Comprensión de los subarmónicos
A subarmónico es un componente de frecuencia en un vibración espectro que ocurre a una fracción entera de una frecuencia de excitación fundamental. En el análisis de maquinaria, esa fundamental casi siempre es la velocidad de operación (1X), por lo que los subarmónicos aparecen en órdenes como 1/2X, 1/3X o 1/4X. Debido a que se sitúan por debajo de el componente síncrono principal, también se les llama subsíncrono vibraciones, y son algunas de las líneas espectrales de mayor valor diagnóstico que un analista puede encontrar: rara vez aparecen sin una causa física clara.
1. Definición: ¿Qué es un subarmónico?
Mientras que los armónicos ordinarios armónicos son múltiplos enteros de la velocidad de giro (2X, 3X, 4X), los subarmónicos son el recíproco: divisiones enteras de la misma. Una línea exactamente a la mitad de la velocidad del eje es el ejemplo clásico, a menudo escrita como 1/2X o 0.5X. Un subarmónico verdadero, por tanto, siempre se sitúa por debajo de 1X: 0.5X, 0.33X, 0.25X. En la práctica, el patrón más informativo no es la línea 1/2X por sí sola, sino una familia de medio orden — líneas en 1/2X, 3/2X (1.5X) y 5/2X (2.5X), todas separadas por medio orden. Estrictamente hablando, solo el miembro 1/2X es un subarmónico y subsíncrono; los miembros por encima de 1X (1.5X, 2.5X, …) son armónicos de orden fraccionario (medio orden), no componentes subsíncronos. La aparición de este peine es una firma clásica de fallas mecánicas específicas, en lugar de ruido aleatorio.
Conviene distinguir un subarmónico verdadero de un componente subsíncrono no entero. Una línea fijada precisamente en 0.50X es un subarmónico genuino de la velocidad de giro; una línea en, digamos, 0.43X es subsíncrona pero no una fracción exacta, y esa distinción reduce inmediatamente la lista de sospechosos. Los subarmónicos no son tan comunes como los armónicos, pero cuando aparecen casi siempre señalan una de las causas siguientes.
2. Holgura mecánica: la causa más frecuente
La principal fuente de un subarmónico 1/2X es holgura mecánica. Cuando un componente está flojo: un rodamiento con juego en su soporte, un ajuste desgastado o un perno de montaje flojo, se introduce una respuesta fuertemente no lineal de “rebote” o “golpeteo”. El juego permite que la pieza impacte contra su asiento y, dado que ese impacto tiende a repetirse efectivamente cada otro revolución, el sistema responde a la mitad de la frecuencia de excitación.
El espectro resultante muestra la línea 1X acompañada de una serie de medio orden en 1/2X, 3/2X, 5/2X, etc.: el subarmónico 1/2X junto con sus armónicos de orden fraccionario por encima de 1X. Esa familia de medio orden es una de las huellas más fiables en el diagnóstico de vibraciones: indica casi sin ambigüedad una holgura estructural grave, y su crecimiento con el tiempo refleja el empeoramiento del ajuste. Cuanto más pronunciadas y numerosas sean las líneas de medio orden, mayor será la holgura de la unión.
3. Inestabilidad en cojinetes de fricción
En máquinas apoyadas sobre película de fluido o cojinetes de fricción, la vibración subsíncrona es una advertencia crítica de inestabilidad de la película de aceite. Estas son vibraciones autoexcitadas — la energía de la rotación constante alimenta directamente la vibración, por lo que pueden crecer sin ninguna excitación externa.
- Oil whirl: Generalmente ocurre entre 0.42X y 0.48X de la velocidad de giro, apareciendo como una línea fuerte y distinta justo por debajo del medio orden. Surge cuando la cuña de aceite que soporta el eje comienza a circular (oil whirl) dentro del juego del cojinete, arrastrando el eje alrededor de su muñón. Al estar ligeramente por debajo de 0.5X en lugar de exactamente en ese valor, la frecuencia precisa es la pista que separa el whirl de la holgura.
- Oil whip: Una forma mucho más grave y destructiva de inestabilidad. Ocurre cuando la frecuencia de whirl coincide con la primera frecuencia natural del rotor, o velocidad crítica. La vibración entonces se “bloquea” en esa frecuencia natural y permanece allí incluso cuando aumenta la velocidad de la máquina: una marca distintiva que diferencia el whip de un whirl que sigue a la velocidad. Las amplitudes pueden volverse tan violentas que dañan el cojinete o el eje.
Las frecuencias de los cojinetes de fricción que delimitan estas inestabilidades pueden estimarse de antemano con una calculadora de frecuencias de defectos en cojinetes de fricción, lo que ayuda a confirmar si una línea subsíncrona cae dentro de la banda de whirl.
4. Otras fuentes de líneas subsíncronas
- Problemas de transmisión por correa: Una correa desgastada o dañada puede generar componentes subsíncronos vinculados a su propia velocidad de rotación, que es menor que la velocidad de cualquiera de las poleas. Las sospechas de defectos de transmisión por correa — y especialmente de fallas en correas en V — pueden confirmarse comparando con la frecuencia calculada de la correa mediante una calculadora de frecuencias de defectos en correas.
- Efectos relacionados con el flujo: En bombas y ventiladores, la energía subsíncrona puede provenir de turbulencia del flujo o de estancamiento rotativo. Estos componentes generalmente no son no fracciones exactas de 1X, lo cual en sí mismo es una pista útil de que la fuente es hidráulica o aerodinámica y no mecánica. En compresores, el fenómeno relacionado de surging también puede elevar el piso de ruido por debajo de la velocidad de giro.
5. Análisis y confirmación
Dado que el diagnóstico depende de pequeñas diferencias de frecuencia, la primera tarea es determinar la frecuencia exacta de la línea. Una línea en 0.50X implica fuertemente holgura; una en 0.47X es casi con certeza oil whirl; una serie completa 1/2X, 3/2X, 5/2X confirma la holgura con alta confianza. Por ello, una alta resolución espectral y una referencia de velocidad precisa son esenciales, ya que 0.48X y 0.50X pueden parecer idénticas a baja resolución.
El forma de onda en el tiempo proporciona una corroboración valiosa. La holgura suele mostrar impactos claros o truncamiento: líneas aplanadas o recortadas donde la pieza floja golpea el fondo, mientras que el oil whirl aparece como una señal más suave y modulada, sin impactos agudos. En campo, un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A permite a un ingeniero capturar tanto el espectro como la forma de onda en el tiempo sincronizada a la velocidad de operación, para que la frecuencia subsíncrona exacta y su carácter de forma de onda puedan evaluarse juntos antes de programar cualquier desmontaje.
