Comprensión del análisis torsional
Análisis torsional es la medición, la evaluación y la modelización de vibración torsional — oscilaciones torsionales alrededor del eje — en los sistemas de transmisión de la maquinaria rotativa. A diferencia de vibración lateral (flexión), que se lee directamente con los acelerómetros fijado a una carcasa de cojinete, el movimiento de torsión no produce desplazamiento lateral alguno y, por lo tanto, resulta imperceptible para los análisis de vibraciones. Para detectarlo se requieren técnicas especializadas: galgas extensométricas, tacómetros dobles o láser vibrometry — junto con un análisis para determinar las frecuencias naturales de torsión y evaluar fatiga riesgos en ejes, acoplamientos y engranajes.
Esta disciplina es fundamental para los accionamientos de motores alternativos, los ejes de transmisión largos, las cajas de cambios de alta potencia y los sistemas de motores con variadores de frecuencia (VFD), en los que las vibraciones torsionales pueden provocar fallos repentinos y catastróficos en el eje o el acoplamiento, incluso cuando las vibraciones laterales severidad de vibración Parece perfectamente aceptable. Se trata de una capacidad especializada, pero esencial, para prevenir ese tipo de averías inesperadas que la supervisión habitual nunca logra detectar.
1. Por qué es necesario el análisis torsional
Vibración torsional frente a vibración lateral
Los dos movimientos son mecánicamente independientes, y esa independencia es precisamente la razón por la que existe una disciplina distinta:
- Lateral: movimiento de flexión y oscilación lateral del eje y los cojinetes — que se puede registrar fácilmente con un acelerómetro estándar o sonda de proximidad.
- Torsional: girando alrededor del eje de rotación, sin que se detecte ningún desplazamiento lateral, lo que lo hace invisible para los sensores de montaje convencional.
- Independencia: Una máquina puede sufrir fuertes vibraciones torsionales aunque presente bajos niveles de vibración lateral, y viceversa: ambos fenómenos no están relacionados entre sí.
- Daños: Las vibraciones torsionales pueden provocar la rotura de ejes y acoplamientos sin que las mediciones laterales den ningún indicio previo, y precisamente por eso son tan peligrosas.
Modos de fallo característicos
Dado que la excitación torsional ejerce una tensión de cizallamiento cíclica sobre la línea de transmisión, sus fallos presentan una firma característica:
- Fracturas por fatiga del eje: por lo general, una rotura limpia orientada aproximadamente a 45° con respecto al eje del árbol, que es el plano de máxima tensión de cizallamiento.
- Fallo del elemento de acoplamiento: dientes de los engranajes agrietados en los acoplamientos de engranajes, o elementos flexibles rotos en los acoplamientos elastoméricos y de discos.
- Rotura de los dientes de los engranajes: impulsado por cargas oscilantes y alternas en los dientes, en lugar de por un par constante.
- Daños en la chaveta y el chavetero: el roce y el aflojamiento a medida que la unión se mueve hacia adelante y hacia atrás debido a la torsión alterna.
2. Técnicas de medición
Dado que no hay ninguna superficie adecuada hacia la que apuntar un sensor, han surgido cuatro métodos prácticos que sopesan la precisión frente al coste y el rango de frecuencias.
Método de galgas extensométricas
La vía más directa: medir la tensión torsional en su origen:
- Las galgas extensométricas se fijan en un ángulo de 45° con respecto al eje del árbol, la orientación que permite registrar la máxima tensión de cizallamiento.
- Miden la deformación por cizallamiento producida por la torsión, que se traduce directamente en par y tensión alterna.
- Un eje giratorio requiere el uso de anillos colectores o de una conexión inalámbrica telemetría para captar la señal del elemento giratorio.
- Es el método más preciso, pero también el más complejo y costoso, por lo que se utiliza principalmente en trabajos de investigación y desarrollo.
Método del tacómetro doble
- Dos sensores ópticos —normalmente dos tacómetros láser — están orientados hacia diferentes puntos axiales del eje.
- El instrumento mide el valor instantáneo fase diferencia entre las dos estaciones.
- Esa diferencia de fase corresponde a la torsión angular del eje entre ambos, que es precisamente la vibración torsional.
- Es un método sin contacto y realmente práctico sobre el terreno, pero suele limitarse a componentes torsionales de baja frecuencia, por debajo de unos 100 Hz.
Vibrómetro torsional láser
- Un sistema láser Doppler especializado dirigido hacia la superficie del eje.
- Mide directamente las fluctuaciones de la velocidad angular, sin necesidad de preparar el eje.
- Sin contacto, con un amplio rango de frecuencias de uso.
- Instrumentación potente, pero costosa, reservada para investigaciones exigentes.
Análisis de la corriente del motor
- La vibración torsional de un tren propulsado por motor modula la carga y, por lo tanto, provoca pequeñas fluctuaciones en la corriente del motor.
- Análisis de la corriente del motor espectro revela esas fluctuaciones de forma indirecta.
- Es totalmente no invasivo: ningún sensor se acerca en absoluto al eje.
- Es mejor considerarla como una herramienta de cribado que señala un problema que conviene confirmar mediante un método directo.
3. Análisis analítico de torsión
La medición te indica lo que está haciendo una máquina en este momento; el modelado te indica lo que hará en todo su rango de velocidades y permite a los ingenieros resolver el problema antes de que se corte el metal.
Modelización matemática
- El tren de transmisión se reduce a un modelo torsional de masas concentradas: discos de inercia conectados por resortes torsionales (las secciones del eje y los acoplamientos).
- A partir de ahí, se calculan las frecuencias naturales de torsión.
- El modelo predice la respuesta a cada fuente de excitación e identifica la torsión velocidades críticas y resonancias.
Fuentes de excitación
Las resonancias torsionales solo se vuelven peligrosas cuando algo las excita a la frecuencia adecuada. Los causantes habituales son:
- Motores alternativos: los impulsos de encendido de cada cilindro generan una fuerte excitación torsional en los órdenes del motor.
- Gear mesh: El engranaje de los dientes genera un par oscilante en el frecuencia de engrane.
- VFD: La conmutación PWM genera armónicos que pueden coincidir con un modo torsional.
- Eléctrico: motor pole-passing y frecuencias de deslizamiento añadir más fuerza de torsión.
El diagrama de Campbell para la torsión
La herramienta gráfica habitual para relacionar las frecuencias con la velocidad es el Diagrama de Campbell:
- Las frecuencias naturales de torsión se representan gráficamente en función de la velocidad de funcionamiento.
- Se superponen las líneas de orden de excitación (1×, 2×, orden de disparo, orden de malla).
- Cuando una línea de orden cruza una frecuencia natural, se produce una velocidad crítica de torsión, es decir, un punto de interferencia que debe evitarse.
- A partir de ahí, el gráfico sirve de guía para elegir las velocidades de funcionamiento y las bandas restringidas. Se puede trazar el mismo mapa de interferencias para una línea de transmisión determinada con el Calculadora de diagrama de Campbell.
4. Aplicaciones críticas
El análisis torsional no es necesario en todos los casos, pero en algunas familias de máquinas es prácticamente obligatorio.
- Accionamientos con motor alternativo: grupos electrógenos diésel, compresores de motor de gas y sistemas de propulsión naval, donde las grandes fluctuaciones de par hacen que el análisis sea imprescindible.
- Ejes de transmisión largos: accionamientos de laminadoras, ejes de hélice para buques y accionamientos de máquinas de papel, en los que la gran longitud reduce la rigidez torsional y hace que las frecuencias naturales caigan dentro del rango de funcionamiento.
- Cajas de engranajes de alta potencia: cajas de engranajes para aerogeneradores y reductores industriales de más de 1 000 CV, en los que la excitación por el engranaje puede provocar un modo torsional.
- Sistemas de motores con variador de frecuencia: una preocupación cada vez mayor a medida que se generaliza el uso de los variadores, ya que los armónicos del PWM pueden provocar resonancias torsionales que un motor de velocidad fija nunca provocaría.
5. Interpretación de los resultados
Un estudio de torsión genera tres resultados que, en conjunto, determinan si es seguro poner en funcionamiento un tren de transmisión.
Frecuencias naturales torsionales
- Determinado a partir de mediciones, cálculos o ambos.
- Comparado con todas las frecuencias de excitación fiables.
- Se ha comprobado que la separación sea adecuada: un margen suficiente entre la frecuencia modal y la frecuencia de excitación en todo el rango de funcionamiento.
niveles de estrés
- La tensión de cizallamiento alterna se calcula a partir de la amplitud de torsión medida.
- Se compara con el límite de resistencia (a la fatiga) del material.
- Se calcula la parte de la vida útil por fatiga que se consume por hora o por arranque.
- La conclusión es la siguiente: ¿son aceptables las tensiones para la vida útil requerida?
Mojadura
- Se mide a partir de la nitidez de la respuesta en cada resonancia torsional.
- Torsión mojadura suele ser muy baja, a menudo inferior al 1 % del valor crítico.
- Una baja amortiguación se traduce en picos de resonancia altos y estrechos y en una gran amplificación si un orden de excitación coincide con un modo.
6. Estrategias de mitigación
Cuando el análisis detecta un problema, se dispone de tres medidas, que suelen aplicarse en este orden de preferencia.
Separación de frecuencias
- Alejar los modos naturales de torsión de todas las frecuencias de excitación.
- Ajustar el diámetro o la longitud del eje, o cambiar el acoplamiento torsional rigidez, para reajustar los modos.
- Modificar las inercias —por ejemplo, añadiendo un volante de inercia— para alterar las frecuencias naturales.
Adding Damping
- Instale un amortiguador torsional (de tipo viscoso o de fricción) para disipar la energía de la resonancia.
- Utilice acoplamientos flexibles de alta amortiguación en lugar de los rígidos.
- Ambos reducen la amplificación en resonancia, incluso cuando es imposible lograr una separación perfecta.
Cambios en la velocidad de funcionamiento
- Evite el funcionamiento continuo a velocidades críticas de torsión identificadas.
- Definir y hacer cumplir bandas de velocidad restringidas que la máquina atraviese rápidamente.
- En un variador de frecuencia, ajuste el variador para minimizar la excitación en los armónicos problemáticos.
7. Análisis torsional en el marco de un programa de campo
El trabajo de torsión es una tarea especializada, pero no es independiente: se realiza junto con los controles rutinarios de equilibrado y vibraciones laterales que mantienen en buen estado el tren de transmisión, y una imagen lateral limpia constituye la referencia frente a la cual destaca cualquier anomalía torsional. En la práctica diaria sobre el terreno, un ingeniero comprueba en primer lugar que el rotor esté bien equilibrado y que 1× desequilibrar está bajo control, ya que el desequilibrio residual y desalineación añaden su propia variación de par a la línea. Un instrumento portátil de dos canales como el Balanset-1A se encarga de ese aspecto en las instalaciones: mide la amplitud y la fase de 1×, equilibra el rotor en sus propios cojinetes y comprueba desequilibrio residual — de modo que cualquier energía de torsión residual pueda atribuirse claramente a fuentes de torsión reales, en lugar de a una falla lateral que se haga pasar por tal. Una vez equilibrado y alineado el rotor, una medición específica de la torsión (mediante un tacómetro doble o un extensómetro) permite aislar el comportamiento torsional real.
En resumen, el análisis torsional es una disciplina especializada en vibraciones centrada en las oscilaciones de torsión que pueden provocar fallos catastróficos invisibles para los sistemas de monitorización lateral estándar. Aunque requiere métodos de medición y modelización específicos, resulta indispensable para los accionamientos de motores alternativos, los ejes largos, las cajas de cambios de alta potencia y los sistemas de variadores de frecuencia, donde las vibraciones torsionales suponen un riesgo real para la fiabilidad y la seguridad.
