Monitoreo de Condición: Resonancia y frecuencia natural

Resonancia y frecuencia natural

¿Alguna vez has intentado balancear un ventilador y su vibración no baja, sin importar lo que hagas? Esto posiblemente es causado por resonancia.

Tres consejos para diagnosticar la resonancia y seis formas de corregirla a continuación.

Datos

La resonancia es responsable del 40% de los casos recurrentes de desbalance y, a pesar de ser tan fácil de diagnosticar, es también una de las fallas más ignoradas.

Entre las fallas más comunes, la resonancia tiene la mayor fuerza destructiva. Es también la antagonista del 90% de las fracturas estructurales debidas a fatiga de material y soldaduras, así como de la reducción de la vida útil de los rodamientos causada por sobrecarga.

Definición de frecuencia natural

Para entender la resonancia, primero necesitamos entender qué es la frecuencia natural. La definición es algo así:

La frecuencia natural es la frecuencia a la que un objeto continuará vibrando después de ser golpeado. Esto no podría ser más claro.

Todos los objetos y sistemas mecánicos tienen una frecuencia natural. Incluso pueden tener muchas frecuencias naturales dependiendo de su geometría.

¡AHORA! ¿Qué sucede cuando excitas ese objeto a la misma frecuencia que su frecuencia natural? Pues bien, eso es resonancia.

Definición de resonancia

La resonancia es un fenómeno que amplifica una vibración. Ocurre cuando una vibración se transmite a otro objeto cuya frecuencia natural es igual o muy cercana a la de la fuente.

También consulta la definición de Wikipedia.

Ejemplos

Observa el ejemplo de un péndulo.

Cuando empujo el péndulo, la energía que aplico no se pierde de inmediato. En cambio, permanece en forma de movimiento del péndulo que se va perdiendo gradualmente. Si lo empujo una vez en cada ciclo, esa nueva energía se acumula a la energía que ya estaba en el péndulo en forma de movimiento, igual que cuando empujas a tu pequeño en el columpio.

Observa el caso contrario. Cuando estimulo el péndulo a una frecuencia diferente, estaré luchando contra la energía que ya estaba acumulada; por lo tanto, no se añadirá energía a la existente.

Algo muy similar ocurre en las máquinas rotativas. Cuando la velocidad de un motor se acerca a su frecuencia natural, resonará. Así, cualquier vibración debida al desbalance, por pequeña que sea, se amplificará. De esta manera, pequeñas masas causarán cambios sorprendentes en la vibración.

Por último, como si todo esto no fuera suficiente, la vibración de una máquina no se comporta de forma lineal. La cantidad de vibración produce pequeños cambios estructurales que modifican momentáneamente la frecuencia natural y el amortiguamiento, haciendo que se comporte de manera ligeramente diferente a distintos niveles de vibración. Todo esto complica el balanceo.

Aprende a diagnosticar la resonancia

La resonancia es fácil de diagnosticar; sin embargo, es importante saber cómo detectarla. Una máquina, durante su operación, irá aumentando gradualmente su vibración. La resonancia hará que la vibración aumente repentinamente cuando la máquina alcanza su velocidad final. Lo mismo ocurre en el “enfriamiento”: cuando las RPM se alejan un poco de la frecuencia natural, la vibración disminuye de inmediato.

Existen tres tipos de pruebas que puedes realizar para diagnosticar la resonancia.

Prueba de arranque y paro | Resonancia

Esta prueba se realiza registrando la vibración durante el paro de la máquina. Confirma que efectivamente la vibración disminuye drásticamente en los primeros segundos.

Prueba de Paro

Prueba de golpe | Frecuencia natural

En la “prueba de golpe” se registra la vibración después de golpear la máquina. En el espectro, se observarán entonces las frecuencias resonantes de la estructura. Puedes confirmar el diagnóstico con un 95% de certeza si alguna de esas frecuencias está cerca de la velocidad de rotación (asegúrate de conocer con certeza la velocidad de rotación). Por lo general, este estudio es suficiente para diagnosticar la resonancia; sin embargo, existe otra prueba en caso de necesitar una prueba confirmatoria.

Prueba de Golpe

FFT de la Prueba de Golpe de Resonancia

Diagrama de Bode en el análisis de resonancia

Un diagrama de Bode es una prueba de paro o arranque que integra la vibración y las RPM medidas por un tacómetro o sensor de RPM. Esta prueba calcula la FFT y la fase relacionada con la señal de RPM en cada intervalo de tiempo. Esta prueba confirma la resonancia al observar un cambio de fase de 180° entre los momentos antes y después de cruzar la frecuencia sospechada.

Corregir la resonancia

La buena noticia es que el fenómeno de resonancia es fácil de corregir. Simplemente aleja la frecuencia natural de la frecuencia de excitación.

Las acciones correctivas se dividen en dos:

Modificar la frecuencia natural

Puedes aumentar la frecuencia natural incrementando la rigidez de la estructura. Asegúrate de reforzar la estructura en la misma dirección de la frecuencia natural. Esta es la solución más común para evitar cambiar el rendimiento de la máquina.

También puedes disminuir la frecuencia natural reduciendo la rigidez de la estructura. No es tan común, pero es igualmente posible y efectivo, siempre que no se comprometa el rendimiento de la máquina.

Puedes disminuir la frecuencia natural añadiendo masa. Cambiar la masa de una estructura cambiará su frecuencia natural y, por lo tanto, también la alejará de su velocidad de rotación.

También puedes aumentar la frecuencia natural eliminando masa. Esta es la acción menos frecuente, pero es igualmente efectiva.

Modificar las RPM para alejarlas de la frecuencia natural

Si un variador controla la velocidad del motor, entonces cambia las RPM. Es lo más sencillo de hacer. En el caso de tener una transmisión por correa/polea, cambiar el diámetro de la polea podría ser la solución. En cualquier caso, es importante verificar que el rendimiento de la máquina siga siendo suficiente para sus funciones y, por supuesto, que el consumo de corriente no exceda la recomendación del fabricante.

Digivibe MX®

Es tu elección: ya sea que balancees con tu computadora o con tu smartphone, nuestras aplicaciones gratuitas para el balanceo tienen la misma calidad.

Explora nuestros analizadores de vibraciones