Vibración subsíncrona y síncrona explicada
Vibración subsíncrona es cualquier componente de vibración cuya frecuencia es menor que la velocidad de operación primaria de la máquina (1×), y su aparición es una de las señales más graves que una máquina rotativa puede enviar. Para entender por qué, ayuda compararla con su opuesto: la vibración síncrona, que sigue al eje en múltiplos enteros exactos de la velocidad de operación. La distinción no es académica: separa las fallas cotidianas que pueden corregirse mecánicamente de las inestabilidades autoexcitadas que exigen un rediseño o una parada inmediata. Este artículo define ambos términos, enumera las causas habituales y muestra cómo distinguirlas en un FFT espectro.
1. ¿Qué es la vibración síncrona?
La vibración síncrona ocurre a una frecuencia que es un múltiplo entero de la velocidad de rotación del eje: está «en sincronía» con la rotación. Es, con mucho, la categoría más común de vibración en maquinaria.
- La vibración exactamente a la velocidad de operación (1×) es síncrona.
- La vibración a dos veces la velocidad de operación (2×), tres veces (3×), y así sucesivamente, también es síncrona, y usualmente se denomina armónicos de la velocidad de operación.
La gran mayoría de las fallas comunes se manifiestan de esta manera. Desbalance, desalineación, y holgura mecánica producen vibración síncrona. El desbalance, por ejemplo, siempre aparece a 1× RPM y sigue perfectamente cualquier cambio de velocidad: si se duplica la RPM, el pico de desbalance simplemente se desplaza a la nueva frecuencia de 1×. Como la excitación está vinculada al ángulo del eje, estos son casos clásicos de vibraciones forzadas.
2. ¿Qué es la vibración subsíncrona?
La vibración subsíncrona ocurre a una frecuencia por debajo de 1× — el prefijo «sub-» simplemente significa «por debajo». Un contenido subsíncrono significativo suele ser una señal de advertencia grave, porque generalmente es producido por fenómenos rotor-dinámicos inestables y autoexcitados, en lugar de por un defecto mecánico simple. La diferencia crucial es la fuente de energía: en las fallas síncronas, un error geométrico externo impulsa el rotor una vez por vuelta, mientras que en la inestabilidad subsíncrona, la función de excitación es generada por el movimiento del propio rotor interactuando con sus rodamientos o sellos. Ese bucle de retroalimentación es lo que convierte a estas condiciones en un sello distintivo de inestabilidad del rotor.
3. Causas comunes de vibración subsíncrona
La vibración subsíncrona es una preocupación importante en turbomáquinas de alta velocidad que operan en cojinetes de fricción.
3.1 Oil whirl
Esta es la forma más común de inestabilidad subsíncrona. En un cojinete de película fluida, la película de aceite hidrodinámica que soporta el eje puede comenzar a circular y empujar el eje por delante, un fenómeno conocido como oil whirl. Como la velocidad promedio de la película de aceite es un poco menos de la mitad de la velocidad superficial del eje, el precesión resultante aparece aproximadamente a 0.42 a 0.48 veces la velocidad de operación (0.42×–0.48×). El oil whirl suele depender de la carga y la temperatura, y puede aparecer o desaparecer conforme cambian la carga del rodamiento, la temperatura del aceite o la velocidad.
3.2 Oil whip
El oil whip es una evolución más grave y peligrosa del oil whirl. Ocurre cuando la frecuencia del whirl aumenta hasta encontrar — y luego «bloquearse en» — la primera frecuencia natural del rotor, o velocidad crítica. Una vez bloqueado, la amplitud subsíncrona puede crecer mucho y no desaparecerá al aumentar la velocidad; en cambio, la vibración permanece fija en la frecuencia de velocidad crítica incluso cuando la máquina acelera más. Esta condición bloqueada y escalatoria — estrechamente relacionada con oil whip — es altamente destructiva y generalmente requiere una parada.
3.3 Fricción rotor-estator
El contacto entre el rotor y una parte estacionaria — un rozamiento del rotor — también puede inducir vibración subsíncrona, a menudo a fracciones enteras de la velocidad de operación como 0.5×. Un componente limpio de 0.5× es un signo clásico de una fricción que hace rebotar al rotor una vez cada dos revoluciones. Otras fuentes de subarmónica respuesta incluyen holgura mecánica severa y ciertas no linealidades inducidas por fricción.
4. Cómo distinguirlos en un espectro FFT
Separar las dos familias en un espectro depende en gran medida de dónde caen los picos en relación con 1×:
- Picos síncronos: localice el pico de 1× RPM (velocidad de operación) y busque picos en múltiplos enteros exactos: 2×, 3×, y así sucesivamente.
- Picos subsíncronos: busque cualquier pico significativo que aparezca antes el pico de 1× en el eje de frecuencias. Un pico cerca del 45 % de la velocidad de operación es un indicador clásico de oil whirl.
Como el diagnóstico depende de la relación exacta entre el pico y la velocidad de operación, una referencia de velocidad precisa es esencial: pequeños errores en la RPM asumida pueden difuminar un whirl de 0.48× en algo ambiguo. Análisis de órdenes referenciado a un pulso de tacómetro por revolución elimina esa ambigüedad al expresar el espectro directamente en órdenes de la velocidad de operación.
5. Por qué la distinción es crítica
Saber a qué familia pertenece lo que observan determina toda la respuesta:
- Problemas síncronos (como el desbalance) son vibraciones forzadas y usualmente pueden corregirse mecánicamente — mediante balanceo, alineación o apriete de elementos de fijación.
- Problemas subsíncronos (como el oil whip) son vibraciones autoexcitadas o inestabilidades. Señalan un problema fundamental en la sistema rotor-rodamiento y no pueden curarse mediante el balanceo. Las soluciones suelen implicar cambiar el diseño del rodamiento (por ejemplo, a rodamientos de patas basculantes), ajustar la temperatura o presión del aceite, aumentar la carga del rodamiento o modificar el rotor.
Por esta razón, un pico subsíncrono de alta amplitud generalmente se trata como una alarma más grave que un pico síncrono de igual magnitud. En la práctica, un ingeniero primero confirma que la máquina está bien balanceada y alineada: un analizador portátil como el Balanset-1A mide la amplitud a 1× y fase necesaria para descartar o corregir las causas síncronas, de modo que cualquier componente subsíncrono que permanezca en el espectro pueda atribuirse con confianza a una inestabilidad en lugar de a un fallo mecánico curable.
