Comprensión de la vibración torsional en maquinaria rotativa
Vibración torsional es la oscilación angular de un eje giratorio alrededor de su propio eje: un movimiento de torsión y destorsión en el que diferentes secciones del eje giran momentáneamente a velocidades ligeramente diferentes. A diferencia de vibración lateral (movimiento de lado a lado) o vibración axial (movimiento de vaivén a lo largo del eje), la vibración torsional no implica ningún desplazamiento lineal; el eje simplemente acelera y desacelera en torno a la rotación media, experimentando una aceleración angular que alterna entre positiva y negativa. Aunque sus amplitudes suelen ser mucho menores que las de la vibración lateral y es muy difícil de detectar, puede generar enormes tensiones alternas en ejes, acoplamientos y engranajes, y es uno de los pocos modos de fallo que pueden destruir un tren de transmisión casi sin previo aviso.
1. El mecanismo físico
Cómo se produce la vibración torsional
La forma más sencilla de imaginar este mecanismo es como un sistema de masa y resorte enrollado alrededor del eje de rotación:
- Imagine un eje largo que conecta un motor a una carga accionada.
- El eje se comporta como un resorte de torsión, acumulando y liberando energía al torcerse.
- Cuando un par variable lo altera, el eje oscila, con secciones que giran a una velocidad superior o inferior a la media.
- Estas oscilaciones se intensifican drásticamente si la frecuencia de excitación coincide con una frecuencia natural de torsión —una torsional resonancia.
Frecuencias naturales torsionales
Todo sistema de ejes tiene frecuencias naturales de torsión determinadas por:
- Rigidez torsional del eje: depende del diámetro y la longitud del eje, así como del módulo de cizallamiento del material.
- Inercia del sistema: los momentos de inercia de los componentes giratorios conectados: el rotor del motor, los acoplamientos, los engranajes y la carga.
- Modos múltiples: Los sistemas de transmisión complejos tienen varias frecuencias naturales de torsión, no solo una.
- Efectos de acoplamiento: Los acoplamientos flexibles añaden flexibilidad torsional, reduciendo las frecuencias naturales.
Dado que estas frecuencias dependen únicamente de la rigidez y la inercia —y nunca de los cojinetes ni de la base—, una máquina que sea mecánicamente silenciosa en el sentido radial puede seguir estando expuesta a una peligrosa resonancia torsional.
2. Causas principales de la vibración torsional
1. Par variable de los motores alternativos
La fuente más común en muchas aplicaciones:
- Motores diésel y de gasolina: Cada ciclo de combustión genera un impulso de par en lugar de un empuje suave.
- Orden de encendido: genera armónicos de la velocidad del motor.
- Número de cilindros: Un menor número de cilindros produce una mayor variación del par por revolución.
- Riesgo de resonancia: la velocidad de funcionamiento puede coincidir con una frecuencia natural torsional velocidad crítica.
2. Fuerzas de engranaje
Los sistemas de engranajes generan, por naturaleza, excitación torsional:
- En frecuencia de engrane (número de dientes × RPM) genera un par oscilante.
- A esto se suman los errores en el espaciado entre dientes y las imprecisiones en el perfil.
- Gear backlash puede provocar cargas de impacto al separarse y volver a acoplarse los dientes.
- Las etapas de engranajes múltiples dan lugar a sistemas torsionales complejos y multimodo.
3. Problemas con el motor eléctrico
Los motores eléctricos pueden generar perturbaciones torsionales por sí mismos:
- Frecuencia de paso de polos: La interacción entre el rotor y el estátor crea un par pulsante.
- Barras de rotor rotas: generar impulsos de par en el frecuencia de deslizamiento.
- Variadores de frecuencia (VFD): La conmutación PWM puede excitar directamente los modos de torsión.
- Transitorios de arranque: El arranque de un motor provoca grandes oscilaciones de par a medida que el rotor acelera.
4. Variaciones de carga del proceso
Las variaciones en la carga del equipo accionado devuelven impulsos de par al sistema de transmisión:
- Compresor sobretensión events.
- Bomba cavitación provocando picos de par.
- Cargas cíclicas en trituradoras, molinos y prensas.
- Blade-passing fuerzas en los ventiladores y las turbinas.
5. Problemas de acoplamiento y transmisión
- Acoplamientos desgastados o dañados que presenten holgura o juego — véase defectos de acoplamiento.
- Juntas universales que funcionan en ángulo, lo que genera una excitación torsional de 2×.
- Deslizamiento y vibraciones en la transmisión por correa.
- Mecanismo de polígonos con transmisión por cadena.
3. Retos en materia de detección y medición
¿Por qué es difícil detectar la vibración torsional?
A diferencia de la vibración lateral, la vibración torsional no aparece en el conjunto de herramientas estándar:
- Sin desplazamiento radial: ordinary acelerómetros en los soportes de los cojinetes simplemente no pueden detectar un movimiento puramente torsional.
- Pequeñas amplitudes angulares: Las amplitudes típicas son fracciones de grado.
- Equipo especializado necesario: se necesitan sensores de torsión específicos o análisis sofisticados.
- A menudo se pasa por alto: rara vez forma parte de una rutina monitorización de vibraciones programa, por lo que el primer síntoma suele ser un fallo.
Métodos de medición
1. Galgas extensométricas
- Montado en un ángulo de 45° con respecto al eje del árbol para medir la deformación por cizallamiento.
- Require a telemetría sistema para transmitir la señal desde el eje giratorio.
- Proporciona una medición directa de la tensión torsional.
- Es el método más preciso, pero también el más complejo y costoso.
2. Sensores de vibración torsional de doble sonda
- Dos sensores ópticos o magnéticos miden la velocidad en diferentes ubicaciones del eje.
- La diferencia de fase entre las dos señales revela la vibración torsional.
- Medición sin contacto.
- Se puede instalar de forma temporal o permanente.
3. Vibrómetros torsionales láser
- Medición óptica de las variaciones de la velocidad angular del eje.
- Sin contacto y sin necesidad de preparar el eje.
- Es caro, pero muy útil para solucionar problemas.
4. Indicadores indirectos
- El análisis de la firma de corriente del motor (MCSA) puede revelar problemas de torsión desde el punto de vista eléctrico.
- Patrones de desgaste de los acoplamientos y los dientes de los engranajes.
- Eje fatiga-ubicación y orientación de las grietas.
- Patrones de vibración lateral inusuales que pueden estar acoplados con modos torsionales
4. Consecuencias y mecanismos de daño
Fallos por fatiga
El principal peligro de las vibraciones torsionales es la fatiga de alto ciclo:
- Fallos en el eje: Las grietas por fatiga suelen discurrir en un ángulo de 45° con respecto al eje del árbol, a lo largo de los planos de máxima tensión de cizallamiento.
- Fallos en los acoplamientos: el desgaste de los dientes de los acoplamientos dentados y la fatiga de los elementos flexibles.
- Rotura de los dientes de los engranajes: acelerado por la oscilación torsional, lo que contribuye a defectos de engranajes.
- Daños en la chaveta y el chavetero: fretting y desgaste debido al par que cambia constantemente de sentido.
Características de los fallos torsionales
- A menudo repentinas y catastróficas, sin previo aviso.
- Las superficies de fractura forman un ángulo de aproximadamente 45° con respecto al eje del árbol.
- Marcas en forma de playa en la superficie de fractura que muestran la progresión de la grieta por fatiga.
- Puede ocurrir incluso cuando los niveles de vibración lateral son perfectamente aceptables; de ahí que los problemas de torsión pasen tan a menudo desapercibidos.
Problemas de rendimiento
- Problemas de control de velocidad en accionamientos de precisión.
- Desgaste excesivo en las cajas de engranajes y los acoplamientos.
- Ruido provocado por el traqueteo de los engranajes y los golpes del acoplamiento.
- Ineficiencia en la transmisión de potencia.
5. Análisis y modelización
Análisis torsional durante el diseño
El diseño de sonido requiere un dedicado análisis torsional:
- Cálculo de la frecuencia natural: determinar todas las velocidades críticas de torsión.
- Análisis de respuesta forzada: predecir las amplitudes de torsión en condiciones de funcionamiento.
- Diagrama de Campbell: a Diagrama de Campbell representa gráficamente las frecuencias naturales de torsión en función de la velocidad de funcionamiento para poner de manifiesto las coincidencias.
- Análisis de tensiones: calcular las tensiones de cizallamiento alternantes en los componentes críticos.
- Predicción de la vida útil frente a la fatiga: calcular la vida útil de los componentes sometidos a cargas de torsión — una calculadora de vida útil por fatiga convierte la tensión alterna y una curva S-N en un número previsto de ciclos.
Herramientas de software
El software especializado se encarga de los análisis más complejos:
- Modelos de masas concentradas con inercia múltiple.
- Análisis torsional por el método de los elementos finitos.
- Simulación en el dominio del tiempo de fenómenos transitorios, como arranques de motores y cortocircuitos.
- Análisis armónico en el dominio de la frecuencia.
6. Métodos de mitigación y control
Soluciones de diseño
- Márgenes de separación: mantener las frecuencias naturales de torsión a una distancia de al menos ±20 % respecto a las frecuencias de excitación.
- Mojadura: incorporar amortiguadores de torsión (de tipo viscoso o por fricción) para disipar la energía — la aplicación práctica de la mecánica mojadura.
- Acoplamientos flexibles: aumentar la flexibilidad torsional para reducir las frecuencias naturales por debajo del rango de excitación.
- Mass tuning: Añade volantes de inercia o modifica las inercias para cambiar las frecuencias naturales.
- Cambios en la rigidez: modificar los diámetros de los ejes o la rigidez del acoplamiento.
Soluciones operativas
- Límites de velocidad: Evite el funcionamiento continuo a una velocidad crítica de torsión.
- Aceleración rápida: superar rápidamente las velocidades críticas durante el arranque.
- Gestión de la carga: Evite las condiciones de funcionamiento que exciten los modos de torsión.
- VFD tuning: ajustar los parámetros del accionamiento para minimizar la excitación torsional.
Selección de componentes
- Acoplamientos de alta amortiguación: acoplamientos elastoméricos o hidráulicos que absorben la energía de torsión.
- Amortiguadores torsionales: dispositivos diseñados específicamente para accionamientos de motores alternativos.
- Calidad del engranaje: Los engranajes de precisión con tolerancias estrictas reducen la excitación en el origen.
- Material del eje: Materiales de alta resistencia a la fatiga para ejes críticos a la torsión
7. Aplicaciones y normas del sector
Aplicaciones críticas
El análisis torsional es especialmente importante para:
- Accionamientos con motor alternativo: generadores diésel y compresores de motor de gas.
- Ejes de transmisión largos: propulsión naval y laminadoras.
- Cajas de engranajes de alta potencia: aerogeneradores y transmisiones industriales.
- Variadores de velocidad: Aplicaciones de motores con variador de frecuencia y servosistemas.
- Sistemas de múltiples cuerpos: sistemas de transmisión complejos con varias máquinas conectadas.
Normas relevantes
- API 684: dinámica de rotores, incluidos los procedimientos de análisis torsional.
- API 617: requisitos de torsión para compresores centrífugos.
- API 672: análisis torsional de compresores alternativos compactos.
- ISO 22266: vibraciones torsionales de la maquinaria rotativa.
- VDI 2060: vibraciones torsionales en los sistemas de transmisión.
8. Relación con otros tipos de vibración
Aunque se distingue de la vibración lateral y axial, la vibración torsional no siempre se limita a su propio ámbito, sino que puede acoplarse a los demás modos:
- Acoplamiento lateral-torsional: En determinadas geometrías, los modos torsionales y laterales interactúan e intercambian energía.
- Gear mesh: La vibración torsional modifica las cargas sobre los dientes, lo que a su vez provoca una vibración lateral.
- Juntas universales: angular desalineación convierte una entrada de torsión en una salida lateral.
- Reto diagnóstico: Una firma vibratoria compleja puede incluir contribuciones de varios tipos de vibraciones a la vez, por lo que una avería que se resiste al equilibrado o a la alineación a veces resulta ser de origen torsional.
En el trabajo de campo habitual, la lección práctica es que detrás de unas lecturas radiales nítidas se esconden problemas de torsión. Cuando se utiliza un analizador portátil como el Balanset-1A confirma que 1X desequilibrar y desalineación Si, a pesar de estar dentro de los límites de tolerancia, el sistema de transmisión sigue sufriendo fallos repetidos en el eje, el acoplamiento o los engranajes, el siguiente paso lógico es realizar un análisis de las vibraciones torsionales. Comprender y controlar las vibraciones torsionales es esencial para el funcionamiento fiable de los sistemas de transmisión de potencia: aunque en la supervisión rutinaria se les presta menos atención que a las vibraciones laterales, resultan fundamentales durante el diseño y la resolución de problemas de transmisiones de alta potencia o de precisión, donde los fallos torsionales pueden tener consecuencias catastróficas.
