Comprensión de la vibración axial en maquinaria rotatoria
Definición: ¿Qué es la vibración axial?
Vibración axial (también llamada vibración longitudinal o vibración de empuje) es el movimiento de ida y vuelta de un rotor en una dirección paralela a su eje de rotación. A diferencia de vibración lateral que es un movimiento de lado a lado perpendicular al eje, la vibración axial representa el eje moviéndose hacia adentro y hacia afuera a lo largo de su longitud, similar al movimiento de un pistón.
Si bien suele tener una amplitud menor que la vibración lateral, la vibración axial es altamente diagnóstica para ciertos tipos de fallas de maquinaria, particularmente desalineación, problemas con cojinetes de empuje y problemas relacionados con el proceso en bombas y compresores.
Características y medición
Dirección y movimiento
La vibración axial se produce a lo largo del eje central del eje:
- El movimiento es paralelo al eje de rotación del eje.
- El rotor se mueve hacia adelante y hacia atrás como un movimiento alternativo.
- Generalmente se mide en las carcasas de los cojinetes o en los extremos de los ejes.
- Amplitud generalmente menor que la vibración radial pero altamente significativa desde el punto de vista diagnóstico.
Configuración de medición
La vibración axial requiere un montaje de sensor específico:
- Orientación del sensor: Acelerómetro o transductor de velocidad montado paralelo al eje del eje
- Ubicaciones típicas: En las tapas de los extremos de las carcasas de los cojinetes, en las campanas de los extremos de los motores o en las carcasas de los cojinetes de empuje
- Sondas de proximidad: Puede medir la posición axial directamente cuando se monta frente a la superficie del extremo del eje
- Importancia: A menudo se pasa por alto, pero es fundamental para el diagnóstico completo de la maquinaria.
Causas principales de la vibración axial
1. Desalineación (causa más común)
Desalineación del eje, en particular la desalineación angular, es la principal causa de vibración axial:
- Síntoma: Vibración axial alta 1X o 2X a velocidad de funcionamiento
- Mecanismo: El desplazamiento angular entre ejes acoplados crea fuerzas axiales oscilantes que se transmiten a través del acoplamiento.
- Indicador de diagnóstico: Una amplitud de vibración axial > 50% de vibración radial sugiere fuertemente una desalineación
- Relación de fase: Vibración axial en los extremos de accionamiento y no accionamiento, típicamente desfasada 180°
2. Defectos en los cojinetes de empuje
Los problemas con los cojinetes axiales que controlan la posición del eje axial provocan una vibración axial característica:
- Desgaste o daño del cojinete de empuje
- Precarga insuficiente del cojinete de empuje
- Falla del cojinete de empuje que permite un juego axial excesivo
- Problemas de lubricación específicos de los cojinetes axiales
3. Fuerzas hidráulicas o aerodinámicas
Las fuerzas de proceso en bombas, compresores y turbinas crean fuerzas axiales:
- Cavitación de la bomba: El colapso de la burbuja de vapor crea fuerzas de choque axiales
- Desequilibrio del impulsor: El flujo asimétrico crea un empuje axial oscilante
- Turbulencia de flujo axial: En compresores axiales y turbinas
- Surgiendo: El aumento repentino del compresor crea una vibración axial violenta
- Recirculación: Operación fuera de diseño que causa inestabilidad de flujo
4. Flojedad mecánica
Las holguras excesivas permiten el movimiento axial:
- Superficies de cojinetes de empuje desgastadas
- Componentes de acoplamiento suelto
- Restricción axial inadecuada en el diseño del rodamiento
- Espaciadores o calzas desgastados
5. Problemas de acoplamiento
El desgaste o la mala instalación del acoplamiento generan vibración axial:
- Dientes de acoplamiento de engranajes desgastados que permiten la flotación axial
- Acoplamientos flexibles instalados incorrectamente
- Errores de longitud del espaciador de acoplamiento
- Ángulos de junta universal que crean componentes de fuerza axial
6. Problemas de crecimiento térmico
La expansión térmica diferencial puede inducir fuerzas axiales:
- Expansión térmica de las tuberías que empujan o tiran del equipo
- Crecimiento térmico desigual entre máquinas acopladas
- Asentamiento de cimentaciones que afecta la alineación axial
Importancia diagnóstica
Diagnóstico de desalineación
La vibración axial es el indicador clave para diagnosticar la desalineación:
- Regla de oro: Si la vibración axial es > 50% de vibración radial, sospeche que hay desalineación
- Contenido de frecuencia: Predominantemente 2X para desalineación de desplazamiento paralelo; 1X y 2X para desalineación angular
- Análisis de fase: La diferencia de fase de 180° entre las mediciones axiales en los extremos opuestos confirma la desalineación
- Confirmación: La alta vibración axial que se reduce significativamente después de que la alineación de precisión confirma el diagnóstico
Diagnóstico de bombas y compresores
Para equipos rotativos que manipulan fluidos:
- Cavitación: Vibración axial aleatoria de alta frecuencia con características de banda ancha
- Desequilibrio hidráulico: Vibración axial 1X debido a la carga asimétrica del impulsor
- Aumento: Oscilación axial de gran amplitud y baja frecuencia
- Frecuencia de paso de la cuchilla: El componente axial en la frecuencia de paso de las palas indica problemas de flujo
Evaluación del estado de los rodamientos
- Un aumento repentino de la vibración axial puede indicar un deterioro del cojinete de empuje.
- La vibración axial con frecuencias defectuosas del cojinete de empuje confirma el problema del cojinete
- Una holgura axial excesiva medida con sondas de proximidad indica desgaste del cojinete
Niveles y estándares aceptables
Directrices generales
Si bien normas como ISO 20816 abordan principalmente la vibración radial, los límites de vibración axial normalmente se expresan como:
- Relativo a radial: Axial debe ser < 50% de vibración radial en condiciones normales
- Límites absolutos: Normalmente 25-50% de los límites de vibración radial para la clase de máquina
- Comparación de línea base: Los aumentos de 50-100% con respecto a la línea base justifican una investigación
Normas específicas del equipo
- API 610 (Bombas centrífugas): Especifica límites de vibración radial y axial
- API 617 (Compresores centrífugos): Incluye criterios de aceptación de vibración axial
- Turbomáquinas: A menudo se supervisa de forma continua con sensores de posición axial y vibración.
Métodos de corrección y mitigación
Para desalineación
- Alineación de ejes de precisión: Utilice herramientas de alineación láser para corregir la desalineación angular y paralela
- Corrección de pie cojo: Asegúrese de que todos los pies de montaje queden planos antes de la alineación
- Consideración del crecimiento térmico: Tenga en cuenta la expansión de la temperatura de funcionamiento en la alineación
- Alivio de tensión de tuberías: Eliminar las fuerzas de las tuberías que desalinean el equipo
Para problemas con cojinetes de empuje
- Reemplace los componentes desgastados del cojinete de empuje
- Verifique la precarga y las holguras adecuadas de los cojinetes de empuje
- Asegúrese de que haya una lubricación adecuada en las superficies de los cojinetes de empuje.
- Verifique la correcta instalación y calce del cojinete de empuje
Para fuerzas axiales relacionadas con el proceso
- Eliminar la cavitación: Aumente la presión de entrada, reduzca la temperatura del fluido y verifique si hay bloqueos en la entrada.
- Optimizar el punto de operación: Operar bombas y compresores dentro del rango de diseño
- Equilibrar fuerzas hidráulicas: Utilice orificios de equilibrio o álabes traseros en los impulsores
- Control anti-sobretensión: Implementar una prevención eficaz de sobretensiones para compresores
Para problemas mecánicos
- Reemplace los acoplamientos y componentes de acoplamiento desgastados
- Apretar las conexiones mecánicas sueltas
- Verifique que las dimensiones del espaciador y la cuña sean correctas
- Asegúrese de que la instalación del acoplamiento sea correcta según las especificaciones del fabricante.
Mejores prácticas de medición
Instalación de sensores
- Montaje firme: Utilice pernos o adhesivos en lugar de imanes para mediciones axiales cuando sea posible
- Verificar la orientación: Asegúrese de que el sensor esté verdaderamente paralelo al eje del eje (no en ángulo)
- Ambos extremos: Mida la vibración axial tanto en el extremo de accionamiento como en el extremo opuesto para comparar fases
- Sondas de proximidad: Para equipos críticos, instale sensores de posición axial permanentes
Recopilación de datos
- Recopile siempre datos axiales junto con mediciones radiales horizontales y verticales
- Registrar las relaciones de fase entre las mediciones axiales en diferentes ubicaciones
- Comparar las relaciones de amplitud axial y radial
- Tendencia de la vibración axial a lo largo del tiempo para detectar problemas en desarrollo
Comparación de vibración axial y radial
Diferencias clave
| Aspecto | Vibración radial (lateral) | Vibración axial |
|---|---|---|
| Dirección | Perpendicular al eje del eje | Paralelo al eje del eje |
| Amplitud típica | Más alto | Inferior (generalmente < 50% de radial) |
| Causas primarias | Desequilibrio, eje doblado, defectos en los cojinetes | Desalineación, problemas con los cojinetes de empuje, fuerzas del proceso |
| Valor diagnóstico | Estado general de la maquinaria | Específico para problemas de desalineación y empuje. |
| Prioridad de monitoreo | Enfoque principal | Secundario pero crítico para el diagnóstico |
Aplicaciones industriales
La monitorización de vibraciones axiales es especialmente importante para:
- Bombas centrífugas: Fuerzas hidráulicas y detección de cavitación
- Compresores: Monitoreo de cojinetes de empuje y detección de sobretensiones
- Turbinas: Fuerzas axiales de los álabes de la turbina y estado del cojinete de empuje
- Equipo acoplado: Verificación de alineación y condición de acoplamiento
- Equipo de proceso: Monitoreo de la condición del flujo
Si bien la vibración axial suele quedar eclipsada por la más prominente vibración radial, los analistas de vibración experimentados reconocen su crucial valor diagnóstico. Muchos problemas de maquinaria que podrían pasarse por alto examinando únicamente la vibración radial se detectan claramente mediante patrones de vibración axial, lo que la convierte en un componente esencial de los programas integrales de monitoreo del estado de la maquinaria.
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