Comprensión de la vibración radial en maquinaria rotativa
Vibración radial es el movimiento de un eje giratorio perpendicular a su eje de rotación, que se irradia hacia el exterior desde el centro como los radios de una rueda. La palabra “radial” abarca cualquier dirección que apunta alejándose de la línea central del eje, por lo que engloba tanto el movimiento horizontal (de lado a lado) como el vertical (de arriba abajo). Es la misma magnitud que los ingenieros denominan vibración lateral o vibración transversal, y es con diferencia la forma de vibración más comúnmente medida y monitoreada de vibración en la maquinaria rotativa — el primer valor que examina un técnico de fiabilidad y en torno al cual están redactadas la mayoría de las normas internacionales. En la práctica se mide en dos direcciones perpendiculares en cada cojinete, de modo que pueda reconstruirse la trayectoria completa del eje en el espacio.
1. Definición y Direcciones de Medición
Dado que un eje puede moverse en cualquier dirección dentro del plano perpendicular a su eje, un único sensor nunca ofrece toda la información. Dos sondas montadas a 90° entre sí en cada cojinete capturan la imagen radial completa, y sus lecturas se notifican habitualmente de forma independiente, así como combinadas.
Vibración radial horizontal
La vibración horizontal es el movimiento lateral del eje:
- Perpendicular al eje del árbol y paralela al suelo.
- Con frecuencia, el punto de medición más accesible en una máquina horizontal.
- Refleja la gravedad, la asimetría de rigidez de la cimentación y las funciones de fuerza horizontales.
- La orientación de medición estándar para la mayoría de los programas de monitorización rutinaria.
Vibración radial vertical
La vibración vertical es el movimiento ascendente y descendente del eje:
- Perpendicular al eje del árbol y perpendicular al suelo.
- Directamente influida por la gravedad y el peso estático del rotor.
- Con frecuencia mayor en amplitud que la horizontal, dado que el peso del rotor genera una rigidez de apoyo asimétrica.
- Crítica para diagnosticar máquinas de orientación vertical, como bombas y motores verticales, donde “horizontal” y “vertical” pierden su significado habitual y los dos ejes radiales son simplemente ortogonales.
Vibración radial general
El movimiento radial total es la suma vectorial de los dos componentes medidos:
Total radial = √(Horizontal² + Vertical²)
- Representa la magnitud real del movimiento independientemente de la dirección.
- Útil para evaluaciones de severidad de un único valor y para la configuración de alarmas.
- Dado que los dos ejes raramente alcanzan su máximo en el mismo instante, la órbita que traza el eje suele ser una elipse en lugar de un círculo — un hecho que cobra importancia en el análisis de órbita.
2. Causas Principales de la Vibración Radial
La vibración radial es generada por cualquier fuerza que actúe de forma perpendicular al eje del árbol. Identificar la frecuencia dominante es el núcleo del diagnóstico, ya que cada fallo deja una huella característica.
1. Desequilibrio (la Causa Dominante)
Desequilibrar es la fuente más común de vibración radial en equipos rotativos:
- It creates a fuerza centrífuga que gira con el eje, manifestándose a velocidad de funcionamiento (1X).
- La fuerza aumenta con la masa del desequilibrio, su radio y —de forma determinante— con el cuadrado de la velocidad; por ello, un pequeño punto pesado se convierte en un problema grave a medida que aumentan las RPM.
- Genera una órbita predominantemente circular o elíptica órbita del eje.
- Es corregible mediante equilibrando, el único de estos fallos que normalmente puede corregirse sin sustituir piezas.
2. Desalineamiento
Desalineamiento del eje entre máquinas acopladas genera vibración tanto radial como vibración axial:
- Se manifiesta principalmente como vibración radial de 2X (dos veces por revolución).
- También genera 1X, 3X y armónicos superiores armonía.
- Una vibración axial elevada que acompaña a la señal radial es un indicio claro.
- En fase la relación entre los dos cojinetes indica si la desalineación es angular, paralela (con desplazamiento) o ambas a la vez.
3. Defectos mecánicos
Varios problemas mecánicos generan patrones radiales característicos:
- Defectos en los rodamientos: impactos de alta frecuencia en el frecuencias de fallo de los rodamientos.
- Eje doblado o combado: vibración 1X que se asemeja al desequilibrio pero que está presente incluso a baja velocidad —véase arco de flecha.
- Flojedad: múltiples armónicos (1X, 2X, 3X y superiores) con comportamiento no lineal, frecuentemente direccional.
- Grietas: vibración 1X y 2X que cambia durante el arranque y la parada —característica distintiva de un rotor agrietado.
- Frotamientos: una mezcla de componentes subsíncronos y síncronos, característica de roce del rotor.
4. Fuerzas aerodinámicas e hidráulicas
Las fuerzas de proceso en bombas, ventiladores y compresores generan su propia excitación radial:
- Frecuencia de paso de álabe (número de álabes × RPM).
- Desequilibrio hidráulico debido a un flujo asimétrico.
- Desprendimiento de vórtices y turbulencia de flujo.
- Recirculación y operación fuera del punto de diseño, incluyendo cavitación in pumps.
5. Condiciones de resonancia
Cuando la máquina opera cerca de una velocidad crítica, la vibración radial se amplifica drásticamente:
- Una frecuencia natural coincide con una frecuencia de excitación, la condición clásica de resonancia.
- La amplitud queda entonces limitada únicamente por el mojadura.
- Los niveles pueden ascender hacia valores catastróficos dentro de una banda de velocidad estrecha.
- Por tanto, el diseño requiere márgenes de separación adecuados entre la velocidad de operación y las velocidades críticas.
3. Normas de Medición y Parámetros
Unidades de medida
La vibración radial puede expresarse mediante tres parámetros relacionados, cada uno adecuado para un rango de frecuencia diferente:
- Desplazamiento: la distancia real recorrida (micrómetros µm, o mils). Se utiliza para maquinaria de baja velocidad y sonda de proximidad mediciones del eje.
- Velocidad: la tasa de cambio del desplazamiento (mm/s, in/s). El parámetro más habitual para maquinaria industrial general y la base de las normas de severidad ISO.
- Aceleración: la tasa de cambio de la velocidad (m/s², g). Se utiliza para trabajos de alta frecuencia, como la detección de defectos en rodamientos.
La elección importa porque el mismo movimiento físico puede parecer benigno en una unidad y alarmante en otra — la velocidad tiende a aplanar el espectro en la banda de frecuencia media donde se concentra la mayoría de los fallos en maquinaria rotativa, que es precisamente la razón por la que sustenta los límites ISO.
Normas internacionales
En ISO 20816 la serie proporciona límites de severidad de vibración radial. (Reemplaza a la familia ISO 10816 anterior y a la anterior ISO 2372; citar ISO 20816 como referencia normativa.)
- ISO 20816-1: directrices generales para la evaluación de la vibración en maquinaria.
- ISO 20816-3: criterios específicos para máquinas industriales de más de 15 kW.
- Zonas de severidad: A (bueno), B (aceptable), C (insatisfactorio), D (inaceptable)
- Punto de medición: generalmente en las carcasas de los rodamientos en las direcciones radiales.
Normas específicas del sector
- API 610: límites de vibración radial para bombas centrífugas.
- API 617: criterios de vibración para compresores centrífugos.
- API 684: procedimientos de análisis de dinámica de rotores para predecir la vibración radial.
- NEMA MG-1: límites de vibración para motores eléctricos.
4. Técnicas de Monitorización y Diagnóstico
Monitorización de rutina
Los programas estándar realizan un seguimiento de la vibración radial de forma periódica:
- Recopilación por rutas: lecturas periódicas a intervalos fijos (mensuales, trimestrales).
- Tendencia del nivel global: seguimiento del incremento de la amplitud total a lo largo del tiempo.
- Alarm limits: establecidos a partir de normas ISO o específicas del equipo.
- Comparación: current versus base, y horizontal frente a vertical.
Análisis avanzado
Cuando se sospecha un problema, herramientas más avanzadas revelan su naturaleza:
- Análisis FFT: a frequency espectro separando la vibración en sus componentes.
- forma de onda temporal: la señal en bruto a lo largo del tiempo, que pone de manifiesto transitorios y modulaciones.
- Análisis de fase: las relaciones temporales entre los puntos de medición.
- Análisis de órbita: el recorrido de la línea de centro del eje que se corresponde directamente con las mediciones radiales.
- Análisis de envolvente: demodulación de alta frecuencia para la detección temprana de defectos en rodamientos.
Monitoreo continuo
Los equipos críticos se monitorizan generalmente de forma permanente:
- Sondas de proximidad para la medición directa del movimiento del eje.
- Montados de forma permanente acelerómetros en las carcasas de los rodamientos.
- Seguimiento de tendencias y generación de alarmas en tiempo real.
- Integración con automático protección de maquinaria sistemas.
5. Diferencias horizontal vs. vertical
Relaciones de amplitud típicas
En muchas máquinas, la lectura vertical supera a la horizontal:
- Efecto de la gravedad: el peso del rotor genera una deflexión estática que rigidiza la dirección vertical.
- Rigidez asimétrica: las cimentaciones y estructuras de soporte suelen ser más rígidas en la dirección horizontal.
- Relación típica: es habitual que la vibración vertical sea de 1,5 a 2 veces el valor horizontal.
- Efecto de las masas de corrección: las masas de corrección colocadas en la parte inferior de un rotor (el punto de acceso más sencillo) tienden a reducir preferentemente la vibración vertical.
Diferencias diagnósticas
- Desequilibrar: puede registrar valores más elevados en una dirección, dependiendo de dónde se encuentre el punto pesado.
- Flojedad: a menudo muestra su no linealidad con mayor claridad en la dirección vertical.
- Problemas de cimentación: la vibración vertical es más sensible al deterioro de la cimentación.
- Desalineación: puede manifestarse de forma diferente en las lecturas horizontal y vertical según el tipo de desalineación.
6. Relación con la dinámica del rotor
La vibración radial ocupa el centro del dinámica del rotor análisis, porque el comportamiento de flexión radial de un eje determina cómo —y dónde— presentará problemas.
Velocidades críticas
- Las frecuencias naturales radiales establecen las velocidades críticas.
- La primera velocidad crítica corresponde típicamente al primer modo de flexión radial.
- Diagramas de Campbell predecir el comportamiento radial en función de la velocidad.
- Los márgenes de separación respecto a las velocidades críticas mantienen la vibración radial bajo control.
Formas de moda
- Cada modo radial tiene una forma característica forma de deflexión.
- Primer modo: un arco simple.
- Segundo modo: una curva en S con un punto nodal.
- Modos superiores: patrones progresivamente más complejos.
Consideraciones de equilibrado
- El equilibrado tiene como objetivo reducir la vibración radial a la frecuencia 1X.
- Coeficientes de influencia relacionar cada masa de corrección con el cambio resultante en la vibración radial.
- The best correction-plane las ubicaciones se derivan de las formas modales radiales.
7. Corrección, control y práctica en campo
Por desequilibrio
- Equilibrado en campo mediante un analizador portátil. Un instrumento de dos canales como el Balanset-1A mide la amplitud y la fase radiales a 1X en cada cojinete, calcula los coeficientes de influencia y permite a un ingeniero equilibrar el rotor en sus propios cojinetes a velocidad de operación —sin desmontaje y sin máquina de equilibrado. Para convertir un nivel medido en una masa correctora, también puede utilizar el calculadora de peso de prueba.
- Un solo plano o equilibrado en dos planos procedimientos, seleccionados según la geometría del rotor.
- Equilibrado de precisión en taller en una máquina equilibradora para los componentes más críticos.
Para problemas mecánicos
- Alineación de precisión para corregir la desalineación.
- Sustitución de rodamientos en caso de defectos en los mismos.
- Apriete de componentes sueltos.
- Reparaciones de la cimentación para problemas estructurales.
- Enderezamiento o sustitución del eje en caso de ejes curvados.
Para problemas de resonancia
- Cambios de velocidad para evitar los rangos de velocidad crítica.
- Modificaciones de rigidez (diámetro del eje, cambios en la ubicación del cojinete)
- Mejoras de amortiguación como amortiguadores de película exprimida o una selección revisada de rodamientos.
- Cambios de masa para desplazar las frecuencias naturales alejándolas de la velocidad de operación.
8. Importancia en el mantenimiento predictivo
La monitorización de la vibración radial es la piedra angular del mantenimiento predictivo:
- Detección temprana de fallos: Los cambios en la vibración radial preceden a las fallas por semanas o meses.
- Tendencias: los incrementos graduales indican un problema en desarrollo.
- Diagnóstico de averías: el contenido en frecuencia identifica el tipo específico de fallo.
- Evaluación de la severidad: la amplitud indica la gravedad y urgencia del problema.
- Programación del mantenimiento: el trabajo se rige por el estado de la máquina y no por el calendario.
- Cost savings: se evitan los fallos catastróficos y se optimizan los intervalos de mantenimiento.
Como medición de vibración principal en la maquinaria rotativa, la vibración radial proporciona la evidencia esencial del estado del equipo, lo que la hace indispensable para un funcionamiento fiable, seguro y eficiente de los equipos rotativos industriales.
