Comprender la resonancia estructural
Resonancia estructural es la situación en la que una frecuencia de excitación procedente de maquinaria rotativa — 1× velocidad de funcionamiento, 2× from desalineación, o una frecuencia de paso de la pala — coincide con una frecuencia natural de la estructura de soporte no giratoria. Esa estructura puede ser el bastidor de la máquina, la placa base, la pedestales, los cimientos o incluso las tuberías y plataformas cercanas. Cuando las frecuencias coinciden, resonancia amplifica la vibración estructural hasta niveles muy superiores a los que experimentan las propias piezas giratorias.
La resonancia estructural es peligrosa precisamente porque se disfraza. Puede hacer que una máquina bien equilibrada y correctamente alineada parezca que tiene un defecto grave. La vibración intensa se origina en la estructura y no significa necesariamente que el rotor tenga problemas; sin embargo, el movimiento estructural puede repercutir en el rotor y provocar daños mecánicos reales con el paso del tiempo. Distinguir entre el amplificador y la fuente es el verdadero reto del diagnóstico.
1. Cómo se produce la resonancia estructural
El mecanismo de resonancia
- Fuente de excitación: la máquina genera fuerzas periódicas — procedentes de desequilibrar, desalineación, etc.
- Transmisión de fuerza: esas fuerzas se transmiten a través de los cojinetes a la estructura de soporte.
- Coincidencia de frecuencias: la frecuencia de excitación coincide con una frecuencia natural estructural.
- Acumulación de energía: La estructura absorbe energía a lo largo de muchos ciclos en lugar de disiparla.
- Amplificación: la amplitud aumenta, limitada únicamente por la amortiguación estructural mojadura.
- Efecto observado: la estructura puede vibrar entre 5 y 50 veces más intensamente de lo que produciría únicamente la fuerza de entrada.
La magnitud de esa amplificación viene determinada casi por completo por la amortiguación. Con poca amortiguación, una resonancia aguda puede multiplicar el movimiento decenas de veces; con una amortiguación intensa, esa misma coincidencia de frecuencias apenas se nota. Por eso los tratamientos de amortiguación son una herramienta tan eficaz, y por eso un calculadora del coeficiente de amortiguación es útil para estimar lo pronunciado que será el pico de resonancia de una estructura determinada.
Rangos de frecuencia habituales
- Modos de la cimentación: normalmente entre 5 y 30 Hz en cimientos industriales típicos.
- Modos de la placa base: Entre 20 y 100 Hz, dependiendo del tamaño y la construcción.
- Modos de soporte: 30–200 Hz para soportes de rodamientos típicos.
- Modos de marco y cubierta: 50–500 Hz para paneles y cubiertas de chapa metálica.
Cuando el elemento resonante es el propio cuerpo de la máquina, en lugar de sus soportes, el mismo fenómeno físico se describe como resonancia del bastidor; cuando es la base del sensor la que vibra, se convierte en resonancia de montaje. Las tres son facetas del mismo fenómeno de amplificación en distintos puntos de la estructura.
2. Situaciones habituales de resonancia
1× resonancia a velocidad de marcha
- Ejemplo: una máquina que funciona a 1800 rpm (30 Hz) con una frecuencia natural de la base de entre 28 y 32 Hz.
- Síntoma: Vibración muy elevada a pesar de su buen equilibrio.
- Efecto: incluso un pequeño desequilibrio residual provoca un movimiento estructural considerable.
- Solución: cambiar los cimientos rigidez, añadir amortiguación o modificar la velocidad de funcionamiento.
2× resonancia (frecuencia de desalineación)
- La desalineación genera una excitación doble.
- Si 2× coincide con el modo estructural, se produce la amplificación.
- Es fácil confundir las vibraciones intensas con una desalineación grave.
- Mejorar la alineación ayuda, pero no elimina la resonancia en sí.
Resonancia por frecuencia de paso de las palas
- Los ventiladores, las bombas y las turbinas generan un frecuencia de paso de la cuchilla (N × RPM, donde N es el número de álabes) — para bombas, el equivalente frecuencia de paso de la paleta.
- A menudo, en el rango de 50 a 500 Hz.
- Puede excitar modos estructurales en esa banda.
- Emite un traqueteo o zumbido de alta frecuencia.
3. Identificación diagnóstica
Síntomas de la resonancia estructural
- Vibración desproporcionada: una vibración estructural mucho mayor que la vibración de los cojinetes.
- Rango de velocidad estrecho: alta vibración solo a una velocidad específica (±5–10 %).
- Dependencia de la dirección: intensa en una dirección, mínima en ángulo recto — coincidiendo con la forma modal.
- Dependencia de la ubicación: La vibración varía considerablemente a lo largo de la estructura (antinodos frente a nodos).
- Efecto mínimo de los cojinetes: Es posible que los cojinetes y el rotor estén en perfecto estado, mientras que la estructura muestre una vibración severa.
Prueba de impacto (prueba de choque)
La prueba más concluyente. Golpee la estructura con un martillo y mida la respuesta para determinar todas las frecuencias naturales estructurales; a continuación, compárelas con las frecuencias de funcionamiento de la máquina. Ver prueba de impacto y pruebas de impacto for technique.
Comparación de los puntos de medición
- Tome la medida en la carcasa del cojinete (la más cercana a la fuente).
- Vuelva a medir en la base del pedestal, la placa de base y los cimientos.
- Si la vibración estructural supera con creces la vibración de los cojinetes, es indicio de resonancia.
- Una transmisibilidad superior a 2-3 indica una amplificación resonante — una Calculadora de transmisibilidad de vibraciones cuantifica la proporción.
Forma de deflexión operacional (ODS)
- Mida las vibraciones en varios puntos de la estructura al mismo tiempo.
- Anime el movimiento estructural para ver qué modo está activo.
- Identificar nudos y antinudos — véase Análisis del ODS y, en cuanto a los modos subyacentes, análisis modal.
4. Separación de la fuente y la estructura sobre el terreno
La clave práctica para diagnosticar la resonancia consiste en medir el comportamiento del rotor independientemente de la estructura que lo rodea, y un analizador portátil de dos canales lo hace posible sin necesidad de laboratorios de instrumentación ni tiempos de inactividad. Con el Balanset-1A, un analista capta 1× amplitud y fase y el espectro completo en el cojinete, para luego desplazar el acelerómetro por la placa base, el pedestal y el bastidor, comparando los niveles punto por punto. Una vibración moderada del rotor, junto con una lectura estructural enorme y muy marcada, es la señal inconfundible de la resonancia. Realizar una parada por inercia con el mismo instrumento permite que el pico resonante se revele a medida que la velocidad lo atraviesa, y un balanceo de prueba determina si el desequilibrio residual es realmente la función forzante o simplemente un factor secundario que se ve amplificado.
5. Soluciones y medidas de mitigación
Separación de frecuencias
Cambie la velocidad de funcionamiento. En los equipos de velocidad variable, basta con evitar la resonancia: cambie el tamaño de las poleas del motor o utilice un variador de frecuencia para seleccionar una velocidad no resonante. Esto no siempre es factible cuando la velocidad viene determinada por el proceso.
Modificar la frecuencia natural de la estructura.
- Añadir masa: reduce la frecuencia natural (f ∝ 1/√m).
- Add stiffness: aumenta la frecuencia natural (f ∝ √k).
- Eliminar material: En algunos casos, la pérdida de masa provoca un desplazamiento beneficioso de la resonancia.
- Modificación estructural: añadir arriostramientos, cartelas o refuerzos.
De cualquier manera, un Calculadora de la frecuencia natural de los cimientos ayuda a predecir dónde se situará la estructura modificada con respecto a la frecuencia de excitación, de modo que una corrección no se limite a trasladar el problema a una nueva banda.
Adición de amortiguación
- Amortiguamiento de capa restringida: material viscoelástico fijado a la estructura, muy eficaz para paneles de chapa y bastidores, ya que reduce el pico de resonancia.
- Amortiguadores de masa sintonizada: un sistema secundario de masa y resorte sintonizado con la frecuencia problemática, que absorbe energía y reduce el movimiento de la estructura principal; es eficaz, pero requiere un diseño minucioso.
- Materiales de amortiguación estructural: almohadillas de goma o aisladores en puntos estratégicos, compuestos amortiguadores en las superficies y amortiguadores de fricción en las juntas. En los sistemas de rotores de alta velocidad, un amortiguador de película de compresión desempeña una función similar en el cojinete.
Aislamiento
- Instale aisladores de vibraciones entre la máquina y los cimientos para desacoplar ambos elementos.
- Es eficaz cuando la frecuencia natural del aislador es inferior a aproximadamente 0,5 veces la frecuencia de excitación.
- Requiere un diseño minucioso para evitar que se produzca una nueva resonancia de baja frecuencia — una Calculadora de aislamiento de vibraciones de máquinas y un Calculadora para la selección de soportes antivibratorios ayuda a dimensionar correctamente los soportes.
Reducir la excitación
- Mejorar calidad de equilibrado para reducir la excitación 1×.
- Utiliza la alineación de precisión para reducir la excitación 2×.
- Solucione los problemas mecánicos que aumentan la amplitud de la fuerza de excitación.
- Esto alivia el síntoma, pero no elimina el potencial de resonancia subyacente.
6. Prevención desde el diseño
Criterios de diseño de cimientos
- Procure que la frecuencia natural de la base sea superior al doble de la frecuencia máxima de funcionamiento (para evitar la resonancia desde arriba).
- O inferior a 0,5 veces la frecuencia mínima de funcionamiento (una cimentación aislada).
- Evita el rango de 0,5–2,0×, donde es probable que se produzca resonancia.
- Incluir el análisis dinámico en la fase de diseño, al igual que en el caso de un rotor velocidades críticas se comprueban en relación con su rango de funcionamiento.
Diseño estructural
- Diseño adecuado rigidez en relación con las frecuencias de excitación.
- Evita las estructuras con poca carga que sean propensas a la resonancia.
- Utiliza nervaduras y refuerzos para aumentar la frecuencia.
- Incorporar amortiguación inherente: materiales compuestos o uniones diseñadas para disipar la energía mediante la fricción.
La resonancia estructural convierte pequeñas fuentes de vibración en problemas graves debido a su gran efecto amplificador. Identificar las resonancias mediante ensayos de impacto y mediciones en funcionamiento, y aplicar después las medidas de mitigación adecuadas —separación de frecuencias, amortiguación, aislamiento o reducción de la excitación— es fundamental para lograr unos niveles de vibración aceptables en cualquier instalación en la que la dinámica estructural influya de manera significativa en el comportamiento general de la máquina.
