Comprensión de los diagramas de cascada
A cascade plot — también llamado gráfico de cascada, espectro 3D o mapa espectral — es una representación tridimensional que muestra cómo vibración espectros de frecuencia varía en función del tiempo, la velocidad u otra variable. La frecuencia se representa en el eje X, la variable que varía (tiempo o velocidad) en el eje Y, y la vibración amplitud a lo largo del eje Z, representados como altura, intensidad de color o ambas cosas. Los espectros sucesivos se superponen uno tras otro, como una serie de cascadas, creando una imagen que revela patrones que ningún espectro bidimensional por sí solo puede mostrar.
Esta nueva dimensión hace que el gráfico en cascada sea indispensable para dos tareas en particular: dinámica del rotor análisis, en el que señala velocidades críticas durante el arranque o la desaceleración, así como en el seguimiento de fallos a largo plazo, lo que permite al ingeniero observar cómo surge y se agrava la frecuencia de un defecto en un rodamiento. Los términos «cascade plot» (gráfico en cascada) y «waterfall plot» (diagrama de cascada) se utilizan indistintamente en este ámbito.
1. Cómo se construye un gráfico en cascada
Ejes y dimensiones
- Eje X (horizontal): frecuencia, en Hz, CPM o órdenes.
- Eje Y (profundidad): la variable que se varía: el tiempo, la velocidad o la carga.
- Eje Z (vertical o de color): amplitud de la vibración.
- Perspectiva: normalmente se observa desde un ángulo frontal superior, de modo que las trazas cercanas no oculten por completo las que se encuentran detrás.
Tipos basados en la variable del eje Y
Lo que representa el eje Y define el propósito del gráfico:
- Cascada basada en la velocidad (arranque/parada por inercia): el eje Y representa la velocidad de rotación, generada durante un arranque o parada por inercia, y la velocidad suele ir aumentando de delante hacia atrás. Esta es la forma más habitual de determinar la velocidad crítica.
- Cascada basada en el tiempo: El eje Y representa el tiempo cronológico, mostrando la evolución de los fallos a lo largo de días, semanas o meses —los registros más recientes al final y los más antiguos al principio—, lo que lo hace ideal para supervisar fallos progresivos.
- Cascada basada en la carga: El eje Y representa la carga o la potencia, lo que permite observar cómo responde la vibración a la carga y pone de manifiesto los fenómenos dependientes de la carga en equipos de funcionamiento variable.
2. Lectura e interpretación de gráficos en cascada
Toda la técnica se basa en una regla visual: los componentes que varían con la velocidad del eje se representan en diagonal, mientras que los que tienen una frecuencia fija se representan en vertical. Si aprendes a interpretar esa geometría, el gráfico se explica por sí solo.
Componentes de seguimiento de velocidad
Estas se ven como líneas diagonales, ya que su frecuencia aumenta y disminuye con la velocidad:
- 1× line: una diagonal recta que parte del origen — la firma de desequilibrio.
- 2× line: una diagonal más pronunciada, que suele desalineación o holgura.
- Higher orders: diagonales aún más pronunciadas, las armónicos de la velocidad de giro.
Componentes de frecuencia fija
Aparecen como líneas verticales que se mantienen constantes independientemente de la velocidad:
- Frecuencias naturales: elementos verticales que marcan la estructura resonancias.
- Frecuencias eléctricas: el doble de la frecuencia de la red (120 Hz con una red de 60 Hz, 100 Hz con una red de 50 Hz) queda perfectamente vertical.
- Vibración externa: interferencias de frecuencias constantes procedentes de equipos cercanos.
Determinación de la velocidad crítica
El resultado se observa cuando una línea diagonal de 1× cruza una característica de frecuencia natural vertical. En esa intersección, la amplitud alcanza su máximo —formando una “montaña” en el gráfico— porque el rotor está pasando por un punto de resonancia, y la nitidez de ese pico ofrece una lectura directa y visual de amortiguación.
3. Aplicaciones
Análisis de velocidad crítica
Este es el uso clásico, fundamental para la puesta en marcha y la resolución de problemas. Una cascada basada en la velocidad permite al ingeniero localizar todas las velocidades críticas dentro del rango de funcionamiento, verificar los márgenes de separación respecto a la velocidad de funcionamiento, evaluar la amortiguación a partir de la nitidez de los picos y comparar las velocidades críticas medidas con las previstas por un Diagrama de Campbell o modelo del rotor.
Monitorización de defectos en rodamientos
Una cascada temporal es la forma más natural de detectar el deterioro de un cojinete: observe el BPFO, BPFI y BSF observar cómo surgen y aumentan los picos, fijarse en la evolución armónica que indica el avance del daño y calcular el plazo en que se producirá el fallo a partir de la tasa de crecimiento: una base para predecir vida útil restante.
Análisis de órdenes
Si se representa el eje de frecuencia en órdenes en lugar de en Hz, la disposición cambia de forma útil: los componentes sincronizados con la velocidad se alinean verticalmente, mientras que los no sincronizados (como los tonos de los cojinetes o remolino de aceite) se inclinan en diagonal. Esto resulta especialmente eficaz en máquinas de velocidad variable, en las que un eje Hz convencional difuminaría cada orden en una banda.
Visualización del desarrollo de fallos
En términos más generales, el gráfico en cascada es el formato ideal para observar la evolución de un fallo: la aparición de nuevos picos, el crecimiento de los picos existentes, la multiplicación de los armónicos y bandas laterales surgiendo... todo ello plasmado en una sola imagen.
4. Creación de gráficos en cascada eficaces
Recopilación de datos
- Cortes suficientes: Se necesita un mínimo de entre 10 y 20 espectros para obtener una superficie clara y legible.
- Incremento constante: Un espaciado uniforme en la variable del eje Y mantiene la geometría sin distorsiones.
- Resolución adecuada: suficiente resolución en frecuencia para separar los picos de interés —una elección que el Calculadora de resolución FFT can help make.
- Full range: abarcar todo el rango de velocidades de funcionamiento o todo el periodo de evolución, para que ningún dato importante quede fuera del gráfico.
Configuración de pantalla
- Escala de amplitud: lineal o logarítmica, según el rango dinámico de los datos.
- Colour map: seleccionadas para resaltar los elementos de interés.
- Ángulo de perspectiva: por lo general, un ángulo de elevación de entre 20 y 30 grados para una mejor visión.
- Retención de pico: Algunos programas trazan una envolvente de picos a lo largo de los cortes para mejorar la nitidez de la imagen.
5. Dónde se utilizan los instrumentos de campo
Para registrar una cascada útil se necesita un instrumento capaz de registrar una serie de espectros sincronizados con la velocidad del eje durante toda la fase de aceleración o desaceleración. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A mide la vibración junto con un eje tacómetro de referencia, de modo que un ingeniero de campo pueda recopilar los espectros con indicación de velocidad necesarios para detectar una velocidad crítica en una máquina en sus propios cojinetes; a continuación, si la línea diagonal 1× resulta ser dominante, pasar directamente a equilibrado de campo sin salir del sitio en ningún momento.
6. Ventajas y limitaciones
Al igual que cualquier visualización, el gráfico en cascada es una herramienta con un punto óptimo definido, más que una solución universal.
Ventajas
- Presenta datos multidimensionales en una única vista intuitiva.
- Revela patrones que simplemente no se aprecian en espectros 2D aislados.
- Separa claramente los componentes que dependen de la velocidad de los que no dependen de ella.
- Ofrece una visión completa del comportamiento dinámico, y queda muy bien en informes y presentaciones.
Limitaciones
- Puede resultar saturado cuando hay demasiados componentes presentes.
- Se necesita experiencia para interpretarlo correctamente.
- En la vista 3D, los detalles más sutiles pueden quedar ocultos tras los picos más cercanos.
- Dificulta la lectura de valores numéricos precisos, por lo que complementa, en lugar de sustituir, a la representación 2D convencional análisis espectral.
Los gráficos en cascada son potentes herramientas de visualización que añaden la dimensión del tiempo o la velocidad al análisis de frecuencias, revelando los patrones dinámicos y las progresiones que los espectros estáticos no captan. Dominar su interpretación —distinguir entre características diagonales y verticales, detectar intersecciones de velocidad crítica y seguir la progresión de fallos— es una habilidad fundamental para el análisis avanzado de vibraciones y la evaluación de la dinámica de rotores.
