Cuando una máquina rotativa alcanza su frecuencia de resonancia, puede provocar daños graves en la máquina (y en la planta), lesiones a los empleados y consecuencias económicas de gran envergadura. Esto debe evitarse a toda costa. Aunque la mayoría de las máquinas rotativas están diseñadas para que la frecuencia de resonancia nunca coincida con la velocidad de la máquina, la resonancia puede producirse de todos modos debido a defectos de diseño, cambios en la velocidad o influencias externas (como la frecuencia natural de los cimientos).
Frecuencias críticas
Cada máquina (configuración) tiene una o más frecuencias naturales; la frecuencia a la que un sistema tiende a vibrar sin que haya presente ninguna fuerza motriz o amortiguadora. Cuando una máquina rotativa está en funcionamiento, se produce una determinada frecuencia de vibración. Cuando esta frecuencia de vibración coincide con la frecuencia natural de la máquina (estructura), se produce resonancia mecánica. En este caso, la máquina vibra intensamente en sintonía con la fuente de vibración, produciendo una vibración amplificada. Las vibraciones amplificadas pueden ser tan intensas que tengan un efecto destructivo sobre la máquina.
Las causas de las vibraciones en las máquinas rotativas pueden variar. Obtenga más información en la sección «Causas de las vibraciones».
Solución
Está claro que debe evitarse la resonancia. Para ello, pueden utilizarse acelerómetros para supervisar la vibración de la máquina. Mediante un transmisor, el acelerómetro puede comunicarse con un PLC, un DCS o un sistema SCADA, lo que permite una actuación rápida y adecuada cuando sea necesario. Es importante conocer las frecuencias críticas (de resonancia), ya que se utilizan para establecer los valores de alarma. Estos valores de alarma tienen por objeto evitar que una máquina rotativa alcance la frecuencia de resonancia.
Se puede encontrar más información sobre los acelerómetros y su uso en las siguientes páginas:
- Prevención de daños en la maquinaria con un sistema de monitorización de vibraciones
- Mediciones de vibraciones con acelerómetros
- 11 consejos para elegir el acelerómetro IEPE industrial adecuado
- Acelerómetros (productos)
Métodos para determinar la frecuencia de resonancia
Existen varios métodos para determinar la frecuencia de resonancia de una máquina. A continuación se analizan los métodos más utilizados.
Prueba de impacto (prueba de choque)
Una prueba de impacto ayuda a determinar las frecuencias críticas de las máquinas. Existen diferentes métodos para realizar una prueba de impacto. Puede ser tan sencillo como dar un golpe al material (la máquina) con un martillo de goma. A continuación, el equipo puede tomar una muestra de unos pocos segundos (gráfico en el dominio del tiempo), que corresponde al período de una rotación de una máquina rotativa. La duración de la muestra depende de las frecuencias de resonancia determinadas. Es importante someter a prueba la máquina en varios puntos; las mediciones deben realizarse tanto en el punto de accionamiento como en el punto de transferencia para determinar la frecuencia de resonancia de la máquina. Para esta prueba, la máquina debe estar fuera de servicio a fin de evitar datos incorrectos y facilitar la determinación de la frecuencia natural de la máquina.
Prueba de aceleración/deceleración
En el denominado «pico de retención en desaceleración», la vibración se supervisa desde el momento en que la máquina está en funcionamiento hasta su parada. Sin resonancia, se espera que el nivel de vibración se mantenga constante. Si el nivel de vibración aumenta durante la parada, la velocidad a la que aumenta la amplitud puede indicar la frecuencia natural. Además de esta prueba, existe la «fase de pico en deceleración», más exhaustiva, en la que se miden tanto el nivel de vibración como el desplazamiento de fase de la máquina. De este modo, se puede identificar la frecuencia natural (resonante), que se sitúa en el centro del desplazamiento de fase de 180 grados.
Fórmula para la frecuencia natural
Un tercer método consiste simplemente en calcular la frecuencia natural mediante una fórmula. Sin embargo, esto no es tan sencillo como la fórmula podría sugerir. Para calcular la frecuencia natural (ωn) de una máquina, deben conocerse los parámetros de rigidez (k) y masa (m). A menudo, este no es el caso. En particular, determinar la rigidez de una estructura resulta muy difícil. Además, la frecuencia natural cambia cuando varía uno de los dos parámetros. Por lo tanto, este método rara vez se utiliza.
Modificación de la frecuencia natural
La frecuencia natural puede modificarse, por ejemplo, cambiando la rigidez o la masa de la máquina. Al aumentar la masa o disminuir la rigidez, la frecuencia natural disminuirá. Por el contrario, una disminución de la masa y un aumento de la rigidez incrementarán la frecuencia natural.
No siempre es posible modificar uno de los parámetros (rigidez o masa). En este caso, se puede modificar la velocidad a la que gira la máquina. Sin embargo, a menudo esto no es una opción; una máquina gira a una velocidad determinada por una razón. También existe la opción de instalar un amortiguador dinámico en la máquina, lo que sirve para reducir significativamente los niveles de vibración.
Dado que es una de las causas más comunes de vibraciones extraordinarias en las máquinas, es importante evitar el funcionamiento dentro de la frecuencia de resonancia. Para determinar esta frecuencia, es necesaria una medición precisa que permita identificar la frecuencia natural. Además de la resonancia, el desequilibrio, la desalineación o los componentes dañados suelen desempeñar un papel importante en la aparición de un comportamiento vibratorio anómalo.
