Comprensión de la vibración axial en maquinaria rotatoria
Vibración axial (también denominada vibración longitudinal o de empuje) es el movimiento de vaivén de un rotor en la dirección paralela a su eje de rotación. Donde vibración lateral Mientras que el movimiento lateral es perpendicular al eje, la vibración axial consiste en el desplazamiento del eje hacia dentro y hacia fuera a lo largo de su propia longitud, de forma muy similar a un pistón. Su amplitud suele ser menor que vibración radial, pero resulta muy revelador para detectar una familia concreta de fallos —sobre todo desalineación, cojinete de empuje problemas y cuestiones relacionadas con los procesos en bombas y compresores. Un analista con experiencia lo considera una parte indispensable, y no opcional, de un conjunto completo de mediciones.
1. Características y medición
Dirección y movimiento
La vibración axial se produce a lo largo del eje longitudinal del rotor:
- El movimiento es paralelo al eje de rotación.
- El rotor se mueve hacia adelante y hacia atrás con un movimiento alternativo.
- Normalmente se mide en las cajas de rodamientos o en los extremos de los ejes.
- Su amplitud suele ser menor que la de la vibración radial, pero, cuando se produce, resulta mucho más reveladora desde el punto de vista diagnóstico.
Configuración de la medición
Para registrar el movimiento axial es necesario colocar los sensores de forma precisa:
- Orientación del sensor: un acelerómetro o transductor de velocidad montado en paralelo al eje.
- Ubicaciones habituales: tapas de los soportes de cojinetes, campanas de motor o soportes de cojinetes de empuje.
- Sensores de proximidad: a sonda de proximidad situado frente al extremo del eje puede medir directamente la posición axial.
- Importancia: A menudo se pasa por alto, pero es fundamental para el diagnóstico completo de la maquinaria.
2. Causas principales de la vibración axial
Desalineación: la causa más común
Desalineamiento del eje, y la desalineación angular en particular, es la principal causa de vibración axial:
- Síntoma: vibración axial elevada de 1× o 2× a velocidad de funcionamiento.
- Mecanismo: Una desviación angular entre los ejes acoplados genera una fuerza axial oscilante a través del acoplamiento en cada vuelta.
- Indicador de diagnóstico: Una amplitud axial superior al 50 % de la amplitud radial indica claramente una desalineación.
- Relación de fase: Las lecturas axiales en los extremos de transmisión y sin transmisión suelen presentar un desfase de unos 180° fase.
Defectos en los cojinetes de empuje
Problemas con el cojinete de empuje que fija la posición axial del eje produce una vibración axial característica:
- Desgaste o daños en los cojinetes de empuje.
- Cojinete de empuje insuficiente precarga.
- Fallo del cojinete axial que provoca un juego axial excesivo.
- Problemas de lubricación específicos de las superficies de empuje.
Fuerzas hidráulicas o aerodinámicas
Las fuerzas de proceso en bombas, compresores y turbinas generan cargas axiales:
- Bomba cavitación: Las burbujas de vapor que colapsan generan fuerzas de choque axiales.
- Desequilibrio del impulsor: El flujo asimétrico genera un empuje axial oscilante.
- Turbulencia en el flujo axial: en compresores axiales y turbinas.
- oleaje: el bombeo del compresor provoca violentas vibraciones axiales.
- Recirculación: funcionamiento fuera de las condiciones de diseño que provoca inestabilidades de flujo.
Holgura mecánica
Unas holguras excesivas permiten que el rotor se desplace axialmente:
- Superficies de los cojinetes de empuje desgastadas.
- Componentes de acoplamiento sueltos.
- Fijación axial insuficiente en el conjunto de cojinetes.
- Espaciadores o cuñas desgastados.
Problemas de acoplamiento
El desgaste del acoplamiento o una instalación defectuosa provocan vibraciones axiales:
- Los dientes del acoplamiento por engranajes están desgastados, lo que permite un juego axial.
- Acoplamiento flexible mal instalado acoplamientos.
- Errores en la longitud del espaciador de acoplamiento.
- Ángulos de las juntas universales que generan componentes de fuerza axial.
Problemas relacionados con la dilatación térmica
Las diferencias en la expansión térmica pueden generar fuerzas axiales:
- La dilatación térmica de las tuberías ejerce una fuerza de empuje o tracción sobre el equipo.
- Crecimiento térmico desigual entre máquinas acopladas.
- Asentamiento de los cimientos que altera la alineación axial.
3. Importancia diagnóstica
Diagnóstico de la desalineación
La vibración axial es el mejor indicador de desalineación:
- Regla de oro: Si la vibración axial supera el 50 % de la vibración radial, se debe sospechar una desalineación.
- Contenido de frecuencias: principalmente 2× para la desalineación paralela-desplazada; tanto 1× como 2× para la desalineación angular.
- Análisis de fase: Una diferencia de fase de 180° entre las lecturas axiales en los extremos opuestos confirma la desalineación.
- Confirmación: una vibración axial elevada que disminuye bruscamente tras el ajuste de precisión alineación de ejes confirma el diagnóstico.
Diagnóstico de bombas y compresores
Para equipos rotativos destinados al manejo de fluidos:
- Cavitación: vibración axial de alta frecuencia, aleatoria y de banda ancha.
- Desequilibrio hidráulico: 1× vibración axial debida a una carga asimétrica en el impulsor.
- Aumento: oscilación axial de gran amplitud y baja frecuencia.
- Frecuencia de paso de los álabes: Un componente axial a 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 a las frecuencias características de un defecto en el cojinete de empuje confirma que existe un problema en el cojinete.
- Una holgura axial excesiva medida con sondas de proximidad indica desgaste del cojinete
4. Niveles y normas aceptables
Directrices generales
Las normas generales sobre vibraciones de la maquinaria: las modernas ISO 20816 La serie, que sustituyó a la norma ISO 10816, se centra principalmente en la vibración radial, por lo que los límites axiales suelen establecerse en relación con ella:
- En comparación con el radial: En condiciones normales, la vibración axial debería mantenerse por debajo del 50 % de la vibración radial.
- Límites absolutos: normalmente entre el 25 % y el 50 % del límite radial correspondiente a la clase de la máquina.
- Comparación de los valores iniciales: un aumento del 50 % al 100 % con respecto a base merece ser investigado, independientemente del valor absoluto.
Normas específicas para equipos
- API 610 (bombas centrífugas): establece los límites de vibración tanto radial como axial.
- API 617 (compresores centrífugos): incluye criterios de aceptación de la vibración axial.
- Turbomáquinas: a menudo se supervisan de forma continua mediante sensores específicos de posición axial y vibración axial, con frecuencia para API 670 prácticas de protección de la maquinaria.
5. Métodos de corrección y mitigación
En caso de desalineación
- Alineación precisa de ejes: utilizar herramientas de alineación láser para corregir desalineaciones angulares y paralelas.
- Corrección de pata blanda: Asegúrese de que todos los pies de montaje estén bien apoyados antes de alinearlos — véase pie cojo.
- Margen de dilatación térmica: Tenga en cuenta la dilatación debida a la temperatura de funcionamiento al establecer los objetivos de alineación en frío.
- Alivio de tensión para tuberías: eliminar las fuerzas ejercidas por las tuberías que provocan la desalineación de los equipos.
En caso de problemas con los cojinetes de empuje
- Sustituya los componentes desgastados del cojinete de empuje.
- Comprueba que la precarga y las holguras del cojinete de empuje sean las correctas.
- Asegúrese de que las superficies de empuje estén debidamente lubricadas.
- Comprueba que la instalación y el calado sean correctos.
Para fuerzas axiales relacionadas con el proceso
- Eliminar la cavitación: Aumentar la presión de entrada, reducir la temperatura del fluido, eliminar las obstrucciones en la entrada.
- Optimizar el punto de funcionamiento: mantener las bombas y los compresores dentro de su rango de diseño.
- Equilibrar las fuerzas hidráulicas: utilizar orificios de equilibrado o álabes traseros en los impulsores.
- Control antibombeo: aplicar medidas eficaces de prevencion del bombeo en los compresores.
En caso de problemas mecánicos
- Sustituya los acoplamientos y los componentes de los acoplamientos que estén desgastados.
- Apriete las conexiones mecánicas que estén flojas.
- Comprueba que las dimensiones de los espaciadores y las cuñas sean las correctas.
- Instale los acoplamientos siguiendo las especificaciones del fabricante.
6. Buenas prácticas en materia de medición
Instalación de sensores
- Montaje rígido: Siempre que sea posible, es preferible utilizar pasadores o adhesivos en lugar de imanes para las mediciones axiales — véase montaje del sensor.
- Compruebe la orientación: Asegúrese de que el sensor esté realmente paralelo al eje, y no inclinado.
- Both ends: Mida la vibración axial tanto en el extremo de transmisión como en el extremo contrario, para poder comparar las fases.
- Sensores de proximidad: Para equipos críticos, instale sensores de posición axial permanentes
Recopilación de datos
- Recopile siempre los datos axiales junto con las mediciones radiales horizontales y verticales.
- Anote la relación de fase entre las lecturas axiales en diferentes puntos.
- Compare las relaciones entre la amplitud axial y la radial.
- Trend la vibración axial a lo largo del tiempo para detectar a tiempo los problemas que puedan surgir.
7. Vibración axial frente a vibración radial
Distinguir claramente entre ambas direcciones es fundamental para la identificación de fallos:
| Aspecto | Vibración radial (lateral) | Vibración axial |
|---|---|---|
| Dirección | Perpendicular al eje del árbol | Paralelo al eje del árbol |
| Amplitud típica | Más alto | Inferior (normalmente < 50 % del radial) |
| Primary causes | Desequilibrar, eje doblado, defectos en los cojinetes | Desalineación, problemas con los cojinetes de empuje, fuerzas de proceso |
| Valor diagnóstico | Estado general de la maquinaria | Específico para problemas de desalineación y empuje. |
| Prioridad de seguimiento | Enfoque principal | Secundario pero crítico para el diagnóstico |
8. Diagnóstico práctico sobre el terreno
En la práctica, la prueba decisiva de vibración axial es comparativa: se miden la amplitud y la fase en sentido axial en ambos extremos del rodamiento y se comparan con las lecturas radiales. Un medidor portátil de dos canales analizador de vibraciones como el Balanset-1A es ideal para esto, ya que sus dos canales pueden capturar ambos extremos a la vez mediante un tacómetro referencia de fase — lo que provoca la característica desviación de fase axial de 180° propia de la desalineación, y la relación 1×/2× armónico pattern in the FFT espectro, visible de inmediato. Esa misma comparación evita un error costoso: la alta vibración radial de 1× se suele achacar fácilmente a desequilibrar, pero un componente axial fuerte y coincidente apunta más bien a una desalineación, que por mucho que equilibrando lo solucionará. Confirmar la dirección del movimiento dominante antes de recurrir a las pesas de prueba es lo que marca la diferencia entre una reparación duradera y una tarde perdida.
9. Aplicaciones industriales
La monitorización de las vibraciones axiales resulta especialmente útil para:
- Bombas centrífugas: detección de fuerzas hidráulicas y cavitación.
- Compresores: Supervisión de los cojinetes de empuje y detección de sobrepresiones.
- Turbinas: las fuerzas axiales de las palas y el estado del cojinete de empuje.
- Equipos acoplados: verificación de la alineación y del estado del acoplamiento.
- Equipos de proceso: supervisión de las condiciones del flujo.
Aunque la vibración axial suele quedar eclipsada por la señal radial, más prominente, los analistas experimentados valoran mucho su valor diagnóstico. El patrón axial pone de manifiesto una gran cantidad de fallos que pasarían desapercibidos si solo se utilizaran mediciones radiales, y precisamente por eso es fundamental realizar un análisis exhaustivo monitorización del estado El programa siempre mide las tres direcciones.
