Comprender la resonancia de montaje
Resonancia de montaje es un resonancia condición en la que el sistema de montaje — aisladores de vibración, rieles de montaje, soportes, bancadas o todo el conjunto de la máquina sobre sus apoyos — vibra en una de sus propias frecuencias naturales en respuesta a la excitación procedente del equipo rotativo que sustenta. Cuando eso ocurre, toda la máquina rebota, oscila o bascula como cuerpo rígido sobre sus apoyos, con amplitudes muy superiores a las que la misma fuerza excitadora produciría sobre una cimentación rígida. Es más habitual en máquinas equipadas con aisladores de vibración, pero puede afectar igualmente a una instalación fijada convencionalmente mediante tornillos siempre que la estructura de soporte carezca de rigidez. En cualquier caso, es una preocupación central en el diseño del aislamiento: debe eliminarse en el diseño o gestionarse activamente, en lugar de descubrirse en servicio.
1. Definición: ¿Qué es la resonancia de montaje?
La clave para comprender la resonancia de montaje es ver la máquina y sus apoyos como un sistema masa-muelle por derecho propio. La máquina es la masa; los aisladores o la flexibilidad de la estructura de soporte son el muelle. Como cualquier sistema de este tipo, este conjunto tiene frecuencias naturales y, si la velocidad de funcionamiento —o uno de sus armónicos— coincide con alguna de ellas, la vibración forzada se amplifica. Lo que distingue la resonancia de montaje de una resonancia de rotor o eje es que toda la máquina se mueve más o menos como una unidad: la vibración medida en los apoyos supera con creces la vibración del propio rotor. Esa firma es la pista de que el problema está en el soporte, no en el rotor. Está estrechamente relacionada con resonancia del bastidor y resonancia estructural, que describen la misma amplificación originada en el bastidor de la máquina o en la estructura circundante.
2. Frecuencias Naturales del Sistema de Montaje
Modos de cuerpo rígido sobre aisladores
Una máquina apoyada sobre aisladores de vibración se comporta como un cuerpo rígido sobre muelles y, dado que un cuerpo rígido en el espacio tiene seis grados de libertad, posee seis frecuencias naturales de cuerpo rígido.
Modos de Traslación (tres)
- Rebote vertical: movimiento vertical, normalmente la frecuencia más baja — en torno a 5–15 Hz para aislamientos comunes.
- Traslaciones horizontales (X e Y): movimientos laterales, habitualmente unas 1,5–2 veces la frecuencia de rebote vertical.
Modos de Rotación (tres)
- Rollo: rotación alrededor del eje longitudinal.
- Paso: rotación alrededor del eje transversal.
- Guiñada: rotación alrededor del eje vertical.
- Frecuencias: típicamente entre 10 y 30 Hz, según las dimensiones de la máquina y la ubicación de su centro de gravedad.
Modos acoplados
- Si los aisladores no están colocados simétricamente, o el centro de gravedad no está centrado sobre ellos, los modos se acoplan.
- La traslación y la rotación se producen entonces de forma simultánea.
- El resultado es un patrón de movimiento complejo.
- Estos modos acoplados son más difíciles de analizar y corregir que los casos limpios y desacoplados.
3. Cuándo se produce la resonancia de montaje
Resonancia del Sistema de Aislamiento
El escenario más habitual, y paradójico, ya que surge precisamente de los aisladores destinados a reducir la vibración:
- Design intent: los aisladores se seleccionan de modo que su frecuencia natural se sitúe aproximadamente entre un tercio y un quinto de la velocidad de funcionamiento, situando la máquina bien dentro de la región de aislamiento.
- Problema: si la máquina funciona por debajo de su velocidad de diseño, o simplemente atraviesa la frecuencia del aislador durante el arranque, la fuerza excitadora coincide con esa frecuencia natural.
- Síntoma: Vibración severa a velocidades cercanas a la frecuencia natural del aislador
- Duración: limitado a una banda de velocidad específica, normalmente estrecha.
Resonancia de riel o patín
- Los carriles de montaje y las bancadas de equipos tienen sus propios modos de flexión.
- Las frecuencias típicas oscilan entre 15 y 50 Hz, en función del vano y la rigidez.
- Todo el conjunto bascula sobre los carriles en flexión.
- Esto es habitual en equipos modulares y compactos suministrados como una unidad.
Resonancia de soporte o ménsula
- Los equipos montados en la pared o el techo mediante soportes son especialmente vulnerables.
- El soporte o brazo de sujeción tiene su propia frecuencia natural.
- El movimiento de la máquina se amplifica cuando la velocidad de funcionamiento coincide con ella.
- El movimiento amplificado puede transmitir vibración a la propia estructura del edificio.
4. Identificación diagnóstica
Indicadores clave
- Amplificación: la vibración medida en el soporte es muy superior a la vibración en la máquina — el signo característico de esta condición.
- Balanceo o rebote: movimiento visible de toda la máquina.
- Sensibilidad a la velocidad: severo únicamente dentro de un rango estrecho de velocidades.
- Baja frecuencia: típicamente entre 5 y 30 Hz en sistemas con aislamiento.
- Relaciones de fase: todos los puntos de montaje se mueven en fase en un modo de rebote, o en contrafase en un modo de balanceo.
Procedimiento de diagnóstico
- Identificar la frecuencia de resonancia a partir del pico en el espectro de vibración.
- Prueba de impacto en los soportes: a prueba de impacto revela la frecuencia natural del soporte de forma independiente de la máquina en funcionamiento.
- Comparar: si la frecuencia de resonancia en servicio coincide con la frecuencia natural del soporte medida, se confirma la resonancia de montaje.
- Medir en varios puntos para establecer las fase relaciones entre los puntos de anclaje.
- Evaluar la forma del modo: determinar si el movimiento es de rebote, balanceo o un modo acoplado.
Una bifurcación fundamental en el diagnóstico es separar un problema de soporte de un problema de rotor. La firma descrita anteriormente — gran movimiento en los soportes, movimiento moderado del rotor y pico fijo en una frecuencia estructural en lugar de seguir la velocidad — apunta claramente al soporte. También debe tenerse cuidado en no confundir la resonancia de montaje con pie cojo, en la que un punto de apoyo no asienta en plano y deforma el bastidor; ambos pueden coexistir y ambos incrementan la vibración.
5. Solutions
Para la Resonancia del Sistema de Aislamiento
Cambiar la rigidez del aislador
- Aisladores más rígidos elevar la frecuencia natural por encima de la velocidad de funcionamiento.
- Aisladores más blandos reducirla por debajo del rango de arranque, si el equipo puede tolerar la mayor deflexión estática.
- Criterio de selección: la frecuencia del aislador debe situarse por debajo de un tercio de la velocidad mínima de funcionamiento.
Añadir amortiguación
- Utilice aisladores con mojadura — soportes elastoméricos en lugar de muelles de acero desnudos.
- Añada amortiguadores viscosos o de fricción en paralelo con los aisladores.
- El amortiguamiento reduce el pico de resonancia incluso cuando no es posible eliminar la coincidencia de frecuencias.
Mejorar la instalación del aislador
- Asegúrese de que cada aislador esté correctamente cargado: ninguno inclinado, bloqueado o sin carga.
- Verifique que los aisladores sean adecuados para el peso real del equipo, no para uno estimado.
- Compruebe si hay aisladores agarrotados o deteriorados que hayan perdido su rigidez de diseño.
- Confirme la colocación simétrica respecto al centro de gravedad para evitar modos acoplados.
Para resonancia de montaje estructural
Rigidizar la Estructura de Montaje
- Añada arriostramiento a los raíles o patines.
- Aumentar el grosor de los soportes o añadir refuerzos triangulares.
- Reduzca los vanos sin apoyo.
- Una los puntos de anclaje independientes para que actúen como uno solo.
Cambiar la configuración de montaje
- Añada soportes intermedios para reducir las longitudes de vano.
- Reubique los puntos de montaje en partes más rígidas de la estructura.
- Utilice elementos de fijación de mayor robustez.
Dado que todas estas medidas actúan desplazando una frecuencia natural, la estructura de soporte’s rigidez de los cimientos es la palanca que accionan; una Calculadora de la frecuencia natural de los cimientos ayuda a confirmar que un cambio de rigidez desplaza efectivamente la frecuencia por encima de la velocidad de funcionamiento.
Soluciones operativas
- Limitación de velocidad: evitar el funcionamiento prolongado a la velocidad de resonancia.
- Aceleración rápida: pasar por la resonancia rápidamente durante el arranque para que se acumule poca energía.
- Reduzca la excitación: improve Saldo para reducir la fuerza excitadora en la frecuencia de resonancia.
6. Diseño del aislamiento y equipos acoplados
Diseño de aislamiento de vibraciones
Un diseño de aislamiento acústico correcto evita desde el principio la resonancia de los soportes manteniendo las velocidades de funcionamiento bien alejadas de las frecuencias naturales del soporte’s:
- Relación de frecuencias: la frecuencia del aislador debe satisfacer faislador < 0.3 × fmínimo operativo.
- Transmisibilidad: exactamente en resonancia, el transmisibilidad puede superar 10 — el soporte amplifica en lugar de aislar, es decir, el efecto contrario al deseado.
- Rango de operación: todas las frecuencias de trabajo deben situarse por encima de 2–3 veces la frecuencia del aislador para lograr un aislamiento eficaz.
- Startup: un paso breve por la resonancia con alta amplitud durante la aceleración es aceptable, siempre que sea de corta duración.
Elegir aisladores que cumplan estos objetivos es un ejercicio de dimensionamiento habitual; un calculadora de selección de soportes antivibratorios ajusta la rigidez del soporte a la masa y velocidad de la máquina, y un calculadora de aislamiento de vibraciones de maquinaria estima la eficiencia de aislamiento resultante.
Equipo acoplado
Los equipos accionados por motor montados sobre una bancada común añaden sus propias complicaciones:
- El conjunto completo posee modos de cuerpo rígido sobre sus soportes.
- El motor y la máquina accionada transmiten su vibración a través de la bancada común.
- Una resonancia puede ser excitada por cualquiera de las dos máquinas, independientemente de cuál sea la fuente más ruidosa.
- Por tanto, debe tratarse como un sistema completo, no como dos máquinas independientes.
7. Herramientas de Medición y Análisis
Análisis modal
- Análisis modal caracteriza completamente cada modo del sistema de montaje.
- Identifica la frecuencia, el amortiguamiento y la forma modal de cada uno.
- Estos datos se incorporan directamente a las modificaciones de diseño.
- Puede realizarse experimentalmente con pruebas de impacto o predecirse mediante análisis de elementos finitos.
Forma de deflexión operativa (ODS)
- Análisis del ODS visualiza el patrón de movimiento real mientras la máquina está en funcionamiento.
- Distingue con claridad la resonancia del soporte de la resonancia del rotor.
- Revela qué modo está activo: rebote, balanceo o acoplado.
- Indica exactamente dónde debe añadirse rigidez para obtener el mayor efecto.
En campo, el mismo instrumento portátil utilizado para el equilibrado rutinario sirve de apoyo para gran parte de este trabajo. Un analizador de dos canales como el Balanset-1A captura la amplitud y la fase en varios puntos de los apoyos, y su función de prueba de impacto mide directamente la frecuencia natural del apoyo, lo que permite al ingeniero confirmar una resonancia de montaje sospechada, decidir si la solución es un soporte más rígido o un mejor equilibrado, y verificar la corrección una vez realizada.
La resonancia de montaje puede producir vibraciones severas incluso en maquinaria bien mantenida y bien equilibrada, simplemente porque el problema reside en los soportes y no en el rotor. Comprender las frecuencias naturales de los sistemas de montaje —los aisladores de vibración ante todo— y mantenerlas bien separadas de las velocidades de operación es esencial para un control eficaz de la vibración en cualquier instalación con equipos rotativos.
