Comprensión del diagrama de Bode en el análisis de vibraciones
A Gráfica de Bode (pronunciado “bo-dee,” en honor al ingeniero Hendrik Bode) es una gráfica especializada que muestra cómo cambia la vibración respuesta de una máquina con la velocidad de rotación. Combina dos gráficos en un eje de velocidad (RPM) compartido: una curva de amplitud sobre una curva de fase, y es la herramienta principal para encontrar las velocidades críticasde un rotor. Debido a que los datos más reveladores aparecen mientras la velocidad está cambiando, el diagrama de Bode casi siempre se construye a partir de un arranque o paro por inercia.
1. Definición: ¿Qué es un diagrama de Bode?
El diagrama consta de dos gráficos que comparten el mismo eje horizontal de velocidad:
- Un gráfica de amplitud (superior), que muestra la magnitud de la vibración 1X — sincrónica — a medida que varía la velocidad.
- A gráfica de fase (inferior), que muestra el fase retraso de esa vibración 1X con respecto a una referencia de tiempo por revolución en el eje.
Leídas juntas, las dos curvas ofrecen una imagen completa del comportamiento dinámico de un rotor. Lo crucial es que los datos se filtran solo al componente 1X: aísla la respuesta sincrónica (dominada por desbalance) de todo lo demás en el espectro, lo que hace que la firma de la resonancia sea tan nítida.
2. Por qué importa el diagrama de Bode
El diagrama de Bode es la forma definitiva de identificar velocidades críticas. Una velocidad crítica es una velocidad de rotación que coincide con una de las frecuencias naturales del rotor, llevando a la máquina a resonancia y amplificando enormemente su vibración. Dos indicadores clásicos marcan una velocidad crítica:
- Un pico distinto en la gráfica de amplitud. A medida que la velocidad barre la frecuencia natural, la amplitud aumenta hasta un máximo y luego disminuye nuevamente.
- Un desplazamiento de 180 grados en la gráfica de fase. Al pasar por la resonancia, el retraso de fase oscila en un total de aproximadamente 180 grados. En una respuesta de un solo modo simple y ligeramente amortiguada, el punto de fase de 90 grados es un localizador de resonancia útil, más nítido que el pico de amplitud por sí solo cuando el amortiguamiento difumina el pico. Sin embargo, en máquinas reales, el amortiguamiento, los soportes anisotrópicos, los modos cercanos y la compensación de excentricidad de giro desplazan estos hitos, por lo que utilicen el cruce de fase junto con el pico de amplitud, el lazo de Nyquist, una estimación de amortiguamiento y datos repetibles de arranque/paro por inercia.
Conocer exactamente dónde se encuentran las velocidades críticas permite a los ingenieros mantener las velocidades de operación continuas alejadas de ellas, evitando la alta vibración, el desgaste acelerado y el riesgo de falla catastrófica que traería operar en una crítica. Las ubicaciones pueden predecirse con anticipación mediante un calculadora de velocidad crítica del rotor y visualizarse en todo el rango de operación en un Diagrama de Campbell, para luego confirmarse contra el diagrama de Bode medido.
3. Interpretación de un diagrama de Bode
Más allá de localizar las velocidades críticas, el diagrama revela mucho más sobre el sistema del rotor:
- Factor de amplificación (AF): la nitidez del pico de resonancia refleja cuánto amortiguamiento tiene el sistema. Un pico alto y estrecho significa bajo amortiguamiento y un alto factor de amplificación, potencialmente peligroso, mientras que un pico ancho y plano indica un rotor bien amortiguado y más tolerante.
- Velocidades críticas divididas: si un rotor tiene rigidez desigual en las direcciones horizontal y vertical (soporte anisotrópico), puede mostrar dos picos de resonancia muy cercanos en lugar de uno, conocidos como “velocidad crítica dividida.”
- Cambios en el sistema: comparar diagramas de Bode registrados a lo largo del tiempo expone cambios estructurales. Una grieta en el eje en desarrollo o el aflojamiento de los pernos de cimentación desplazan la ubicación y remodelan los picos de velocidad crítica, a menudo antes de que aparezca cualquier otro síntoma.
- Información de balanceo: el diagrama es esencial para el balanceo en múltiples velocidades y múltiples planos de rotores flexibles, porque muestra la respuesta del rotor a cada velocidad y guía dónde deben ir los pesos de corrección para controlar una velocidad crítica específica.
4. Recopilación de datos e instrumentación
Generar un diagrama de Bode requiere tres elementos trabajando juntos:
- Un transductor de vibración, más a menudo una sonda de proximidad que mide el desplazamiento del eje directamente, aunque también se usan sensores montados en la carcasa en muchas máquinas.
- Un sensor de referencia de fase, un tacómetro o Keyphasor que proporciona un pulso limpio por revolución del eje.
- Un sistema de adquisición de datos capaz de rastrear la amplitud y la fase de la señal filtrada a 1X de manera continua a medida que cambia la velocidad.
Los datos se capturan durante un arranque controlado o un paro por inercia para que la máquina barre todo su rango de velocidad y cada velocidad crítica dentro de él. En maquinaria de propósito general que no lleva sondas de proximidad permanentes, un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A cumple la misma función en campo: activado por su tacómetro láser, registra la amplitud y la fase 1X sincronizadas durante un arranque o un paro por inercia para que el analista pueda graficar la respuesta y localizar resonancias en el sitio, sin instrumentar permanentemente la máquina.
5. El diagrama de Bode y las vistas adyacentes
El diagrama de Bode es una de una familia de vistas de datos transitorios y es más poderoso cuando se lee junto con sus parientes. El Gráfica de Nyquist presenta la misma información de amplitud y fase como una única curva polar, donde una resonancia traza un lazo claro. Un diagrama en cascada apila espectros completos contra la velocidad, por lo que los componentes no sincrónicos, que el diagrama de Bode solo 1X ignora deliberadamente, también se vuelven visibles. Elegir la combinación correcta de estas vistas convierte un registro de arranque en una imagen completa de dinámica de rotores.
