Comprensión de la vibración lateral en maquinaria rotativa
Vibración lateral —también conocida como vibración radial o transversal— es el movimiento de un eje giratorio perpendicular a su eje de rotación. En pocas palabras, es el movimiento lateral y vertical del eje mientras gira. Es, con diferencia, la forma más común de vibración en maquinaria rotativa y suele ser accionado por fuerzas radiales tales como desequilibrar, desalineación, un eje doblado, o defectos de los cojinetes. Entenderlo es fundamental para dinámica del rotor, ya que es el modo de vibración principal en la mayoría de los equipos y el objeto de casi todos los sistemas de monitorización de vibraciones y equilibrando trabajar.
1. Orientación y medición
La vibración lateral se mide en el plano perpendicular al eje del árbol. Se describe completamente mediante dos direcciones ortogonales:
- Horizontal: movimiento lateral paralelo al suelo.
- Vertical: movimiento ascendente y descendente perpendicular al suelo.
- Radial: cualquier dirección perpendicular al eje del árbol; en la práctica, la combinación vectorial de las componentes horizontal y vertical.
La distinción entre el plano horizontal y el vertical no es meramente teórica: la rigidez del soporte suele variar entre ambos, por lo que una máquina suele vibrar más en una dirección que en la otra, y esa diferencia constituye en sí misma una pista diagnóstica. Las mediciones se suelen realizar en:
- Cajas de rodamientos: utilizando un acelerómetro o un transductor de velocidad en la tapa del cojinete o en el pedestal.
- Superficie del eje: utilizando un sistema sin contacto sonda de proximidad que mide el movimiento del eje directamente en relación con el cojinete.
- Varias orientaciones: Las lecturas tanto en dirección horizontal como vertical ofrecen una visión completa del movimiento lateral.
2. Causas principales de la vibración lateral
Las vibraciones laterales tienen múltiples orígenes, y el valor del análisis radica en que cada uno de ellos deja una huella característica en cuanto a frecuencia, fase y trayectoria.
Desequilibrio (el más frecuente)
Desequilibrar es la causa más frecuente. Una distribución asimétrica de la masa genera una fuerza centrífuga rotatoria que produce:
- Una vibración a 1× — una vez por revolución a velocidad de funcionamiento.
- Una situación relativamente estable fase relación.
- Una amplitud que aumenta con el cuadrado de la velocidad.
- De forma aproximadamente circular o elíptica órbita del eje.
Desalineación
Desalineamiento del eje entre máquinas acopladas se generan fuerzas laterales que muestran:
- Un componente 2× dominante (dos veces por revolución).
- Excitación de componentes 1× y armónicos superiores también.
- A menudo también presenta un componente axial elevado, lo que constituye una característica distintiva clave.
- Relaciones de fase que difieren de las propias del desequilibrio.
Eje doblado o combado
Un eje permanentemente doblado o combado introduce una excentricidad geométrica que provoca:
- Vibración 1× que puede parecerse mucho a un desequilibrio.
- Vibraciones intensas incluso a bajas velocidades de desplazamiento.
- Una situación que el equilibrado por sí solo no puede resolver realmente: la causa subyacente arco de flecha hay que abordarlo.
Defectos en los rodamientos
Cojinete de elementos rodantes los defectos producen una firma lateral característica:
- Componentes de alta frecuencia en las frecuencias de fallo de los cojinetes.
- Modulación por frecuencias más bajas, creando bandas laterales.
- Una firma que a menudo es necesario análisis de envolvente para extraerlo del ruido de banda ancha.
Holgura mecánica
Los cojinetes, cimientos o pernos de fijación sueltos provocan la respuesta no lineal típica de holgura mecánica:
- Una serie de armónicos (1×, 2×, 3×, …).
- Una respuesta no lineal al forzamiento.
- Lecturas erráticas o inestables.
Roce entre el rotor y el estator
Contacto entre piezas giratorias y fijas — un roce del rotor - genera:
- Componentes subsincrónicos.
- Cambios repentinos en la amplitud y la fase.
- Posible deformación térmica del eje debido al calentamiento de un lado por la fricción.
3. Vibración lateral frente a otros tipos de vibración
La maquinaria rotativa puede vibrar en tres direcciones principales, y distinguirlas es el primer paso en cualquier diagnóstico.
| Tipo | Dirección | Causas típicas | Medición |
|---|---|---|---|
| Lateral (radial) | Perpendicular al eje del árbol | Desequilibrio, desalineación, eje doblado, defectos en los rodamientos | Acelerómetros o sensores de velocidad en las carcasas; sensores de proximidad en el eje |
| Axial | Paralelo al eje del árbol | Desalineación, problemas con los cojinetes de empuje, problemas en el flujo del proceso | Acelerómetros montados axialmente |
| Torsión | Girando alrededor del eje | Problemas de engranajes, problemas eléctricos del motor, problemas de acoplamiento | Sensores de torsión especializados o galgas extensométricas |
La vibración lateral suele ser el componente de mayor amplitud y el que un acelerómetro estándar detecta con mayor facilidad. La vibración axial suele ser menor, pero permite diagnosticar desalineaciones y fallos de empuje, mientras que la vibración torsional suele ser pequeña, aunque puede provocar fallos por fatiga y es invisible para los sensores radiales comunes.
4. Modos de vibración lateral y velocidades críticas
En dinámica del rotor, los modos de vibración lateral describen las formas características que adopta el eje al deformarse, y cada uno de ellos está asociado a un velocidad crítica cuando la velocidad de marcha coincide con una frecuencia natural.
- Primer modo lateral: una forma de flexión simple —un solo arco— en la frecuencia natural más baja. Es la que se excita más fácilmente por un desequilibrio, y a ella corresponde la primera velocidad crítica.
- Segundo modo lateral: una curvatura en forma de S con un punto nodal, a una frecuencia natural más alta; esta es la segunda velocidad crítica y es especialmente importante para rotores flexibles.
- Modos laterales superiores: formas cada vez más complejas con múltiples nodos, relevantes únicamente para rotores de muy alta velocidad o muy flexibles y que, en ocasiones, se excitan por el paso de las palas u otras fuerzas de alta frecuencia.
Saber dónde se sitúan estas velocidades críticas en relación con la velocidad de funcionamiento es fundamental para un diseño seguro; a Calculadora de velocidad crítica del rotor ofrece una primera estimación de la frecuencia natural del eje a partir de su geometría y sus apoyos.
5. Medición, seguimiento y normas
La vibración lateral se caracteriza por la interacción de varios parámetros:
- Amplitud: la magnitud del movimiento, expresada en desplazamiento (µm, milésimas de pulgada), velocidad (mm/s, pulgadas/s) o aceleración (g, m/s²).
- Frecuencia: Por lo general, 1× la velocidad de funcionamiento en el caso de vibraciones dominadas por desequilibrios, aunque se amplía a los armónicos y otros componentes en el caso de otros fallos.
- Fase: el momento en que se alcanza el desplazamiento máximo con respecto a una marca de referencia en el eje.
- Órbita: la trayectoria real que describe el eje, vista de frente.
Las normas internacionales establecen los límites aceptables. El Serie ISO 20816 —la norma que sustituye actualmente a la ISO 10816— define los límites de vibración para diversos tipos de máquinas basándose en la velocidad RMS, mientras que normas industriales como la API 610, 617 y API 684 abarcan específicamente las bombas, los compresores y la dinámica de rotores. Estos marcos definen zonas de gravedad —aceptable, precaución y alarma— adaptadas al tipo y tamaño del equipo; en el caso habitual de las máquinas industriales de tamaño medio, se puede comparar un valor medido con las zonas mediante un Herramienta de límites de vibración según la norma ISO 20816-3.
6. Control y mitigación
Equilibrio es la solución principal para las vibraciones laterales provocadas por desequilibrios. El método depende del rotor: equilibrado de un solo plano para rotores de disco, equilibrado en dos planos para la mayoría de los rotores industriales, y balanceo modal para rotores flexibles que funcionan por encima de una velocidad crítica.
Alineación reduce las fuerzas laterales provocadas por la desalineación. Precisión alineación láser de ejes los ejes se colocan con precisión, se tiene en cuenta la dilatación térmica en los puntos de referencia de alineación, y pie cojo se corrige antes de comenzar la alineación.
Mojadura controla las amplitudes, especialmente cerca de las velocidades críticas: los cojinetes de película de fluido proporcionan una reducción significativa mojadura, a amortiguador de película comprimida se añade más donde sea necesario, y los tratamientos de la estructura de soporte también ayudan.
Modificación de la rigidez desplaza las velocidades críticas fuera del rango de funcionamiento: al aumentar el diámetro del eje, estas se elevan, mientras que al reducirlo, distancia entre apoyos aumenta la primera velocidad crítica, y el refuerzo de los cimientos altera la respuesta de todo el sistema —lo que nos recuerda que rigidez de los cimientos forma parte del sistema rotor-cojinete, no es un elemento externo al mismo.
7. Importancia diagnóstica y práctica de campo
El análisis de las vibraciones laterales es la piedra angular del diagnóstico de maquinaria. El seguimiento de su evolución a lo largo del tiempo permite detectar problemas incipientes; su frecuencia y patrón identifican la avería concreta; su amplitud en comparación con un valor de referencia indica la gravedad; su reducción confirma que el equilibrado se ha realizado correctamente; y su nivel da lugar a medidas de mantenimiento basadas en el estado de la maquinaria.
En la práctica, todo esto se lleva a cabo en la máquina en funcionamiento. Los ingenieros instalan sensores en las cajas de rodamientos y utilizan un instrumento portátil de dos canales, como el Balanset-1A para registrar la vibración lateral en ambas direcciones, leer la amplitud y la fase 1×, y visualizar el espectro que distingue el desequilibrio de la desalineación, la holgura o los fallos en los cojinetes. Dado que el mismo instrumento mide la amplitud y la fase y calcula los coeficientes de influencia, el ingeniero puede pasar directamente del diagnóstico a la corrección: equilibrando el rotor en sus propios cojinetes a velocidad de funcionamiento y volviendo a medir la vibración lateral para verificar la corrección, sin necesidad de una máquina equilibradora ni de desmontarlo.
En definitiva, una gestión eficaz de las vibraciones laterales es lo que garantiza el funcionamiento fiable de la maquinaria rotativa a largo plazo, razón por la cual ocupa un lugar central tanto en los programas de monitorización de vibraciones como en las estrategias de mantenimiento predictivo y en el diseño de la dinámica de rotores.
