Comprensión del paro por inercia en el análisis de maquinaria rotativa
Paro por inercia — también llamado desaceleración libre o desaceleración — es el proceso de dejar que una máquina rotativa reduzca su velocidad desde la velocidad de operación hasta detenerse sin frenado activo, confiando en las pérdidas naturales por fricción, resistencia aerodinámica y arrastre de los rodamientos. En dinámica de rotores y análisis de vibración, un paro por inercia test es un procedimiento de diagnóstico en el que vibración los datos se registran continuamente mientras la máquina desacelera, proporcionando información valiosa sobre velocidades críticas, frecuencias naturales, y el carácter dinámico del sistema. Junto con su contraparte, la prueba de arranque , es una herramienta fundamental para la puesta en marcha de nuevo equipo, la solución de problemas de vibración persistentes y la validación de modelos rotodinámicos contra la máquina tal como se construyó e instaló.
1. Propósito y aplicaciones
Identificación de velocidades críticas
El uso principal de las pruebas de paro por inercia es localizar las velocidades críticas:
- a medida que la velocidad disminuye a través de cada velocidad crítica, la amplitud de vibración alcanza un pico;
- los picos en la amplitudgráfica de amplitud versus velocidad marcan las velocidades críticas;
- un cambio de fase de 180° fase acompañante confirma que se trata de una verdadera resonancia y no de otro efecto relacionado con la velocidad; y
- varias velocidades críticas pueden capturarse en una sola ejecución.
Medición de frecuencias naturales
Las velocidades críticas corresponden a frecuencias naturales:
- la primera velocidad crítica ocurre en la primera frecuencia natural, la segunda velocidad crítica en la segunda, y así sucesivamente;
- la prueba proporciona confirmación experimental de las predicciones analíticas; y
- se utiliza ampliamente para validar modelos de elementos finitos.
Determinación del amortiguamiento
La agudeza de cada pico de resonancia revela el amortiguamiento:
- los picos altos y estrechos indican bajo amortiguamiento;
- los picos bajos y anchos indican alto amortiguamiento;
- el relación de amortiguamiento puede calcularse a partir del ancho y la amplitud del pico; y
- esa cifra es crítica para predecir los niveles de vibración en operaciones futuras.
Evaluación de la distribución del desbalance
- las relaciones de fase en las velocidades críticas revelan cómo se distribuye el desbalance a lo largo del rotor;
- pueden distinguir el desbalance estático del desbalance de par; y
- ayudan a planificar la estrategia de balanceo antes de agregar cualquier peso.
2. Procedimiento de la prueba de paro por inercia
Preparación
- Instalar sensores: coloque acelerómetros o los transductores de velocidad en las ubicaciones de los rodamientos, en ambas direcciones horizontal y vertical.
- Instalar un tacómetro: un sensor óptico o magnético tacómetro para rastrear la velocidad de rotación y proporcionar la referencia de fase.
- Configurar la adquisición de datos: establecer un registro continuo a una tasa de muestreo adecuada.
- Definir el rango de velocidad: generalmente desde la velocidad de operación hasta el 10–20 % de esta, o hasta que la máquina se detenga.
Ejecución
- Estabilizar a la velocidad de operación: operar a velocidad normal hasta alcanzar el equilibrio térmico y una vibración estable.
- Iniciar el paro por inercia: desconectar la potencia de accionamiento — motor, turbina u otro motor principal — y permitir la desaceleración natural.
- Monitorear continuamente: registrar la amplitud de vibración, la fase y la velocidad durante toda la desaceleración.
- Vigilar la seguridad: estar atento a vibraciones excesivas que indiquen una resonancia inesperada o inestabilidad.
- Desaceleración completa: continuar grabando hasta que la máquina se detenga o alcance la velocidad mínima de interés.
Parámetros de recopilación de datos
- Tasa de muestreo: suficientemente alto para capturar cada frecuencia de interés: típicamente 10–20× la frecuencia máxima.
- Duración: determinado por la inercia del rotor, puede variar desde 30 segundos hasta 10 minutos.
- Mediciones: amplitud, fase y velocidad en todas las ubicaciones de los sensores.
- Muestreo síncrono: datos tomados en incrementos angulares constantes para respaldar análisis de órdenes.
3. Análisis y visualización de datos
Diagrama de Bode
La vista estándar de los datos de paro por inercia es el Gráfica de Bode:
- traza superior: amplitud de vibración versus velocidad;
- traza inferior: ángulo de fase versus velocidad;
- firma de velocidad crítica: un pico de amplitud con su correspondiente cambio de fase de 180°; y
- por ubicación: gráficas separadas para cada punto de medición y dirección.
Diagrama en cascada
A diagrama en cascada (diagrama en cascada) ofrece una vista tridimensional:
- Eje X: frecuencia (Hz u órdenes);
- Eje Y: velocidad (rpm);
- Eje Z (color): amplitud de vibración;
- el componente 1× aparece como una línea diagonal que sigue la velocidad;
- frecuencias naturales aparecen como líneas horizontales a frecuencia constante; y
- su intersección — donde la línea 1× cruza una línea de frecuencia natural — es una velocidad crítica.
Gráfica polar
- los vectores de vibración se grafican a muchas velocidades;
- se forma una espiral característica a medida que la velocidad disminuye a través de cada velocidad crítica; y
- el cambio de fase es claramente visible a medida que el vector gira.
4. Prueba de paro por inercia vs. arranque
Ventajas del paro por inercia
- No se requiere energía externa: simplemente desconecte la transmisión y deje que la máquina realice el paro por inercia.
- Desaceleración más lenta: más tiempo de permanencia en cada velocidad proporciona mejor resolución de frecuencia.
- Más seguro: el sistema está disipando energía en lugar de acumularla.
- Menos estrés: las velocidades críticas se cruzan con energía decreciente.
Ventajas del arranque
- Aceleración controlada: la velocidad de paso por las velocidades críticas puede ser controlada.
- Parte del arranque normal: a el análisis de arranque puede recopilarse durante un arranque rutinario.
- Condiciones activas: las cargas del proceso están presentes, por lo que los datos son más representativos de la operación real.
Consideraciones de comparación
- Temperatura: el arranque suele realizarse en frío; el paro por inercia comienza desde condiciones de operación calientes.
- Rigidez del rodamiento: puede diferir entre caliente (paro por inercia) y frío (arranque).
- Fricción y amortiguamiento: ambos dependen de la temperatura y desplazan las amplitudes pico.
- Comparación de datos: las diferencias entre las trazas de arranque y paro por inercia pueden revelar por sí mismas efectos térmicos o de carga.
5. Aplicaciones y casos de uso
Puesta en marcha de equipos nuevos
- verificar que las velocidades críticas coincidan con las predicciones del diseño;
- confirmar márgenes de separación adecuados;
- validar el modelo rotodinámico; y
- establecer datos de referencia para referencia futura.
Solución de problemas de vibración
- determinar si la vibración alta está relacionada con la velocidad (una resonancia);
- descubrir velocidades críticas previamente desconocidas;
- evaluar el efecto de una modificación o reparación; y
- separar la resonancia de otras fuentes de vibración.
Procedimientos de balanceo
- para rotores flexibles, el paro por inercia identifica qué modos requieren balanceo;
- ayuda a elegir las velocidades de balanceo adecuadas; y
- verifica la mejora después del balanceo modal.
Verificación de modificaciones
- después de cambios en los rodamientos, confirmar el desplazamiento resultante de la velocidad crítica;
- después de cambios de masa o rigidez, verificar el cambio previsto en la frecuencia natural; y
- comparar los paros por inercia antes y después para cuantificar la mejora.
6. Mejores prácticas para pruebas de paro por inercia
Consideraciones de seguridad
- asegurarse de que todos los cercanos sepan que la prueba está en curso;
- vigilar la vibración de cerca para detectar resonancias inesperadas;
- mantener disponible la capacidad de parada de emergencia;
- despejar el área alrededor del equipo; y
- si se desarrolla una vibración excesiva, considerar una parada de emergencia en lugar de completar el paro por inercia.
Calidad de los datos
- Tasa de desaceleración adecuada: ni tan rápida que haya muy pocos puntos de datos por velocidad, ni tan lenta que las condiciones térmicas varíen durante la prueba.
- Condiciones estables: minimizar los cambios en las variables del proceso durante la prueba.
- Múltiples pruebas: realizar dos o tres paros por inercia para verificar la repetibilidad.
- Todas las ubicaciones simultáneamente: registrar cada rodamiento simultáneamente.
Documentación
- registrar las condiciones de operación: temperatura, carga, configuración;
- capturar los datos completos de vibración y velocidad;
- generar las gráficas de análisis estándar (Bode, cascada, polar);
- identificar y marcar cada velocidad crítica encontrada; y
- comparar con las predicciones del diseño o datos de pruebas anteriores, y luego archivarlos.
7. Interpretación de resultados
Identificación de velocidades críticas
- buscar picos de amplitud en la gráfica de Bode;
- confirmar cada uno con su desplazamiento de fase de 180°;
- anotar la velocidad a la que ocurre el pico; y
- calcular el margen de separación desde la velocidad de operación.
Evaluación de la severidad
- Amplitud de pico: ¿hasta qué altura sube la vibración en la velocidad crítica?
- Nitidez del pico: un pico agudo indica bajo amortiguamiento y un problema potencial.
- Proximidad a la operación: ¿qué tan cerca está la velocidad de funcionamiento de una velocidad crítica?
- Aceptabilidad: típicamente se requiere un margen de separación de aproximadamente ±15–20%.
Análisis avanzado
- extraer modos de vibración de mediciones multipunto;
- calcular las relaciones de amortiguamiento a partir de las características del pico;
- distinguir los modos precesión hacia adelante de los hacia atrás; y
- comparar los resultados con las Diagrama de Campbell predicciones.
8. Paro por inercia en campo
En el sitio, un paro por inercia no requiere un banco de pruebas dedicado: puede capturarse con un instrumento portátil en el momento en que se apaga el accionamiento. Un analizador de dos canales como el Balanset-1A, con su tacómetro láser que proporciona la referencia de fase, registra la amplitud, la fase y la velocidad de forma continua mientras el rotor desacelera, para que el ingeniero pueda leer directamente los picos de velocidad crítica en la traza de Bode resultante. El mismo conjunto de datos que localiza una resonancia también confirma si un desbalance a 1× está contribuyendo, lo que permite que el diagnóstico y un posterior balanceo en campo trabajo de balanceo fluyan a partir de una sola desaceleración. En resumen, las pruebas de paro por inercia proporcionan datos empíricos que complementan la predicción analítica y revelan el comportamiento dinámico real de las máquinas rotativas bajo condiciones operativas reales.
