confunden con armónicos, pero en realidad son independientes de la velocidad del eje:

Tipo de frecuencia Fórmula Relación con RPM Notas
Las frecuencias de falla de rodamientos BPFO, BPFI, BSF, FTF Múltiplos no enteros (p. ej. 3.57×, 5.43×) Siempre no sincrónico; depende de la geometría del rodamiento
Frecuencia de engranaje GMF = #dientes × RPM Entero pero de orden muy alto Técnicamente un armónico pero analizado por separado
Paso de paleta/álabes BPF = #paletas × RPM Múltiplo entero Normal; amplitud excesiva indica problema
Frecuencia de línea FL = 50 o 60 Hz No relacionada con RPM Eléctrica; desaparece al cortar la energía
Frecuencias naturales fn = √(k/m)/2π Fija; no relacionada con RPM Frecuencia constante independientemente de los cambios de velocidad
Frecuencias de correa fcorrea = RPM×π×D/L Subsíncrona (< velocidad del eje) Frecuencia de correa y sus armónicos 2×, 3×, 4× BF

Guía de análisis — Cómo interpretar patrones armónicos

Paso 1: Identificar la fundamental (1×)

Localice el pico de 1× correspondiente a la velocidad de rotación del eje. Verifique usando un tacómetro o la placa de características del motor. En máquinas de velocidad variable, 1× debe identificarse con precisión para cada medición.

Paso 2: Catalogar todos los picos

Para cada pico significativo, determine: ¿es un múltiplo entero exacto de 1× (armónico verdadero)? ¿Un múltiplo fraccionario (subarmónico)? ¿Sin relación con la velocidad del eje (no síncrono)? Utilice las funciones de cursor armónico del analizador para mayor eficiencia.

Paso 3: Examinar el patrón de amplitud

  • ¿Qué armónico es dominante? → Indica falla específica
  • ¿Cuántas armónicas están presentes? → Más = mayor distorsión
  • ¿El 2× supera al 1×? → Probable desalineación
  • ¿Están presentes subarmónicos? → Holgura mecánica, rozamiento o oil whirl
  • ¿La amplitud disminuye con el orden (decaimiento 1/n)? → Típico de holgura mecánica

Paso 4: Verificar direccionalidad

  • Radial alta, axial baja: Desbalance o holgura mecánica
  • Axial alta: Desalineación (especialmente angular) o eje curvado
  • Radial direccional: Holgura estructural (mayor en la dirección floja)

Paso 5: Tendencia en el tiempo

  • ¿Las amplitudes armónicas están aumentando? → La falla está progresando
  • ¿Aparecen nuevas armónicas? → Se está desarrollando un nuevo mecanismo de falla
  • ¿El nivel de ruido está subiendo? → Desgaste general o falla en etapa avanzada

Paso 6: Correlacionar con datos de fase

  • Desbalance: La fase de 1× es estable y repetible
  • Desalineación: La fase de 1× o 2× muestra ~180° a través del acoplamiento
  • Holgura mecánica: La fase es inestable, puede cambiar aleatoriamente entre mediciones

En la práctica, los seis pasos se pueden llevar a cabo en el sitio con un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A: monte los acelerómetros, capture el espectro y la fase de 1× mientras la máquina está en marcha y lea el patrón armónico directamente contra la tabla diagnóstica anterior; luego corrija cualquier desbalance residual sin retirar el rotor.

Estudios de caso — Análisis armónico en el mundo real

Caso 1: Motor-bomba — ¿Es desbalance o desalineación?

Máquina: Motor de 30 kW que acciona una bomba centrífuga a 2960 RPM mediante acoplamiento flexible. Vibración global: 6.2 mm/s en el rodamiento del extremo impulsor del motor.

Espectro: 1× = 4.1 mm/s, 2× = 3.8 mm/s, 3× = 1.2 mm/s. La relación 2×/1× = 0.93.

Dirección: 2× radial alta en ambos rodamientos del extremo impulsor. 1× axial en el acoplamiento: motor = 2.8 mm/s, bomba = 3.1 mm/s con diferencia de fase de 165°.

Diagnóstico: Desalineación angular y paralela combinada. La relación 2×/1× cercana a 1.0, las lecturas axiales altas y la fase de ~180° a través del acoplamiento lo confirman. NO es desbalance — aunque el 1× está elevado, el patrón de 2× es la verdadera historia.

Acción: Se realizó alineación láser. Post-alineación: 1× = 0.8 mm/s, 2× = 0.3 mm/s. La global bajó a 1.1 mm/s — una reducción del 82%.

Caso 2: Ventilador — ¿Por qué no funciona el balanceo?

Máquina: Ventilador centrífugo a 1480 RPM. Vibración: 8.5 mm/s. Un intento anterior de balanceo redujo el 1× pero la vibración global permaneció alta.

Espectro: 1× = 2.1 mm/s (bajo después del balanceo), ½× = 1.8 mm/s, 2× = 3.2 mm/s, 3× = 2.5 mm/s, 4× = 1.8 mm/s, 5× = 1.1 mm/s, 6× = 0.7 mm/s.

Diagnóstico: Holgura mecánica (Tipo B). La familia armónica con subarmónico de ½× es la firma. El balanceo corrigió 1× pero no pudo abordar los armónicos generados por la holgura que dominan la vibración general.

Acción: La inspección reveló que el soporte del rodamiento tenía 0.08 mm de holgura en el taladro del pedestal. Se rectificó el soporte y se instaló un rodamiento nuevo. Post-reparación: todas las armónicas bajaron al valor de referencia. Global: 1.4 mm/s.

Caso 3: Motor del compresor — ¿Eléctrico o mecánico?

Máquina: Motor de inducción de 4 polos, 50 Hz a 1485 RPM que acciona un compresor de tornillo. La vibración aumentó de 2.0 a 5.5 mm/s en 3 meses.

Espectro: Pico dominante a 100 Hz (= 2FL). También: 1× a 24.75 Hz = 1.2 mm/s, bandas laterales alrededor de 1× con espaciado de ±1.0 Hz.

Prueba clave: Corte de energía — el pico de 100 Hz cayó a cero en una revolución. Las bandas laterales de 1× persistieron durante el paro por inercia.

Diagnóstico: Dos problemas: (1) Eléctrico — excentricidad del estator que causa 2FL. (2) Mecánico — las bandas laterales de 1× a ±1.0 Hz (= frecuencia de paso de polos para motor de 4 polos con 1.0% de deslizamiento) sugieren un defecto incipiente en las barras del rotor.

Acción: El motor se envió para rebobinado. Confirmado: 2 barras del rotor rotas + excentricidad del estator por hundimiento de la base. Después del rebobinado y calibrado: vibración 1.6 mm/s.

Equipo Vibromera para análisis armónico

El Balanset-1A y Balanset-4 proporcionan en tiempo real Análisis espectral FFT con seguimiento de cursor armónico, permitiendo la identificación en campo de patrones 1×, 2×, 3× y diagnóstico de fallas. Los dispositivos combinan análisis de vibración para diagnóstico y precisión balanceo para corrección — identificando el problema y solucionándolo con un solo instrumento.

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