Comprensión de la vibración forzada
Vibración forzada es un movimiento oscilatorio causado por una fuerza periódica externa que actúa sobre un sistema mecánico. La vibración ocurre a la frecuencia de la fuerza aplicada — la frecuencia de forzamiento — y su amplitud es proporcional a la magnitud de esa fuerza e inversamente proporcional a la resistencia del sistema al movimiento a esa frecuencia. La abrumadora mayoría de vibración en los equipos rotativos es vibración forzada, siendo los culpables habituales desbalance (una fuerza centrífuga rotativa), desalineación (fuerzas de acoplamiento) y pulsaciones aerodinámicas o hidráulicas. La vibración forzada es fundamentalmente diferente de vibración autoexcitada, donde el sistema genera y mantiene su propia oscilación, y de la vibración libre, el decaimiento transitorio que sigue a un impulso. Comprender estos principios es importante porque explican cómo la amplitud de vibración se relaciona con la severidad de la falla y cómo la vibración puede controlarse, ya sea reduciendo el forzamiento o modificando la respuesta del sistema.
1. Características de la vibración forzada
Coincidencia de frecuencia
- La frecuencia de vibración es igual a la frecuencia de forzamiento: fuerce el sistema a 30 Hz y vibrará a 30 Hz.
- Esto es diferente a la vibración autoexcitada, que se bloquea en una frecuencia natural independientemente de la velocidad de excitación.
- Por lo tanto, la frecuencia es predecible directamente desde la fuente de excitación.
Proporcionalidad de amplitud
- La amplitud es proporcional a la magnitud de la fuerza excitadora: si se duplica la fuerza, (en un sistema lineal) se duplica la vibración.
- Si se elimina la excitación, la vibración se detiene, lo cual es precisamente la razón por la que es controlable.
Relación de fase
- Existe una relación fase definida entre la fuerza y la respuesta.
- Esa fase depende de la frecuencia de excitación en relación con la frecuencia natural:
- Por debajo de la resonancia: la vibración está esencialmente en fase con la fuerza.
- En la resonancia: un desfase de 90°.
- Por encima de la resonancia: un desfase de 180°.
Estabilidad
- El sistema es estable: la vibración está acotada y no crece sin límite.
- La amplitud está determinada por la excitación y la respuesta del sistema juntas, lo opuesto a la vibración autoexcitada inestable, que puede descontrolarse hasta que una no linealidad la detenga.
2. Funciones de excitación comunes en maquinaria
Desbalance — excitación a 1×
- Fuerza: una fuerza centrífuga rotatoria debida a la excentricidad de masa.
- Frecuencia: una vez por revolución (1× la velocidad del eje).
- Magnitud: F = m·r·ω², por lo que aumenta con la cuadrado de la velocidad.
- Importancia: la fuente principal de vibración en la mayoría de los equipos rotativos.
Esta dependencia de ω² merece atención: duplicar la velocidad de funcionamiento cuadruplica la fuerza de desbalance, razón por la cual un rotor que funciona silenciosamente a baja velocidad puede vibrar violentamente al alcanzar su velocidad de servicio. Pueden cuantificarlo con nuestra Calculadora de fuerza centrífuga por desbalance.
Las otras fuentes principales
- Desalineación — excitación a 2×: fuerzas en el acoplamiento debidas a un desplazamiento angular o paralelo, que producen vibración al doble de la velocidad del eje y un alto axial componente.
- Aerodinámica / hidráulica (paso de álabes o paletas): pulsaciones de presión por la interacción álabe-estator a la velocidad del eje multiplicada por el número de álabes, la firma característica de ventiladores, bombas y compresores, impulsada por aerodinámica y fuerzas hidráulicas.
- Fuerzas de engranaje: el contacto de dientes crea una carga periódica a la velocidad del eje multiplicada por el número de dientes (la frecuencia de engranaje), con una magnitud vinculada al par transmitido y a la calidad de los dientes.
- Fuerzas electromagnéticas: pulsaciones del campo magnético en motores y generadores a 2× la frecuencia de línea (120 Hz en una red de 60 Hz, 100 Hz en 50 Hz), notablemente independiente de la velocidad mecánica, una excitación asíncrona.
3. Respuesta a la excitación: cómo se comporta el sistema
La misma fuerza produce amplitudes muy diferentes dependiendo de dónde se sitúe la frecuencia de excitación en relación con la frecuencia natural del sistema. Tres regímenes lo describen.
Por debajo de la frecuencia natural (controlado por rigidez)
- Amplitud ≈ Fuerza ÷ Rigidez.
- La respuesta está en fase con la excitación.
- Para fuerzas dependientes de la velocidad, la amplitud aumenta con la velocidad.
- La región de operación típica para la mayoría de rotores rígidos.
En la frecuencia natural (resonancia)
- Amplitud ≈ Fuerza ÷ (Amortiguamiento × Frecuencia Natural).
- Amplificada por el factor Q, típicamente 10–50×.
- Un desfase de 90°, y pequeñas fuerzas ahora crean gran vibración.
- Amortiguamiento es lo único que limita la amplitud, la importancia práctica del resonancia.
Por encima de la frecuencia natural (controlado por masa)
- Amplitud ≈ Fuerza ÷ (Masa × Frecuencia²).
- Un desfase de 180°, la vibración se mueve en dirección opuesta a la fuerza.
- La amplitud disminuye a medida que aumenta la frecuencia.
- La región de operación para rotores flexibles funcionar por encima de su velocidades críticas.
4. Vibración forzada frente a otros tipos
Vibración forzada frente a vibración libre
- Forzada: excitación continua, vibración sostenida, a la frecuencia de excitación.
- Libre: una respuesta a impulso que decae, a la frecuencia natural.
- Ejemplo: a prueba de golpeteo produce vibración libre; una máquina en funcionamiento produce vibración forzada.
Vibración forzada frente a vibración autoexcitada
- Forzada: una fuerza externa, amplitud proporcional a dicha fuerza, estable.
- Autoexcitada: una fuente de energía interna, amplitud limitada solo por la no linealidad, inestable.
- Ejemplos: el desbalance es forzado; oil whirl es autoexcitada.
5. Control y mitigación
Reducir la excitación (generalmente la mejor opción)
- Balanceo: reduce directamente la excitación por desbalance y es la acción correctiva más común.
- Alineación: reduce las fuerzas de desalineación.
- Reparar defectos: corregir los problemas mecánicos que generan las fuerzas.
- Más efectivo: eliminar o minimizar la fuente de excitación en su origen.
Modificar la respuesta del sistema o evitar la resonancia
- Cambiar la rigidez o la masa: desplazar las frecuencias naturales lejos de las frecuencias de excitación.
- Agregar amortiguamiento: atenuar la amplificación resonante.
- Aislamiento: reducir la transmisión de fuerza hacia la estructura de soporte.
- Evitar la resonancia: mantener las frecuencias de excitación alejadas de las frecuencias naturales, con un margen de separación de aproximadamente ±20–30 %, verificado mediante análisis en la fase de diseño y aplicado con restricciones de velocidad si una colisión es inevitable.
6. Importancia práctica y diagnóstico
Dado que casi toda la vibración de las máquinas es forzada — desbalance, desalineación, frecuencia de engranaje y demás — también es predecible y controlable, y las acciones estándar de mantenimiento de balanceo y alineación funcionan precisamente porque atacan la excitación. El enfoque diagnóstico sigue directamente: identificar la frecuencia de excitación a partir del espectro, asociarla con una fuente conocida (1×, 2×, frecuencia de engranaje, paso de álabes), diagnosticar esa fuente y reducir la excitación con el mantenimiento adecuado.
Aquí es donde el instrumental de campo demuestra su valor. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A mide la vibración amplitud y la fase a la velocidad de funcionamiento, le permite leer el espectro para separar un pico de desbalance a 1× de un pico de desalineación a 2× y, tras identificar el desbalance como la excitación dominante, lo corrige en el acto mediante balanceo en campo el rotor en sus propios rodamientos. Medir la fase además de la amplitud es lo que distingue un problema de excitación de un problema de resonancia, ya que ambos se comportan de manera muy distinta al cambiar la velocidad.
La vibración forzada es el tipo fundamental de vibración en máquinas rotativas, que surge siempre que una fuerza periódica externa actúa sobre el sistema. Comprender sus principios — coincidencia de frecuencia, proporcionalidad de amplitud y las regiones de respuesta controladas por rigidez, amortiguamiento y masa — es lo que permite el diagnóstico correcto de las fuentes de vibración, la acción correctiva adecuada (reducir la excitación o modificar la respuesta) y las estrategias de diseño que mantienen la vibración baja mediante la reducción de la excitación y la evitación de la resonancia.
