Comprensión de la vibración axial en maquinaria rotativa
Vibración axial (también llamada vibración longitudinal o de empuje) es el movimiento de ida y vuelta de un rotor en la dirección paralela a su eje de rotación. Mientras que vibración lateral es el movimiento lateral perpendicular al eje, la vibración axial es el movimiento del eje hacia adentro y hacia afuera a lo largo de su propia longitud, similar a un pistón. Por lo general, su amplitud es menor que la de vibración radial, sin embargo, es altamente diagnóstica para una familia específica de fallas, sobre todo desalineación, cojinete de empuje problemas, y problemas relacionados con el proceso en bombas y compresores. Un analista experimentado la considera una parte indispensable, no opcional, de un conjunto de mediciones completo.
1. Características y medición
Dirección y movimiento
La vibración axial ocurre a lo largo del eje central del eje:
- El movimiento es paralelo al eje de rotación.
- El rotor se mueve de ida y vuelta de manera recíproca.
- Generalmente se mide en los soportes de los rodamientos o en los extremos del eje.
- Su amplitud suele ser menor que la de la vibración radial, pero, cuando está presente, es mucho más reveladora desde el punto de vista diagnóstico.
Configuración de medición
Capturar el movimiento axial requiere una colocación deliberada de los sensores:
- Orientación del sensor: un acelerómetro o transductor de velocidad montado paralelo al eje del eje.
- Ubicaciones típicas: tapas extremas de los soportes de rodamientos, tapas extremas del motor o soportes de rodamientos de empuje.
- Sondas de proximidad: a sonda de proximidad orientadas hacia el extremo del eje pueden medir la posición axial directamente.
- Importancia: a menudo pasado por alto, pero crítico para un diagnóstico completo de la maquinaria.
2. Causas principales de la vibración axial
Desalineación: la causa más común
Desalineación del eje, y en particular la desalineación angular, es la principal fuente de vibración axial:
- Síntoma: vibración axial alta de 1× o 2× a la velocidad de funcionamiento.
- Mecanismo: una desviación angular entre ejes acoplados bombea una fuerza axial oscilante a través del acoplamiento en cada revolución.
- Indicador diagnóstico: una amplitud axial mayor al 50% de la amplitud radial sugiere fuertemente desalineación.
- Relación de fase: las lecturas axiales en los extremos de accionamiento y no accionamiento suelen estar aproximadamente 180° fuera de fase.
Defectos en rodamientos de empuje
Problemas con el rodamiento de empuje que fija la posición axial del eje producen una vibración axial característica:
- Desgaste o daño en el rodamiento de empuje.
- Precarga insuficiente del rodamiento de empuje precarga.
- Falla del rodamiento de empuje que permite un juego axial excesivo.
- Problemas de lubricación específicos de las caras de empuje.
Fuerzas hidráulicas o aerodinámicas
Las fuerzas del proceso en bombas, compresores y turbinas generan cargas axiales:
- Bomba cavitación: el colapso de las burbujas de vapor crea fuerzas de choque axial.
- Desbalance del impulsor: el flujo asimétrico produce un empuje axial oscilante.
- Turbulencia del flujo axial: en compresores axiales y turbinas.
- Surgencia: el soplido del compresor causa una vibración axial violenta.
- Recirculación: funcionamiento fuera del diseño que desencadena inestabilidades de flujo.
Holgura mecánica
Los juegos excesivos permiten que el rotor se desplace axialmente:
- Superficies del rodamiento de empuje desgastadas.
- Componentes del acoplamiento flojos.
- Restricción axial inadecuada en la disposición de rodamientos.
- Separadores o calzas desgastadas.
Problemas de acoplamiento
El desgaste del acoplamiento o una instalación deficiente generan vibración axial:
- Dientes del acoplamiento de engranajes desgastados que permiten flotación axial.
- Acoplamiento flexible instalado incorrectamente acoplamientos.
- Errores en la longitud del separador del acoplamiento.
- Ángulos de las juntas universales que crean componentes de fuerza axial.
Problemas de crecimiento térmico
La expansión térmica diferencial puede imponer fuerzas axiales:
- La expansión térmica de las tuberías empuja o tira del equipo.
- Crecimiento térmico desigual entre máquinas acopladas.
- Asentamiento de la cimentación que altera la alineación axial.
3. Importancia diagnóstica
Diagnóstico de desalineación
La vibración axial es el mejor indicador de desalineación:
- Regla general: si la vibración axial supera el 50 % de la vibración radial, sospeche de desalineación.
- Contenido de frecuencia: predominantemente 2× para desalineación por desplazamiento paralelo; tanto 1× como 2× para desalineación angular.
- Análisis de fase: una diferencia de fase de 180° entre las lecturas axiales en los extremos opuestos confirma la desalineación.
- Confirmación: alta vibración axial que disminuye bruscamente después de un balanceo de precisión alineación del eje prueba el diagnóstico.
Diagnóstico de bombas y compresores
Para equipos rotativos de manejo de fluidos:
- Cavitación: vibración axial de alta frecuencia, aleatoria y de banda ancha.
- Desbalance hidráulico: vibración axial a 1× por carga asimétrica del impulsor.
- Sobrevuelo (surge): oscilación axial de gran amplitud y baja frecuencia.
- Frecuencia de paso de las aspas: un componente axial en la frecuencia de paso de álabes apunta a problemas de flujo.
Evaluación de la condición del rodamiento
- Un aumento repentino de la vibración axial puede señalar deterioro del rodamiento de empuje.
- La vibración axial en las frecuencias de defecto del rodamiento de empuje confirma un problema de rodamiento.
- Un juego axial excesivo medido con sondas de proximidad indica desgaste del rodamiento.
4. Niveles aceptables y normas
Directrices generales
Las normas generales de vibración de maquinaria — la moderna ISO 20816 serie, que reemplazó a la ISO 10816 — se centran principalmente en la vibración radial, por lo que los límites axiales suelen establecerse en relación con ella:
- En relación con la radial: en condiciones normales, la vibración axial debe mantenerse por debajo del 50 % de la vibración radial.
- Límites absolutos: típicamente del 25 al 50 % del límite radial para la clase de la máquina.
- Comparación con el valor de referencia: un aumento del 50 al 100 % respecto al valor de referencia requiere investigación, independientemente del valor absoluto.
Normas específicas del equipo
- API 610 (bombas centrífugas): establece límites de vibración radial y axial.
- API 617 (compresores centrífugos): incluye criterios de aceptación de vibración axial.
- Máquinas rotativas: a menudo se monitorea continuamente con sensores dedicados de posición axial y vibración axial, frecuentemente según API 670 prácticas de protección de maquinaria.
5. Métodos de corrección y mitigación
Para desalineación
- Alineación precisa de ejes: utilice herramientas de alineación láser para corregir la desalineación angular y paralela.
- Corrección de pata floja: asegúrese de que cada pie de montaje quede plano antes de alinear — consulte pata floja.
- Compensación por crecimiento térmico: tenga en cuenta la expansión por temperatura de operación al establecer las metas de alineación en frío.
- Alivio de tensión en tuberías: elimine las fuerzas de las tuberías que arrastren el equipo fuera de alineación.
Para problemas de rodamientos de empuje
- Reemplace los componentes desgastados del rodamiento de empuje.
- Verifique la precarga y los juegos correctos del rodamiento de empuje.
- Asegure una lubricación adecuada en las caras de empuje.
- Compruebe la instalación correcta y el calibrado con cuñas.
Para fuerzas axiales relacionadas con el proceso
- Elimine la cavitación: aumente la presión de entrada, reduzca la temperatura del fluido, despeje los obstrucciones en la entrada.
- Optimice el punto de operación: mantenga las bombas y compresores dentro de su rango de diseño.
- Equilibre las fuerzas hidráulicas: utilice orificios de balanceo o álabes traseros en los impulsores.
- Control anti-surge: implemente una prevención efectiva de surge en compresores.
Para problemas mecánicos
- Reemplace los acoplamientos y componentes de acoplamiento desgastados.
- Ajuste las conexiones mecánicas flojas.
- Verifique las dimensiones correctas de los espaciadores y cuñas.
- Instale los acoplamientos según la especificación del fabricante.
6. Mejores prácticas de medición
Instalación del sensor
- Montaje firme: prefiera pernos o adhesivos sobre imanes para mediciones axiales cuando sea posible — consulte montaje del sensor.
- Verifique la orientación: asegúrese de que el sensor esté verdaderamente paralelo al eje del eje, no inclinado en un ángulo.
- Ambos extremos: mida la vibración axial en ambos extremos, de accionamiento y no accionamiento, para que se pueda comparar la fase.
- Sondas de proximidad: para equipos críticos, instale sensores permanentes de posición axial.
Recolección de datos
- Siempre recopile datos axiales junto con mediciones radiales horizontales y verticales.
- Registre la relación de fase entre las lecturas axiales en diferentes ubicaciones.
- Compare las relaciones de amplitud axial a radial.
- Tendencia vibración axial con el tiempo para detectar problemas en desarrollo a tiempo.
7. Vibración axial vs radial
Mantener las dos direcciones distintas es fundamental para la identificación de fallas:
| Aspecto | Vibración radial (lateral) | Vibración axial |
|---|---|---|
| Dirección | Perpendicular al eje del rotor | Paralelo al eje del rotor |
| Amplitud típica | Mayor | Menor (generalmente < 50% de la radial) |
| Causas principales | Desbalance, eje curvado, defectos de rodamientos | Desalineación, problemas de rodamientos de empuje, fuerzas del proceso |
| Valor diagnóstico | Condición general de la maquinaria | Específico para desalineación y problemas de empuje |
| Prioridad de monitoreo | Enfoque principal | Secundario pero crítico para el diagnóstico |
8. Diagnóstico práctico en campo
En el campo, la prueba decisiva de vibración axial es comparativa: lea la amplitud y la fase axialmente en ambos extremos de los rodamientos y compárelas con las lecturas radiales. Un analizador portátil de dos canales analizador de vibración como el Balanset-1A es adecuado para esto, porque sus dos canales pueden capturar ambos extremos a la vez con una referencia de fase compartida tacómetro de fase — lo que permite identificar la división de fase axial de 180° característica de la desalineación, y las frecuencias 1×/2× armónico patrón en el FFT espectro, visible de inmediato. Esa misma comparación protege contra un error costoso: una alta vibración radial a 1× se culpa fácilmente al desbalance, pero un fuerte componente axial coincidente apunta en cambio a la desalineación, que ninguna cantidad de balanceo curará. Confirmar la dirección del movimiento dominante antes de recurrir a pesos de prueba es lo que separa una reparación duradera de una tarde desperdiciada.
9. Aplicaciones industriales
El monitoreo de vibración axial es especialmente valioso para:
- Bombas centrífugas: detección de fuerzas hidráulicas y cavitación.
- Compresores: monitoreo de rodamientos de empuje y detección de soplado.
- Turbinas: fuerzas axiales en las palas y condición del rodamiento de empuje.
- Equipos acoplados: verificación de alineación y condición del acoplamiento.
- Equipos de proceso: monitoreo de la condición del flujo.
Aunque la vibración axial a menudo queda eclipsada por la señal radial más prominente, los analistas experimentados valoran su capacidad diagnóstica. Una gran cantidad de fallas que las mediciones radiales por sí solas pasarían por alto quedan al descubierto gracias al patrón axial, que es exactamente por qué un exhaustivo monitoreo-de-condición programa siempre mide las tres direcciones.
