Comprender la vibración forzada
Vibración forzada es un movimiento oscilatorio provocado por una fuerza periódica externa que actúa sobre un sistema mecánico. La vibración se produce a la frecuencia de la fuerza aplicada —la frecuencia de excitación— y su amplitud es proporcional a la magnitud de dicha fuerza e inversamente proporcional a la resistencia del sistema al movimiento a esa frecuencia. La inmensa mayoría de vibración en la maquinaria rotativa es la vibración forzada, y los causantes habituales son desequilibrar (una fuerza centrífuga de rotación), desalineación (fuerzas de acoplamiento) y pulsaciones aerodinámicas o hidráulicas. La vibración forzada es fundamentalmente diferente de vibración autoexcitada, donde el sistema genera y mantiene su propia oscilación, y a partir de la vibración libre, el decaimiento transitorio que sigue a un impulso. Es importante comprender estos principios porque explican cómo se relaciona la amplitud de la vibración con la gravedad de los fallos y cómo se puede controlar la vibración, ya sea reduciendo la excitación o modificando la respuesta del sistema.
1. Características de la vibración forzada
Adaptación de frecuencias
- La frecuencia de vibración es igual a la frecuencia de excitación: si se excita el sistema a 30 Hz, este vibra a 30 Hz.
- Esto difiere de la vibración autoexcitada, que se sincroniza con una frecuencia natural independientemente de la velocidad a la que se conduzca.
- Por lo tanto, la frecuencia se puede calcular directamente a partir de la fuente de forzamiento.
Proporcionalidad de la amplitud
- La amplitud es proporcional a la magnitud de la fuerza motriz: si se duplica la fuerza, (en un sistema lineal) se duplica la vibración.
- Si se elimina la fuerza, la vibración cesa; y precisamente por eso es controlable.
Relación de fase
- Hay una clara fase relación entre la fuerza y la respuesta.
- Esa fase depende de la relación entre la frecuencia de excitación y la frecuencia natural:
- Por debajo de la resonancia: la vibración está, en esencia, en fase con la fuerza.
- En resonancia: un desfase de 90°.
- Por encima de la resonancia: un desfase de 180°.
Estabilidad
- El sistema es estable: la oscilación está controlada y no aumenta sin límite.
- La amplitud viene determinada conjuntamente por la fuerza aplicada y la respuesta del sistema, a diferencia de lo que ocurre con las vibraciones autoexcitadas inestables, que pueden acelerarse hasta que una no linealidad las detiene.
2. Funciones de excitación habituales en maquinaria
Desequilibrio — excitación 1×
- Fuerza: una fuerza centrífuga resultante de la excentricidad de la masa.
- Frecuencia: una vez por vuelta (1× la velocidad del eje).
- Magnitud: F = m·r·ω², por lo que aumenta con la cuadrado of speed.
- Significado: Fuente principal de vibración en la mayoría de los equipos rotativos
Vale la pena detenerse en esa dependencia de ω²: al duplicar la velocidad de funcionamiento, la fuerza de desequilibrio se cuadruplica, razón por la cual un rotor que funciona silenciosamente a baja velocidad puede vibrar violentamente cuando se pone a pleno rendimiento. Puedes cuantificarlo con nuestro Calculadora de fuerza centrífuga a partir del desequilibrio.
Las otras fuentes principales
- Desalineación — excitación 2×: las fuerzas de acoplamiento derivadas del desplazamiento angular o paralelo, lo que genera una vibración a una velocidad doble a la del eje y un nivel característicamente alto axial componente.
- Aerodinámico / hidráulico (paso de álabes o paletas): las pulsaciones de presión derivadas de la interacción entre las palas y el estator, que se calculan multiplicando el número de palas por la velocidad del eje —la característica distintiva de ventiladores, bombas y compresores, impulsados por aerodinámica y fuerzas hidráulicas.
- Fuerzas de engranaje: El engranaje de los dientes genera una carga periódica igual al producto del número de dientes por la velocidad del eje (el frecuencia de engrane), cuya magnitud depende del par transmitido y de la calidad de los dientes.
- Fuerzas electromagnéticas: las pulsaciones del campo magnético en motores y generadores a una frecuencia doble a la de la red (120 Hz en una red de 60 Hz, 100 Hz en una de 50 Hz), que son prácticamente independientes de la velocidad mecánica, lo que constituye un efecto asíncrono.
3. Respuesta a los forzamientos: cómo se comporta el sistema
La misma fuerza produce amplitudes muy diferentes dependiendo de dónde se sitúe la frecuencia de excitación con respecto a la frecuencia natural del sistema. Esto se describe mediante tres regímenes.
Por debajo de la frecuencia natural (controlada por la rigidez)
- Amplitud ≈ Fuerza ÷ Rigidez.
- La respuesta está en fase con el forzamiento.
- En el caso de las fuerzas dependientes de la velocidad, la amplitud aumenta con la velocidad.
- El rango de funcionamiento habitual para la mayoría de rotores rígidos.
A la frecuencia natural (resonancia)
- Amplitud ≈ Fuerza ÷ (Amortiguamiento × Frecuencia natural).
- Amplificado por el factor Q, normalmente entre 10 y 50 veces.
- Un desfase de 90° y unas fuerzas pequeñas provocan ahora una gran vibración.
- Mojadura es lo único que limita la amplitud —la importancia práctica de resonancia.
Por encima de la frecuencia natural (controlada por la masa)
- Amplitud ≈ Fuerza ÷ (Masa × Frecuencia²).
- Un desfase de 180°: la vibración se desplaza en sentido contrario al de la fuerza.
- La amplitud disminuye a medida que aumenta la frecuencia.
- El ámbito de actuación de rotores flexibles por encima de su velocidades críticas.
4. Vibración forzada frente a otros tipos
Vibración forzada frente a vibración libre
- Forzado: Forzamiento continuo, vibración sostenida, a la frecuencia de forzamiento
- Gratis: una respuesta impulsional que decae a la frecuencia natural.
- Ejemplo: a prueba de impacto produce una vibración libre; una máquina en funcionamiento produce una vibración forzada.
Vibración forzada frente a vibración autoexcitada
- Forzado: una fuerza externa, con una amplitud proporcional a dicha fuerza, estable.
- Self-excited: una fuente de energía interna, cuya amplitud solo está limitada por la no linealidad, inestable.
- Ejemplos: el desequilibrio es forzado; remolino de aceite es autoexcitado.
5. Control y mitigación
Reducir el forzamiento (normalmente la mejor opción)
- Equilibrio: reduce directamente el desequilibrio y es la medida correctiva más habitual.
- Alineación: reduce las fuerzas de desalineación.
- Defectos de reparación: solucionar los problemas mecánicos que generan esas fuerzas.
- Más eficaz: eliminar o reducir al mínimo la fuente de forzamiento en su origen.
Modificar la respuesta del sistema o evitar la resonancia
- Modificar la rigidez o la masa: Desplazar las frecuencias naturales para alejarlas de las frecuencias de excitación
- Añadir amortiguación: atenuar la amplificación resonante.
- Aislamiento: reducir la transmisión de fuerzas a la estructura portante.
- Evitar la resonancia: Mantener las frecuencias de funcionamiento alejadas de las frecuencias naturales, con un margen de separación de aproximadamente un ±20-30 %, verificado mediante análisis en la fase de diseño y garantizado mediante restricciones de velocidad si la interferencia es inevitable.
6. Importancia práctica y diagnóstico
Dado que casi todas las vibraciones de la maquinaria son vibraciones forzadas —desequilibrio, desalineación, engranaje y demás—, también son predecibles y controlables, y las medidas de mantenimiento estándar, como el equilibrado y la alineación, funcionan precisamente porque actúan sobre la causa de la vibración. El enfoque de diagnóstico se deriva directamente de ello: identificar la frecuencia de excitación a partir del espectro, relacionarla con una fuente conocida (1×, 2×, engranaje, paso de álabes), diagnosticar dicha fuente y reducir la excitación mediante el mantenimiento adecuado.
Aquí es donde la instrumentación de campo demuestra su utilidad. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A mide la vibración amplitud y la fase a la velocidad de funcionamiento, permite analizar el espectro para distinguir un pico de desequilibrio de 1× de un pico de desalineación de 2× y, una vez identificado el desequilibrio como la causa principal, lo corrige al instante mediante equilibrado de campo el rotor sobre sus propios cojinetes. La medición tanto de la fase como de la amplitud es lo que distingue un problema de excitación de uno de resonancia, ya que ambos se comportan de manera muy diferente a medida que varía la velocidad.
La vibración forzada es el tipo de vibración fundamental en la maquinaria rotativa y se produce siempre que una fuerza periódica externa actúa sobre el sistema. Comprender sus principios —la coincidencia de frecuencias, la proporcionalidad de amplitudes y las regiones de respuesta determinadas por la rigidez, la amortiguación y la masa— es lo que permite diagnosticar correctamente las fuentes de vibración, adoptar las medidas correctivas adecuadas (reducir la fuerza de excitación o modificar la respuesta) y diseñar estrategias que mantengan las vibraciones en niveles bajos mediante la reducción de la fuerza de excitación y la prevención de la resonancia.
