Comprender la resonancia estructural
Definición: ¿Qué es la resonancia estructural?
Resonancia estructural es una condición en la que vibración frecuencia de maquinaria rotativa (como 1× velocidad de funcionamiento, 2× de desalineación, o frecuencia de paso de la hoja) coincide con una frecuencia natural de la estructura de soporte no giratoria, incluyendo el bastidor de la máquina, la placa base, pedestales, cimientos o incluso estructuras cercanas. Cuando se produce esta coincidencia de frecuencias, resonancia Amplifica la vibración estructural a niveles que superan con creces los que experimentan los propios componentes giratorios.
La resonancia estructural resulta especialmente problemática, ya que puede hacer que una máquina bien equilibrada y alineada parezca tener graves problemas de vibración. La alta vibración se origina en la estructura, lo que no necesariamente indica problemas en el rotor, pero el movimiento estructural puede retroalimentar el comportamiento del rotor y causar daños mecánicos reales con el tiempo.
Cómo se produce la resonancia estructural
El mecanismo de resonancia
- Fuente de excitación: La maquinaria rotativa genera fuerzas periódicas (desde desequilibrar, desalineación, etc.)
- Transmisión de fuerza: Estas fuerzas se transmiten a través de los cojinetes a la estructura de soporte.
- Coincidencia de frecuencia: Si la frecuencia de excitación ≈ frecuencia natural estructural
- Acumulación de energía: La estructura absorbe energía a lo largo de múltiples ciclos.
- Amplificación: La amplitud de vibración aumenta, limitada únicamente por la estructura. mojadura
- Efecto observado: La estructura vibra con una amplitud de 5 a 50 veces mayor que la que produciría normalmente la fuerza de entrada.
Rangos de frecuencia típicos
- Modos básicos: Normalmente, entre 5 y 30 Hz para cimentaciones industriales típicas.
- Modos de la placa base: De 20 a 100 Hz, dependiendo del tamaño y la construcción.
- Modos de pedestal: 30-200 Hz para soportes de cojinetes típicos
- Modos de marco/cubierta: 50-500 Hz para paneles y cubiertas de chapa metálica
Escenarios comunes de resonancia
Resonancia de velocidad de carrera 1X
- Ejemplo: Máquina funcionando a 1800 RPM (30 Hz), frecuencia natural de la base entre 28 y 32 Hz
- Síntoma: Vibración muy alta a pesar del buen equilibrio
- Efecto: Incluso un pequeño desequilibrio residual genera un gran movimiento estructural.
- Solución: Modificar la rigidez de la base, añadir amortiguación o cambiar la velocidad de funcionamiento
Resonancia 2X (Frecuencia de desalineación)
- La desalineación genera una excitación de frecuencia 2×
- Si 2× coincide con el modo estructural, se produce la amplificación.
- Las vibraciones elevadas pueden diagnosticarse erróneamente como una desalineación grave.
- La mejora de la alineación ayuda, pero no elimina la resonancia.
Resonancia de frecuencia de paso de la pala/álabes
- Los ventiladores, bombas y turbinas generan una frecuencia de paso de las palas (N × RPM, donde N = número de palas).
- Suele estar en el rango de 50-500 Hz.
- Puede excitar modos estructurales en este rango de frecuencias.
- Vibración o zumbido de alta frecuencia
Identificación diagnóstica
Síntomas de resonancia estructural
- Vibración desproporcionada: La vibración de la estructura es mucho mayor que la vibración del rodamiento.
- Rango de velocidad estrecho: Vibración elevada solo a una velocidad específica (±5-10%)
- Dependencia direccional: Severa en una dirección, mínima en la dirección perpendicular (forma modal coincidente)
- Dependencia de la ubicación: La vibración varía considerablemente en la superficie de la estructura (antinodos frente a nodos).
- Efecto de rodamiento mínimo: Los cojinetes y el rotor pueden presentar vibraciones aceptables, mientras que la estructura presenta vibraciones severas.
Pruebas de diagnóstico
1. Prueba de impacto (prueba de golpe)
- Golpee la estructura con un martillo y mida la respuesta.
- Identifica todas las frecuencias naturales estructurales
- Comparar con las frecuencias de funcionamiento de la máquina
- La prueba más definitiva para la resonancia estructural
2. Comparación de la ubicación de la medición
- Medir la vibración en la carcasa del rodamiento (cerca de la fuente).
- Medir en la base del pedestal, la placa base y los cimientos.
- Si la vibración estructural es mayor que la vibración del cojinete, indica resonancia estructural.
- Una transmisibilidad > 2-3 sugiere amplificación por resonancia.
3. Forma de deflexión operativa (ODS)
- Medir la vibración en múltiples puntos de la estructura simultáneamente
- Crear visualización animada del movimiento estructural
- Revela qué modo estructural está activo
- Identifica nodos y antinodos
Soluciones y mitigación
Separación de frecuencias
Cambiar la velocidad de funcionamiento
- Si se trata de un equipo de velocidad variable, opere lejos de la resonancia.
- Cambie el tamaño de las poleas del motor para ajustar la velocidad.
- Utilice el variador de frecuencia para seleccionar la velocidad no resonante.
- Puede que no sea práctico si la velocidad está determinada por los requisitos del proceso.
Modificar la frecuencia natural estructural
- Añadir masa: Disminuye la frecuencia natural (f ∝ 1/√m)
- Aumentar la rigidez: Aumenta la frecuencia natural (f ∝ √k)
- Eliminar material: En algunos casos, la reducción de la masa puede desplazar la resonancia.
- Modificación estructural: Añadir refuerzos, placas de unión o refuerzos
Adición de amortiguación
Amortiguación de capa restringida
- Material amortiguador viscoelástico adherido a la estructura
- Eficaz para paneles y marcos de chapa metálica
- Reduce la amplitud del pico de resonancia
- Tratamientos amortiguadores disponibles comercialmente
Amortiguadores de masa sintonizados
- Añadir un sistema secundario de masa-resorte ajustado a la frecuencia problemática.
- Absorbe energía, reduce la vibración de la estructura principal
- Eficaz, pero requiere un diseño y ajuste cuidadosos.
Materiales de amortiguación estructural
- Almohadillas o aisladores de goma en ubicaciones estratégicas
- Compuestos amortiguadores aplicados a las superficies
- Amortiguadores de fricción en las juntas
Aislamiento
- Instale aisladores de vibración entre la máquina y la cimentación.
- Desacopla la vibración de la máquina de la estructura.
- Efectivo si la frecuencia natural del aislador < 0,5× frecuencia de excitación
- Requiere un diseño cuidadoso para evitar la creación de nuevos problemas de resonancia.
Reducir la excitación
- Mejorar calidad del equilibrio para reducir la excitación 1×
- Alineación de precisión para reducir la excitación al doble
- Solucionar problemas mecánicos que reducen las amplitudes de fuerza
- Reduce los síntomas pero no elimina el potencial de resonancia
Prevención en el diseño
Criterios de diseño de cimientos
- Frecuencia natural de la base > 2 × frecuencia máxima de funcionamiento (evitar resonancia por encima de esta)
- O < 0,5× frecuencia mínima de funcionamiento (cimentación aislada)
- Evite el rango de 0.5 a 2.0 donde es probable que se produzca resonancia.
- Incluir análisis dinámico en la fase de diseño
Diseño estructural
- Diseñar para lograr la rigidez adecuada en relación con las frecuencias de excitación.
- Evite las estructuras con cargas ligeras propensas a la resonancia.
- Utilice refuerzos y fuelles para aumentar la frecuencia
- Considere la posibilidad de añadir amortiguación inherente (materiales compuestos, juntas con fricción).
La resonancia estructural puede transformar pequeñas fuentes de vibración en problemas importantes debido a sus efectos de amplificación. Identificar las resonancias estructurales mediante ensayos de impacto y mediciones operativas, junto con estrategias de mitigación adecuadas, es fundamental para lograr niveles de vibración aceptables en instalaciones donde la dinámica estructural influye significativamente en el comportamiento vibratorio general de la máquina.
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