Fundamentos de la vibración asincrónica
Vibración asincrónica (también llamada vibración no sincrónica) es vibración a frecuencias que son no múltiplos enteros exactos — órdenes — de la velocidad de rotación del eje. A diferencia de vibración sincrónica de desequilibrio o desalineación (que siempre aparece en 1×, 2×, 3× la velocidad de funcionamiento), la vibración asíncrona se produce a frecuencias dictadas por la geometría de los componentes, efectos electromagnéticos o fuentes externas, en lugar de por la propia rotación del eje.
Distinguir el contenido síncrono del asíncrono es una de las competencias más fundamentales en el diagnóstico de maquinaria diagnóstico, porque la distinción reduce de inmediato el campo de búsqueda de la causa. Los componentes síncronos apuntan a problemas de masa giratoria o geométricos vinculados al rotor; los componentes asíncronos señalan, en cambio, defectos en elementos rodantes, fallos eléctricos o influencias externas al rotor. Establecer correctamente esta clasificación desde el principio evita al analista, por ejemplo, equilibrar una máquina cuyo verdadero problema es un rodamiento defectuoso.
1. Síncrono frente a asíncrono: la distinción fundamental
El límite está definido íntegramente por el orden — la relación entre la frecuencia de vibración y la frecuencia de velocidad de giro. Un pico en un orden exactamente entero es síncrono y está vinculado a la rotación del eje; un pico en un orden fraccionario es asíncrono y obedece a otro reloj.
- Síncronos (órdenes enteros): 1,00×, 2,00×, 3,00× — desequilibrio, desalineación, a eje doblado, certain holgura patterns.
- Asíncronos (órdenes no enteros): 2,47×, 3,57×, 0,45× — defectos de rodamientos, líneas eléctricas, inestabilidades subsíncronas y fuentes externas.
Una subcategoría de utilidad es la subarmónico — energy debajo de 1× (por ejemplo, un pico a 0,5× por holgura severa o rozamiento). Los subarmónicos son una forma de contenido asíncrono y coexisten con las inestabilidades subsíncronas que se analizan más adelante.
2. Fuentes habituales de vibración asíncrona
Defectos en rodamientos de elementos rodantes (los más frecuentes)
Con diferencia, la fuente dominante de vibración asíncrona:
- Frecuencias de fallos de los rodamientos: BPFO, BPFI, BSF y FTF están regidos por la geometría del rodamiento y nunca son múltiplos exactos de la velocidad de eje.
- Ejemplo: un motor de 1800 RPM (30 Hz) puede mostrar un BPFO a 107 Hz — es decir, 3,57× la velocidad de eje, claramente no un número entero.
- Valor diagnóstico: una frecuencia asíncrona genera inmediatamente la sospecha de un problema en el rodamiento.
- Detección: análisis de envolvente es la técnica principal para detectar estos componentes, con frecuencia mucho antes de que aparezcan en el espectro ordinario.
Frecuencias eléctricas
Vibración electromagnética no relacionada con la velocidad de eje:
- 2× frecuencia de línea: 120 Hz en suministros de 60 Hz o 100 Hz en suministros de 50 Hz, independientemente de la velocidad del motor.
- Ejemplo: un motor bifásico de 60 Hz gira a aproximadamente 3550 RPM (59,2 Hz), pero su vibración al doble de la frecuencia de red se sitúa en 120 Hz — 2,03× la velocidad del eje, asíncrona.
- Frecuencia de paso de polos: puede no ser un múltiplo entero exacto.
- VFD harmonics: las frecuencias de conmutación del variador no guardan relación con la velocidad de eje.
Fuentes externas
- Equipos adyacentes: vibración transmitida a través del suelo desde máquinas cercanas.
- Estructura del edificio o cimentación: resonancias estructurales a frecuencias fijas.
- Pulsaciones de proceso: ondas de presión que se propagan por las tuberías.
- Resonancias acústicas: ondas estacionarias en conductos o recintos.
Inestabilidades subsíncronas
- Remolino de aceite: típicamente entre 0,42 y 0,48× la velocidad del eje (no exactamente la mitad).
- Oil whip: se sincroniza con el frecuencia natural, no con la velocidad del eje.
- Inestabilidades en sellos: a menudo a frecuencias determinadas por la dinámica de fluidos. Estos son ejemplos clásicos de inestabilidad del rotor.
Vibración aleatoria
- Cavitación: colapso aleatorio de burbujas, banda ancha.
- Turbulencia: fluctuaciones de flujo aleatorias.
- Frotamiento: contacto caótico que genera vibración no periódica.
3. Identificación en espectros
Características del espectro
- Frecuencia fija: Aparece en el mismo valor de Hz independientemente de los cambios de velocidad
- Order shifts: si la velocidad varía, una frecuencia asíncrona cambia su orden (porque el orden es la frecuencia ÷ la velocidad del eje).
- Diagrama en cascada: los componentes asíncronos aparecen como vertical líneas, componentes síncronos como diagonal líneas: la forma más intuitiva de distinguirlas.
- Espectro de órdenes: los picos asíncronos se sitúan en órdenes no enteros (2,47×, 3,57×, etc.).
Procedimiento de diagnóstico
- Identificar la velocidad de funcionamiento del pico 1× o, de manera más fiable, un tacómetro.
- Calcular órdenes dividiendo la frecuencia de cada pico entre la frecuencia de la velocidad de funcionamiento.
- Integer orders (1,00×, 2,00×, 3,00×) son síncronos.
- Órdenes no enteros (2,47×, 3,57×) son asíncronos.
- Relacionar con tipos de fallo comparando las frecuencias calculadas con las frecuencias de rodamientos, las líneas eléctricas y similares.
En máquinas de velocidad variable esta separación es más clara bajo análisis de órdenes, que referencía el eje de frecuencias a múltiplos de la velocidad de funcionamiento, de modo que los picos síncronos permanecen fijos mientras que los asíncronos se desplazan.
4. Relevancia diagnóstica
Defectos de los cojinetes
- Los picos asíncronos en BPFO, BPFI o BSF sugieren inmediatamente un problema en el rodamiento.
- Calcule las frecuencias teóricas de los rodamientos y compárelas con los picos observados.
- Una coincidencia dentro de aproximadamente ±5% confirma un fallo en el rodamiento.
- Armónicos y bandas laterales de la frecuencia de defecto aportan una confirmación adicional.
Puede simplificar los cálculos con un Calculadora de la frecuencia de defectos en rodamientos, que devuelve BPFO, BPFI, BSF y FTF directamente a partir de la geometría del rodamiento y la velocidad del eje.
Problemas electromagnéticos
- Una línea al doble de la frecuencia de red (100/120 Hz) apunta a estator o entrehierro problemas.
- La frecuencia permanece fija independientemente de las variaciones de velocidad.
- El análisis de corriente del motor confirma el origen eléctrico.
Vibración externa
- Picos que no coinciden ni con la velocidad de la máquina ni con las frecuencias de los rodamientos.
- Pueden coincidir con la velocidad de funcionamiento de equipos cercanos.
- Se requiere investigar la fuente, seguido de aislamiento o corrección.
5. Técnicas de análisis para la vibración asíncrona
Análisis de envolvente
- La técnica principal para la detección de defectos en rodamientos.
- Realza los impactos repetitivos que generan contenido asíncrono.
- Suprime componentes síncronos de baja frecuencia de gran amplitud.
- Revela con claridad las frecuencias de los rodamientos en el resultado espectro de envolvente.
Aceleración de alta frecuencia
- Los defectos asíncronos de los rodamientos suelen encontrarse en el rango de alta frecuencia (por encima de 1 kHz).
- Utilice acelerómetros con un valor de Fmax elevado.
- Esto captura los impactos y las resonancias de alta frecuencia que las mediciones de velocidad a baja frecuencia no detectan.
Análisis del cepstro
- Análisis del cepstro es eficaz para encontrar patrones periódicos enterrados en señales asíncronas.
- Detecta familias completas de armónicos o bandas laterales de una sola vez.
- Especialmente útil para rodamientos complejos y engranaje signatures.
6. Ejemplos prácticos
Motor con defecto en el rodamiento
- Running speed: 1750 RPM (29,17 Hz).
- Componentes síncronos: 1× a 29,17 Hz, 2× a 58,34 Hz.
- Componente asíncrono: un pico a 107 Hz (3,67× la velocidad del eje).
- Diagnóstico: 107 Hz coincide con el BPFO calculado → defecto en la pista exterior del rodamiento.
- Confirmación: la naturaleza asíncrona confirma un problema en el rodamiento, no en el rotor.
Motor VFD a velocidad variable
- La velocidad del motor varía entre 1200 y 1800 RPM.
- El pico 1× se desplaza con la velocidad (sincrónico).
- El pico a 120 Hz permanece fijo (asíncrono, 2× la frecuencia de red).
- Diagnóstico: un componente electromagnético procedente de la alimentación de 60 Hz.
En campo, esta distinción es el trabajo cotidiano de un analizador portátil. Porque un instrumento como el Balanset-1A lee la velocidad de giro a través de su tacómetro óptico al mismo tiempo que el espectro de vibración, y puede indicar en el acto si un pico determinado es sincrónico o asíncrono, comunicándole al técnico de inmediato si la solución es equilibrar el rotor o sustituir el rodamiento. Reconocer el contenido asíncrono por sus órdenes no enteras, su frecuencia fija a pesar de los cambios de velocidad o su firma vertical en un diagrama de cascada es lo que permite identificar con precisión los defectos de rodamientos, los problemas eléctricos y las influencias externas, y señala el camino hacia la acción correctiva adecuada.
