¿Qué es un diagrama en cascada (diagrama de cascada)?
A diagrama en cascada, también llamado un diagrama de cascada, es una gráfica tridimensional que muestra cómo una vibración espectro evoluciona con el tiempo o en función de otra variable, generalmente la velocidad de la máquina. Se construye apilando una serie de FFT espectros uno detrás de otro, formando una superficie 3D que se asemeja a una hoja de agua en cascada. Esa única imagen permite a un analista observar cómo cada componente de vibración crece, se reduce, aparece o desaparece a medida que cambian las condiciones de operación de la máquina, algo que un único espectro estático nunca puede revelar.
1. Definición: Los tres ejes de un diagrama en cascada
La potencia del diagrama en cascada radica en añadir una tercera dimensión al conocido espectro de dos ejes. Una FFT convencional traza amplitud contra frecuencia para un instante dado; el diagrama en cascada añade el tiempo o la velocidad como un tercer eje para que toda una secuencia de espectros pueda leerse de un vistazo.
- Eje X — Frecuencia: el contenido espectral, en Hz o, cuando seguimiento de órdenes se utiliza, en órdenes de velocidad de giro.
- Eje Y — Amplitud: la magnitud de cada componente espectral, en velocidad, aceleración o desplazamiento.
- Eje Z — Tiempo o RPM: la variable a lo largo de la cual se apilan los espectros. La velocidad (RPM) es con diferencia la más común y la más útil desde el punto de vista diagnóstico.
Un pariente cercano es el diagrama en cascada, y los términos se tratan frecuentemente como sinónimos; algunos analistas reservan «waterfall» para un apilamiento basado en el tiempo y «cascade» para uno basado en la velocidad, pero la visualización subyacente es idéntica.
2. La aplicación principal: pruebas de arranque y paro por inercia
El uso más importante de un diagrama en cascada es analizar la vibración capturada durante el arranque de una máquina (arranque) o el paro (paro por inercia). Durante estos eventos transitorios, la velocidad barre todo el rango de operación, y el diagrama en cascada traza un mapa completo de la respuesta dinámica de la máquina en ese rango. En lugar de adivinar cómo se comporta el rotor a velocidades intermedias, el analista ve cada velocidad representada en una sola superficie.
Esto hace que el diagrama sea indispensable para varias tareas:
- Identificar velocidades críticas y resonancias: a resonancia aparece como una cresta que se mantiene en una frecuencia fija independientemente de la velocidad. A medida que los órdenes de velocidad de giro (1×, 2×, …) barren esa frecuencia fija, su amplitud aumenta bruscamente, marcando la velocidad crítica en la intersección.
- Separar la vibración forzada de la resonancia: el diagrama distingue claramente los picos dependientes de la velocidad — vibraciones forzadas como desbalance que siguen las líneas de orden — de los picos de frecuencia fija (resonancias) que forman una cresta recta a lo largo del eje de velocidad.
- Observar cambios en la estabilidad del rotor: revela la velocidad a la que aparecen y desaparecen inestabilidades subsíncronas como oil whirl y oil whip , lo cual es fundamental para cualquier dinámica de rotores investigación.
3. Cómo interpretar un diagrama en cascada
Leer un diagrama en cascada se reduce a reconocer dos familias de crestas y cómo interactúan.
Líneas de orden (crestas diagonales)
Estas crestas están vinculadas directamente a la velocidad de giro de la máquina y, por lo tanto, aparecen como líneas diagonales que suben en frecuencia a medida que aumenta la velocidad.
- La diagonal más prominente es normalmente el 1er orden (1×), la respuesta al desbalance del rotor y la velocidad de funcionamiento componente.
- Otras diagonales aparecen en el 2do orden (2×) — frecuentemente vinculado a desalineación — y en armónicos superiores, cada uno un múltiplo fijo de la velocidad.
Resonancias (crestas horizontales)
Estas crestas se sitúan en una frecuencia constante, independiente de la velocidad, por lo que recorren horizontalmente el diagrama. Marcan las frecuencias naturales.
- Donde una línea de orden (como la respuesta de desbalance 1×) cruza una cresta de resonancia, la amplitud aumenta bruscamente, formando un pico grande a una velocidad específica.
- Esa velocidad es una velocidad crítica del sistema, y la cantidad de amplificación en la intersección revela cuánto amortiguamiento lleva el sistema.
4. Adquisición de datos: seguimiento de órdenes y tacómetro
Para producir un diagrama en cascada nítido, los datos suelen adquirirse mediante seguimiento de órdenes. Esto requiere un tacómetro pulso para que cada espectro se sincronice con el ángulo del eje y las líneas espectrales no se “difuminen” entre los canales a medida que cambia la velocidad entre muestras. Sin esa fase referencia, los espectros transitorios se difuminan y las líneas de orden pierden definición. Si bien un diagrama en cascada puede trazarse contra un eje de frecuencia fija, un basado en órdenes diagrama en cascada —con órdenes en lugar de Hz en el eje X— mantiene las líneas de orden perfectamente verticales y suele ser más fácil de leer en máquinas de velocidad variable.
En el campo, el mismo instrumento que captura los espectros suele proporcionar la referencia de velocidad. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A, equipado con su tacómetro láser óptico que se activa con una tira de cinta reflectante, registra espectros sincronizados y amplitud y fase de 1× durante un arranque o un paro por inercia: la materia prima con la que se ensambla un diagrama en cascada. Dado que la medición se toma en los propios rodamientos de la máquina a velocidad de operación, el diagrama resultante refleja el verdadero comportamiento instalado del rotor.
5. Gráficas relacionadas de arranque / paro por inercia
El mismo conjunto de datos transitorios alimenta varias visualizaciones complementarias, y los analistas experimentados pasan de una a otra con libertad:
- Gráfica de Bode: amplitud y fase de una sola orden trazadas contra la velocidad en ejes cartesianos: ideal para leer las RPM exactas de un pico.
- Gráfica de Nyquist: la traza real versus imaginaria del vector de una orden, que forma un lazo en cada velocidad crítica.
- Diagrama de Campbell: un mapa relacionado de frecuencia versus velocidad que superpone líneas de orden sobre líneas de frecuencia natural para predecir interferencias.
Donde las gráficas de Bode y Nyquist se centran en una orden a la vez, el diagrama en cascada mantiene el todo el espectro a la vista a cada velocidad. Esa amplitud es exactamente la razón por la que sigue siendo una herramienta indispensable para el análisis rotodinámico en profundidad, ofreciendo una imagen completa del comportamiento de una máquina en todo su rango de operación.
