Definición: ¿Qué es un armónico?

En el análisis de vibraciones, una armónico es una frecuencia que es múltiplo entero exacto de una frecuencia fundamental. En la maquinaria rotativa, la frecuencia fundamental suele ser la velocidad de rotación del eje, denominada 1er armónico o 1×. Los armónicos siguientes son múltiplos enteros: 2× (dos veces la velocidad del eje), 3× (tres veces), etc. Estas frecuencias también se denominan pedidos de velocidad de carrera, o armónicos síncronos porque están sincronizados con precisión con la rotación del eje.

Por ejemplo, si un motor funciona a 1.800 RPM (30 Hz), sus armónicos aparecen a 60 Hz (2×), 90 Hz (3×), 120 Hz (4×), 150 Hz (5×), y así sucesivamente. En teoría, la serie de armónicos es infinita, pero en la práctica, la amplitud disminuye en los órdenes superiores y sólo los primeros armónicos contienen información de diagnóstico.

Definición de frecuencia armónica
Fn = n × f1 = n × (RPM / 60)
donde n = 1, 2, 3, 4... (orden armónico) y f₁ = frecuencia de rotación del eje en Hz.
Armónicos vs. Subarmónicos vs. Picos no síncronos

Armonía son múltiplos enteros de la velocidad del eje (2×, 3×, 4×...). Subarmónicos son múltiplos fraccionarios (½×, ⅓×, ¼×) e indican siempre problemas mecánicos graves. Picos no sincronizados son frecuencias no relacionadas con la velocidad del eje, como frecuencias de falla de los cojinetes, frecuencias de engranaje, frecuencia de línea (50/60 Hz) o frecuencias naturales - y requieren enfoques de diagnóstico diferentes. Un pico a 3,57× RPM NO es un armónico; es probable que sea una frecuencia de fallo del rodamiento.

¿Por qué se generan armónicos?

En un sistema perfectamente lineal excitado por una fuerza sinusoidal pura (como un rotor perfectamente equilibrado y alineado en cojinetes perfectos), sólo aparecería la fundamental 1×. La maquinaria real nunca es perfectamente lineal. Los armónicos aparecen siempre que la forma de onda de vibración se distorsiona con respecto a una onda sinusoidal pura, es decir, siempre que la respuesta del sistema es no lineal o la propia función de forzamiento no es sinusoidal.

Las matemáticas: Teorema de Fourier

Teorema de Fourier afirma que cualquier forma de onda periódica -por compleja que sea- puede descomponerse en una suma de ondas sinusoidales a la frecuencia fundamental y sus múltiplos enteros, cada una con una amplitud y fase específicas. El algoritmo FFT (transformada rápida de Fourier) utilizado por los analizadores de vibraciones realiza esta descomposición computacionalmente, revelando el contenido armónico de la señal.

Una onda sinusoidal pura sólo tiene una componente de frecuencia. Una onda cuadrada contiene todos los armónicos impares (1×, 3×, 5×, 7×...) con amplitudes decrecientes como 1/n. Una onda diente de sierra contiene todos los armónicos con amplitudes que disminuyen como 1/n. La forma específica de la distorsión determina qué armónicos aparecen: esto es lo que hace que el análisis armónico sea tan potente desde el punto de vista del diagnóstico.

Mecanismos físicos que generan armónicos

  • Recorte / truncamiento de la forma de onda: Cuando el movimiento del eje está limitado físicamente (alojamiento del rodamiento, contacto de rozamiento), la forma de onda resultante se recorta, generando armónicos. Un recorte más severo produce más armónicos.
  • Rigidez asimétrica: Si la rigidez del sistema difiere entre las mitades positiva y negativa del ciclo de vibración (apertura/cierre del eje agrietado, desalineación que crea una rigidez de tensión/compresión diferente), se generan incluso armónicos (2×, 4×, 6×).
  • Eventos de impacto: Los impactos periódicos (pernos sueltos, impactos por defectos en los cojinetes) crean formas de onda agudas y de corta duración que son extremadamente ricas en contenido armónico, como cuando una baqueta de tambor produce muchos sobretonos.
  • Fuerzas restauradoras no lineales: Cuando la rigidez varía con el desplazamiento (rodamientos sometidos a cargas variables, soportes de goma de velocidad progresiva), la respuesta a una fuerza sinusoidal contiene armónicos.
  • Excitación paramétrica: Cuando las propiedades del sistema varían periódicamente a una frecuencia relacionada con la velocidad del eje, pueden generar armónicos y subarmónicos de la frecuencia de excitación.
El principio clave del diagnóstico

El patrón de los armónicos presentes, sus amplitudes relativas y los ausentes indica al analista qué mecanismo físico genera la no linealidad. Los analistas experimentados examinan la estructura armónica completa del espectro -no sólo el nivel general de vibración- para identificar mecanismos de fallo específicos.

Firmas de avería detalladas - Patrones armónicos

1× Dominante - Desequilibrio

Un pico dominante a 1× con armónicos superiores mínimos es la firma clásica de desequilibrio de masas. La fuerza de desequilibrio es inherentemente sinusoidal (gira con el eje a 1× frecuencia), produciendo un único pico limpio en el dominio de la frecuencia.

Detalles del diagnóstico

  • Amplitud: Proporcional a la velocidad² (doble velocidad → 4× amplitud) y proporcional a la masa de desequilibrio.
  • Fase: Estable, repetible, de un solo valor. Cambia de forma predecible con la adición de peso de prueba: es la base de todo procedimientos de compensación
  • Dirección: Principalmente radial; axial 1× es bajo a menos que el rotor tenga un saliente significativo
  • Confirmación: La respuesta a los pesos de prueba confirma el desequilibrio. Si 1× no responde a los pesos de prueba, considere eje doblado, excentricidad o resonancia.
No toda vibración 1× es desequilibrio

Varias condiciones producen un alto 1× que NO es corregible mediante equilibrado: eje doblado, excentricidad del eje, descentramiento eléctrico en las sondas de proximidad, inclinación del rotor por efectos térmicos, excentricidad del acoplamiento y resonancia amplificación. Verifique siempre el diagnóstico antes de intentar equilibrar.

2× Dominante - Desalineación

Un 2º armónico fuerte, a menudo comparable en amplitud al pico 1× o superior a éste, es el principal indicador de desalineación del eje. La desalineación fuerza al eje a recorrer una trayectoria no sinusoidal durante cada revolución, creando la distorsión que genera armónicos 2× y a veces superiores.

Desalineación angular frente a paralela

  • Desalineación angular: Las líneas centrales de los ejes se cruzan en ángulo en el acoplamiento. Produce una alta vibración axial de 1×. La fase a través del acoplamiento muestra un desplazamiento de ~180° en dirección axial.
  • Desalineación paralela (offset): Las líneas centrales de los ejes son paralelas pero desplazadas. Produce altas vibraciones radiales 2×, a menudo con 2× ≥ 1×. Los casos graves generan 3× y 4×. La fase radial a través del acoplamiento muestra un desplazamiento de ~180°.
  • Combinado: En la práctica, ambas suelen coexistir, produciendo una mezcla de las firmas.

La relación 2×/1× como indicador de diagnóstico

Relación 2×/1×Condición probableAcción
< 0.25Normal; 2× presente a bajo nivel en la mayoría de las máquinasNo se requiere ninguna acción
0.25 - 0.50Posible desalineación leve; normal para algunos tipos de acoplamientoComprobar la alineación; comparar con la línea de base
0.50 - 1.00Probable desalineación significativaRealice una alineación láser de precisión
> 1.00Desalineación grave; 2× supera 1×Urgente - realinear; comprobar la tensión del acoplamiento y la tubería

Armónicos múltiples - Flojedad mecánica

Una rica serie de armónicos de velocidad de marcha (1×, 2×, 3×, 4×, 5×... hasta 10× o más) indica holgura mecánica. Los impactos, el traqueteo y los ciclos no lineales de contacto/separación generan una distorsión extrema de la forma de onda que se descompone en muchos componentes armónicos.

Tres tipos de soltura

  • Tipo A - Estructural: Conexión floja de la máquina a la cimentación (pie blando, base agrietada, pernos de anclaje flojos). Produce 1× direccional (mayor en la dirección suelta). Prueba clave: apriete/afloje pernos individuales mientras controla la amplitud de 1×.
  • Tipo B - Componente: Forro del cojinete suelto en la tapa, tapa suelta en el alojamiento, holgura excesiva del cojinete. Produce una familia de armónicos, a menudo con subarmónicos (½×). Los subarmónicos son la clave para distinguirlos de la desalineación.
  • Tipo C - Asiento del rodamiento: Rodete suelto en el eje, cubo de acoplamiento suelto, holgura excesiva de los cojinetes que permite que el rotor rebote. Produce muchos armónicos con elevación del piso de ruido de banda ancha.
Subarmónicos: La huella de la soltura

La presencia de subarmónicos (½×, ⅓×) es el diferenciador más fiable entre holgura y desalineación. La desalineación genera 2× y 3×, pero rara vez produce subarmónicos. La holgura (tipos B y C) genera característicamente ½× porque el rotor entra en contacto con un lado del rodamiento en una media revolución y rebota hacia el otro en la siguiente, creando un patrón que se repite cada dos revoluciones, de ahí ½×.

Otras condiciones generadoras de armónicos

Eje doblado

Produce vibraciones 1× y 2× con un alto componente axial. A diferencia de la desalineación, un eje doblado presenta 1× que no puede corregirse mediante equilibrado (excentricidad geométrica, no distribución de masas) y ~180° de diferencia de fase axial entre los extremos del eje. El 2× procede de la rigidez asimétrica, ya que la curva se abre y se cierra durante la rotación.

Maquinaria alternativa

Los motores, compresores y máquinas alternativas generan de forma inherente espectros armónicos ricos porque el movimiento del pistón/eje de biela es fundamentalmente no sinusoidal. El patrón armónico depende del número de cilindros, el orden de encendido y el tipo de carrera (2 tiempos frente a 4 tiempos).

Roce del rotor

Un roce parcial (contacto durante una parte de cada revolución) produce muchos armónicos de alto orden, a veces hasta 10×, 20× o más. Un roce anular completo (contacto continuo de 360°) genera subarmónicos dominantes (½×, ⅓×, ¼×) a través de mecanismos de precesión inversa.

Problemas eléctricos en los motores

Los motores de CA generan vibraciones a múltiplos de la frecuencia de línea (50 ó 60 Hz) independientemente de la velocidad del eje. El más común es 2× frecuencia de línea (100 Hz en sistemas de 50 Hz, 120 Hz en sistemas de 60 Hz). NO se trata de un armónico de la velocidad del eje, sino de un armónico de la frecuencia de línea, que es la clave para distinguir la vibración eléctrica de la mecánica. En prueba de corte de corriente es definitiva: la vibración eléctrica disminuye instantáneamente cuando se corta la corriente, la vibración mecánica persiste durante la parada por inercia.

Los defectos de las barras del rotor producen bandas laterales de aproximadamente 1× espaciadas en la frecuencia de paso de los polos (frecuencia de deslizamiento × número de polos). Estas bandas laterales están muy próximas a 1× (entre 1 y 5 Hz), lo que requiere un análisis FFT con zoom de alta resolución para resolverlas.

Frecuencias no síncronas: no son armónicos verdaderos

Varias frecuencias importantes se confunden a veces con los armónicos, pero en realidad son independientes de la velocidad del eje:

Tipo de frecuenciaFórmulaRelación con RPMNotas
Frecuencias de fallas de los cojinetesBPFO, BPFI, BSF, FTFMúltiplos no enteros (por ejemplo, 3,57×, 5,43×)Siempre no sincrónico; depende de la geometría del rodamiento
Frecuencia de engrane de engranajesGMF = 1TP5Dientes × RPMEntero pero de orden muy altoTécnicamente un armónico pero analizado por separado
Paso de álabe/palaBPF = 1TP5Cuchillas × RPMMúltiplo enteroNormal; una amplitud excesiva indica un problema
Frecuencia de líneaFL = 50 ó 60 HzNo relacionado con RPMEléctrico; desaparece al cortar la corriente
Frecuencias naturalesFn = √(k/m)/2πCorregido; no relacionado con RPMFrecuencia constante independientemente de los cambios de velocidad
Frecuencias de bandaFcinturón = RPM×π×D/LSubsíncrono (< velocidad del eje)Frecuencia de banda y sus armónicos 2×, 3×, 4× BF

Guía de análisis - Cómo interpretar patrones armónicos

Paso 1: Identificar lo fundamental (1×)

Localice el pico 1× correspondiente a la velocidad de giro del eje. Verifíquelo utilizando un tacómetro o la placa de características del motor. En las máquinas de velocidad variable, el 1× debe identificarse con precisión para cada medición.

Paso 2: Catalogar todos los picos

Para cada pico significativo, determine: ¿es un múltiplo entero exacto de 1× (armónico verdadero)? ¿Es un múltiplo fraccionario (subarmónico)? ¿No está relacionado con la velocidad del eje (no síncrono)? Utilice las funciones de cursor de armónicos del analizador para mayor eficacia.

Paso 3: Examinar el patrón de amplitud

  • Qué armónico es el dominante? → Señala un fallo específico
  • Cuántos armónicos están presentes? → Más = distorsión más grave
  • Supera el 2× al 1×? → Probable desalineación
  • Hay presencia de subarmónicos? → Flojedad, roce o remolino de aceite.
  • La amplitud disminuye con el orden (decaimiento 1/n)? → Típico de la holgura

Paso 4: Comprobar la direccionalidad

  • Alta radial, baja axial: Desequilibrio o flojedad
  • Alto axial: Desalineación (especialmente angular) o eje doblado
  • Radial direccional: Flojedad estructural (mayor en dirección floja)

Paso 5: Tendencia temporal

  • Están aumentando las amplitudes armónicas? → El fallo está progresando
  • Están apareciendo nuevos armónicos? → Se está desarrollando un nuevo mecanismo de fallo
  • Está aumentando el ruido de fondo? → Desgaste general o fallo de última etapa.

Paso 6: Correlación con los datos de fase

  • Desequilibrar: La fase 1× es estable y repetible
  • Desalineación: 1× o 2× fase muestra ~180° a través del acoplamiento
  • Flojedad: La fase es inestable, puede cambiar aleatoriamente entre mediciones

Casos prácticos - Análisis de armónicos en el mundo real

Caso 1: Motor-bomba - ¿Es desequilibrio o desalineación?

Máquina: Motor de 30 kW que acciona una bomba centrífuga a 2960 rpm mediante un acoplamiento flexible. Vibración global: 6,2 mm/s en el cojinete del extremo de accionamiento del motor.

Espectro: 1× = 4,1 mm/s, 2× = 3,8 mm/s, 3× = 1,2 mm/s. La relación 2×/1× = 0,93.

Dirección: Alta radial 2× en ambos cojinetes del extremo motriz. Axial 1× en el acoplamiento: motor = 2,8 mm/s, bomba = 3,1 mm/s con 165° de diferencia de fase.

Diagnóstico: Desalineación angular y paralela combinadas. La relación 2×/1× cercana a 1,0, las lecturas axiales elevadas y la fase de ~180° a través del acoplamiento lo confirman. NO es desequilibrio - aunque 1× es elevado, el patrón 2× es la verdadera historia.

Acción: Alineación láser realizada. Alineación posterior: 1× = 0,8 mm/s, 2× = 0,3 mm/s. En total, se ha reducido a 1,1 mm/s: una reducción de 82%.

Caso 2: Ventilador - ¿Por qué no funciona el equilibrado?

Máquina: Ventilador centrífugo a 1480 RPM. Vibración: 8,5 mm/s. El intento de equilibrado anterior se redujo 1×, pero la vibración general siguió siendo alta.

Espectro: 1× = 2,1 mm/s (bajo después del equilibrado), ½× = 1,8 mm/s, 2× = 3,2 mm/s, 3× = 2,5 mm/s, 4× = 1,8 mm/s, 5× = 1,1 mm/s, 6× = 0,7 mm/s.

Diagnóstico: Soltura mecánica (tipo B). La familia armónica con ½× subarmónico es la firma. El equilibrado corrigió 1× pero no pudo solucionar los armónicos generados por la holgura que dominan la vibración general.

Acción: La inspección reveló que el alojamiento del cojinete estaba suelto 0,08 mm en el orificio del pedestal. Se ha rectificado el alojamiento y se ha montado un rodamiento nuevo. Después de la reparación: todos los armónicos se redujeron a la línea de base. Total: 1,4 mm/s.

Caso 3: Motor del compresor: ¿eléctrico o mecánico?

Máquina: Motor de inducción de 4 polos y 50 Hz a 1485 RPM que accionaba un compresor de tornillo. La vibración aumentó de 2,0 a 5,5 mm/s en 3 meses.

Espectro: Pico dominante a 100 Hz (= 2FL). También: 1× a 24,75 Hz = 1,2 mm/s, bandas laterales en torno a 1× a una separación de ±1,0 Hz.

Prueba clave: Corte de corriente: el pico de 100 Hz se redujo a cero en una revolución. Las bandas laterales de 1× persistieron durante el apagado por inercia.

Diagnóstico: Dos problemas: (1) Eléctrico: excentricidad del estator que provoca 2FL. (2) Mecánico: las bandas laterales 1× a ±1,0 Hz (= frecuencia de paso de polos para un motor de 4 polos con deslizamiento de 1,0%) sugieren la aparición de un defecto en la barra del rotor.

Acción: Motor enviado a rebobinar. Confirmado: 2 barras del rotor rotas + excentricidad del estator por pandeo de la base. Tras rebobinado y calce: vibración 1,6 mm/s.

Equipo Vibromera para análisis de armónicos

En Balanset-1A y Balanset-4 proporcionar en tiempo real Análisis espectral FFT con seguimiento del cursor armónico, lo que permite la identificación sobre el terreno de patrones 1×, 2×, 3× y el diagnóstico de averías. Los dispositivos combinan el análisis de vibraciones para el diagnóstico y la precisión equilibrando para la corrección: identificar el problema y solucionarlo con un solo instrumento.

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