Comprender la resonancia del marco
Resonancia del marco es una forma específica de resonancia estructural en la que la propia bancada, carcasa, cuerpo o envolvente de una máquina vibra en una de sus frecuencias naturales en respuesta a la excitación procedente de los componentes rotativos. A diferencia de las pedestal resonancias, que afectan a la estructura de soporte situada bajo la máquina, la resonancia de bancada reside en el propio cuerpo de la máquina — la estructura de fundición o acero fabricado que encierra los elementos rotativos. Cuando una frecuencia de excitación coincide con una frecuencia natural de la bancada, resonancia amplifica el movimiento muy por encima de lo que la fuerza excitadora por sí sola causaría.
La resonancia de bancada es frecuente en máquinas con carcasas grandes y relativamente ligeras — ventiladores, soplantes, bombas y motores. Suele manifestarse como ruido excesivo, vibración visible en tapas o paneles, y lecturas elevadas de vibración en la bancada que resultan totalmente desproporcionadas respecto a la vibración real del rotor. Dado que el síntoma resulta alarmante, la resonancia de bancada es uno de los problemas más frecuentemente mal diagnosticados en campo: el analista observa una lectura muy elevada y condena un rotor perfectamente equilibrado.
1. Definición: ¿Qué es la resonancia de bancada?
Toda estructura tiene un conjunto de frecuencias naturales y formas modales asociadas en las que tiende a flexionarse. El bastidor de una máquina no es una excepción. Sus paredes, tapas frontales, patas y paneles tienen modos de flexión y torsión, y un panel de cubierta delgado puede presentar varios modos propios dentro del rango audible. Mientras esas frecuencias se mantengan alejadas de las frecuencias de excitación de la máquina, el bastidor transmite las fuerzas sin problema. El problema comienza cuando una frecuencia de funcionamiento coincide con un modo del bastidor y la estructura empieza a resonar.
La característica distintiva de la resonancia de bastidor es amplification: el bastidor se mueve varias veces más que los rodamientos que lo rodean. La energía procede del rotor, pero la respuesta pertenece a la estructura. Por eso las mediciones tomadas sobre el bastidor pueden arrojar valores entre cinco y diez veces superiores a los medidos en la carcasa del rodamiento a escasos centímetros de distancia. La propiedad fundamental que determina la posición de estos modos es rigidez en relación con la masa: rigidizar el bastidor eleva las frecuencias; añadir masa las reduce.
2. Situaciones Comunes de Resonancia de Estructura
Estructuras de motores y generadores
- Frecuencias naturales: típicamente entre 50 y 400 Hz según el tamaño y la construcción.
- Excitación: 1× (desequilibrio), 2× la frecuencia de red (120 Hz con alimentación a 60 Hz, 100 Hz con 50 Hz) y las fuerzas electromagnéticas vinculadas al frecuencia eléctrica.
- Síntomas: vibración del bastidor muy superior a la vibración de los rodamientos; un zumbido audible.
- Gravedad: el bastidor puede dar lecturas entre 5 y 10 veces superiores a las de los rodamientos.
Carcasas de ventiladores y sopladores
- Frecuencias naturales: entre 20 y 200 Hz para ventiladores industriales típicos.
- Excitación: frecuencia de paso de álabe (número de álabes × RPM).
- Síntomas: Vibración violenta de los paneles de la carcasa; fuerte ruido aerodinámico
- Característica: pueden aparecer solo a velocidades o condiciones de flujo específicas.
Pump casings
- Frecuencias naturales: entre 30 y 300 Hz según el diseño de la carcasa.
- Excitación: frecuencia de paso de la paleta y pulsaciones hidráulicas.
- Síntomas: vibración de la carcasa, ruido y riesgo de fisuración por fatiga.
- Acoplamiento hidráulico: una carcasa rellena de fluido puede acoplar la vibración del rotor y de la carcasa, complicando el análisis.
Carcasas de cajas de engranajes
- Excited by frecuencia de engrane.
- Las frecuencias naturales del bastidor a menudo se solapan con la frecuencia de engrane y sus armónicos.
- Genera un característico silbido de engranaje cuando hay resonancia.
3. Firma vibratoria y detección
Síntomas característicos
- Dependiente de la ubicación: la vibración varía considerablemente en la superficie del bastidor — diferencias de 10 veces entre puntos son habituales.
- Rodamiento frente a bancada: la vibración de la bancada supera ampliamente la vibración del rodamiento (a menudo entre 3 y 10 veces).
- Específico en frecuencia: el problema aparece únicamente a la frecuencia de resonancia; las demás frecuencias presentan valores normales.
- Sensible a la velocidad: severa dentro de una banda estrecha (±10–20% de la velocidad de resonancia).
- Visual motion: el movimiento del bastidor suele ser visible a simple vista.
Ensayo de impacto (golpeo)
La prueba definitiva. Golpee el bastidor con un martillo de goma o un martillo instrumentado, mida la respuesta con un acelerómetro, y lea las frecuencias naturales del bastidor en los picos de la respuesta en frecuencia. Comparar dichos picos con las frecuencias de funcionamiento (1×, 2×, paso de álabes, etc.) revela de inmediato cualquier coincidencia peligrosa. Véase prueba de impacto y pruebas de impacto para ver el procedimiento completo.
Inspección con acelerómetro itinerante
Con la máquina en marcha, mida la vibración en múltiples puntos del bastidor y elabore un mapa de vibraciones con las zonas de nivel alto y bajo. El patrón revela la forma modal —flexión, torsión o pandeo de panel— y localiza los antinodos (movimiento máximo) y los nodos (movimiento mínimo). Un análisis de la forma de deflexión en servicio (ODS) anima este movimiento, y el análisis formal análisis modal extrae los modos subyacentes.
Medición de la función de transferencia
Medir la coherencia entre la vibración en los cojinetes (la entrada) y la vibración del bastidor (la salida). Una coherencia elevada a una frecuencia específica confirma que el movimiento del bastidor está impulsado por, y en resonancia con, la fuerza ejercida por el rotor. El función de transferencia cuantifica por sí mismo el factor de amplificación.
4. Confirmación de la resonancia en campo
Antes de rigidizar ninguna estructura o intervenir en ningún rotor, el diagnóstico debe confirmarse, y eso implica medir el comportamiento real del rotor de forma independiente al del bastidor. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A simplifica enormemente esta tarea: el técnico puede capturar amplitud y fase y el espectro completo en la carcasa del cojinete; a continuación, desplaza el sensor al panel sospechoso y observa cómo el nivel aumenta a la frecuencia de resonancia mientras la fase se desplaza a través del modo estructural. Si la vibración 1× del rotor es moderada en el cojinete pero elevada en el bastidor, el veredicto es resonancia, no desequilibrio. El mismo instrumento permite realizar un equilibrado de prueba del rotor para descartar o confirmar el desequilibrio, y ejecutar una parada controlada para que el pico de resonancia aparezca a medida que la velocidad lo atraviesa.
5. Soluciones y medidas de mitigación
Modificaciones de rigidización
- Añadir nervios estructurales o cartelas: aumenta la rigidez a flexión, eleva la frecuencia natural por encima del rango de excitación, es económico y puede instalarse de forma retroactiva en equipos existentes.
- Aumentar el espesor del material: el engrosamiento de las paredes o paneles del bastidor incrementa notablemente la rigidez y la frecuencia, aunque puede requerir nuevas piezas fundidas o fabricadas.
- Riostras y arriostramientos estructurales: unir lados opuestos del bastidor evita la flexión; el arriostramiento cruzado añade rigidez torsional y, en muchos casos, puede instalarse de forma externa.
Mass addition
- Reducir la frecuencia natural: añadir masa para bajar la frecuencia por debajo del rango de excitación.
- Posicionamiento estratégico: añadir masa en los puntos antinodales para obtener el máximo efecto.
- Tuned mass: una masa cuidadosamente calculada desplaza un modo problemático específico.
- Compensación: el peso adicional no es deseable en todas las aplicaciones.
Tanto si opta por aumentar como por reducir la frecuencia, un cálculo rápido le permite mantenerse fuera de la siguiente banda de resonancia. A Calculadora de la frecuencia natural de los cimientos y un calculadora del coeficiente de amortiguación ayudarle a estimar dónde quedará una estructura modificada antes de cortar ningún metal.
Tratamientos de amortiguación
- Amortiguamiento de capa restringida: una capa viscoelástica intercalada entre láminas metálicas, aplicada sobre paneles planos y cubiertas de gran tamaño. Reduce el pico de resonancia entre un 50 y un 80 % y funciona correctamente en un rango aproximado de 20 a 500 Hz.
- Amortiguación de capa libre: material amortiguador adherido directamente a la superficie vibrante — más sencillo que la capa restringida pero menos eficaz; resulta útil cuando el acceso es limitado.
Cambios operativos
- Cambio de velocidad: operar a una velocidad en la que no se produzca la resonancia.
- Reducir la excitación: improve Equilibrado y alineación para reducir la amplitud de excitación que alimenta la resonancia.
- Cambios en los procesos: Modificar el flujo, la presión o la carga para cambiar las frecuencias de excitación.
6. Prevención desde el diseño
Principios de diseño
- Rigidez adecuada: diseñar el bastidor de modo que sus frecuencias naturales se sitúen por encima de 2 veces la frecuencia de excitación más alta.
- Distribución de masa: evitar masas concentradas que generen modos de baja frecuencia.
- Nervios de rigidez y refuerzos: incorporar elementos rigidizadores desde el inicio del diseño.
- Análisis modal: utilizar FEA durante el diseño para predecir y optimizar las frecuencias naturales.
Verificación del diseño
- Ensayos en prototipo mediante análisis de impacto.
- Medición de la forma de deflexión operacional en las primeras unidades fabricadas.
- Revisar el diseño antes de la producción si se detectan resonancias.
7. Caso práctico
Situación: un motor de 75 CV que acciona un ventilador centrífugo, con ruido y vibración excesivos.
- Síntomas: vibración del bastidor del motor de 12 mm/s; vibración en los rodamientos de solo 2,5 mm/s.
- Frecuencia: 120 Hz (2× la frecuencia de red en una alimentación de 60 Hz).
- Impact test: reveló una frecuencia natural del bastidor a 118 Hz — casi exactamente igual a la frecuencia de excitación.
- Causa principal: el bastidor estaba resonando a la frecuencia de excitación electromagnética.
- Solución: se añadieron cuatro escuadras de hierro angular que conectan los pies del motor con las tapas de los extremos.
- Resultado: la frecuencia natural del bastidor se desplazó a 165 Hz y la vibración descendió a 3,2 mm/s — de vuelta cómodamente al rango aceptable según ISO 20816-3 (el sucesor moderno de ISO 10816-3).
- Costo: aproximadamente 200 $ en materiales, frente a unos 8.000 $ por la sustitución del motor.
La resonancia del bastidor es un problema de vibración frecuente pero habitualmente mal diagnosticado. Reconocer los síntomas característicos —alta vibración del bastidor en relación con la vibración de los rodamientos, estrictamente específica en frecuencia, fuertemente dependiente de la ubicación— y aplicar las técnicas de diagnóstico adecuadas (ensayo de impacto y análisis ODS) conduce a soluciones precisas que pueden reducir drásticamente la vibración con un coste muy moderado.
