Comprender la resonancia del marco

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Definición: ¿Qué es la resonancia de marcos?

Resonancia del marco es un tipo específico de resonancia estructural donde la propia estructura, carcasa, cubierta o cerramiento de la máquina vibra en uno de sus puntos de contacto. frecuencias naturales en respuesta a la excitación de los componentes giratorios. A diferencia de las resonancias de la base o el pedestal, que involucran la estructura de soporte, la resonancia del bastidor involucra el propio cuerpo de la máquina: la estructura de hierro fundido o acero fabricado que encierra los elementos giratorios.

La resonancia de la carcasa es común en maquinaria con carcasas grandes y relativamente ligeras, como ventiladores, sopladores, bombas y motores. Suele manifestarse como ruido excesivo, vibración visible de las cubiertas o paneles y alta frecuencia. vibración lecturas en el marco que son desproporcionadas con respecto a la vibración real del rotor.

Situaciones comunes de resonancia de marco

Bastidores de motores y generadores

• Frecuencias naturales: Normalmente, entre 50 y 400 Hz, dependiendo del tamaño y la construcción.
• Excitación: 1× (desequilibrio), 2× frecuencia de línea (120 Hz para motores de 60 Hz), fuerzas electromagnéticas
• Síntomas: Vibración del chasis mucho mayor que la de los rodamientos; zumbido o ronroneo audible.
• Gravedad: La vibración en el bastidor puede ser de 5 a 10 veces mayor que en los rodamientos.

Carcasas de ventiladores y sopladores

• Frecuencias naturales: 20-200 Hz para ventiladores industriales típicos
• Excitación: Frecuencia de paso de la hoja (número de aspas × RPM)
• Síntomas: Vibración violenta de los paneles de la carcasa; fuerte ruido aerodinámico
• Característica: Puede ocurrir únicamente a velocidades o condiciones de flujo específicas.

Carcasas de bombas

• Frecuencias naturales: 30-300 Hz dependiendo del diseño de la carcasa
• Excitación: Frecuencia de paso de las paletas, pulsaciones hidráulicas
• Síntomas: Vibración de la carcasa, ruido, potencial de grietas por fatiga
• Acoplamiento hidráulico: La carcasa llena de fluido puede acoplar la vibración del rotor y de la carcasa.

Carcasas de cajas de cambios

• excitación de frecuencia de engrane
• Las frecuencias naturales del marco a menudo se superponen con las frecuencias de la malla.
• Un fuerte zumbido característico del engranaje cuando está en resonancia

Firma y detección de vibraciones

Síntomas característicos

• Depende de la ubicación: La vibración varía drásticamente en toda la superficie del bastidor (son comunes las diferencias de hasta 10 veces).
• Rodamiento vs. Bastidor: Vibración del bastidor >> vibración de los cojinetes (puede ser de 3 a 10 veces mayor)
• Específico de frecuencia: Solo en la frecuencia de resonancia; las demás frecuencias son normales.
• Sensible a la velocidad: Severo en un rango de velocidad estrecho (±10-20% de velocidad resonante)
• Movimiento visual: El movimiento del fotograma suele ser visible a simple vista.

Pruebas de diagnóstico

Prueba de impacto (golpe)

• Golpee el marco con un mazo de goma o un martillo instrumentado.
• Medir la respuesta con acelerómetro
• Identificar las frecuencias naturales de los fotogramas a partir de los picos en la respuesta de frecuencia
• Comparar con las frecuencias de funcionamiento (1×, 2×, paso de cuchillas, etc.)

Estudio itinerante con acelerómetros

• Mida la vibración en varios puntos del marco mientras está en funcionamiento.
• Cree un mapa de vibraciones que muestre las zonas altas y bajas.
• El patrón revela la forma modal (flexión, torsión, deformación del panel).
• Identifica antinodos (movimiento máximo) y nodos (movimiento mínimo).

Medición de la función de transferencia

• Medir la coherencia entre la vibración del rodamiento (entrada) y la vibración del bastidor (salida).
• Una alta coherencia a una frecuencia específica confirma la resonancia.
• La función de transferencia muestra el factor de amplificación.

Soluciones y mitigación

Modificaciones de rigidez

Añadir refuerzos estructurales o placas de unión.

• Aumentar la rigidez a la flexión del marco
• Eleva las frecuencias naturales por encima del rango de excitación
• Relativamente económico y eficaz
• Puede adaptarse a equipos existentes.

Aumentar el espesor del material

• Paredes o paneles de marcos gruesos
• Aumenta significativamente la rigidez y la frecuencia
• Puede requerir modificaciones de diseño y nuevas piezas fundidas/fabricaciones.

Anclajes y arriostramientos estructurales

• Une los lados opuestos del marco para evitar que se flexione.
• El arriostramiento transversal aumenta la rigidez torsional.
• Puede añadirse externamente sin modificaciones internas.

Adición masiva

• Frecuencia natural más baja: Añadir masa para reducir la frecuencia por debajo del rango de excitación
• Ubicación estratégica: Añade masa en las ubicaciones de los antinodos para obtener el máximo efecto.
• Masa sintonizada: Adición de masa cuidadosamente calculada para cambiar un modo específico
• Compensación: El aumento de peso puede no ser deseable para todas las aplicaciones.

Tratamientos de amortiguación

Amortiguación de capa restringida

• Material viscoelástico intercalado entre capas metálicas
• Aplicable a grandes superficies planas (paneles, cubiertas).
• Reduce la amplitud del pico de resonancia en 50-80%
• Efectivo en el rango de 20 a 500 Hz

Amortiguación de capa libre

• Material amortiguador adherido directamente a la superficie vibrante
• Más simple que la capa restringida, pero menos eficaz.
• Ideal para aplicaciones con limitaciones de accesibilidad.

Cambios operativos

• Cambio de velocidad: Operar a una velocidad donde no se produzca resonancia
• Reducir la fuerza: Mejorar el equilibrio y la alineación para reducir la amplitud de excitación.
• Cambios de proceso: Modificar el flujo, la presión o la carga para cambiar las frecuencias de excitación.

Prevención en el diseño

Principios de diseño

• Rigidez adecuada: Diseñar un marco con frecuencias naturales > 2× la frecuencia de excitación más alta
• Distribución de masas: Evite la creación de modos de baja frecuencia por masas concentradas.
• Refuerzo y nervaduras: Incorporar elementos de refuerzo desde el principio
• Análisis modal: Análisis de elementos finitos (FEA) durante el diseño para predecir y optimizar las frecuencias naturales

Verificación del diseño

• Pruebas de prototipos con análisis de impacto
• Medición de la forma de deflexión operativa en las primeras unidades
• Modificar el diseño antes de la producción si se detectan resonancias

Ejemplo de caso

Situación: Motor de 75 HP que acciona un ventilador centrífugo, ruido y vibraciones excesivos.

• Síntomas: Vibración del bastidor del motor: 12 mm/s; vibración del rodamiento: solo 2,5 mm/s
• Frecuencia: 120 Hz (2 × frecuencia de línea para un motor de 60 Hz)
• Prueba de impacto: Frecuencia natural del marco revelada a 118 Hz
• Causa principal: Marco resonando a la frecuencia de excitación electromagnética
• Solución: Se añadieron cuatro refuerzos de hierro angular que conectan las patas del motor con las campanas de los extremos.
• Resultado: La frecuencia natural del marco se desplazó a 165 Hz y la vibración se redujo a 3,2 mm/s.
• Costo: $200 en materiales frente a $8000 para sustitución de motor

La resonancia del bastidor es un problema de vibración común, pero a menudo mal diagnosticado. Reconocer los síntomas característicos (alta vibración del bastidor en relación con la vibración de los cojinetes, frecuencia específica, dependiente de la ubicación) y aplicar técnicas de diagnóstico adecuadas (pruebas de impacto, análisis ODS) permite implementar soluciones específicas que pueden reducir drásticamente la vibración a un costo moderado.

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