Resonancia y Vibración | ¿Cómo Afecta la Resonancia a la Vibración?

Resonance and Vibration: Definitions, Relationships, Causes, and Effects

En entornos industriales, la resonancia y la vibración han demostrado ser mucho más peligrosas de lo que podrían parecer a primera vista. Aunque el ingeniero pueda haber asumido que tuvo en cuenta estas fuerzas, está claro que es fácil subestimar cómo estos movimientos aparentemente pequeños pueden poner a los operadores en serios problemas. Veremos estos conceptos, la relación entre ellos y lo que significan en última instancia para los activos de su maquinaria.

Es importante entender que cada máquina y estructura de soporte en su planta tendrá una frecuencia o frecuencias naturales. La masa y la rigidez determinarán las frecuencias de resonancia dentro de la máquina y las estructuras de soporte.

Entonces, ¿qué es la resonancia? Fuerzas oscilantes que hacen que una máquina o estructura vibre a su frecuencia natural.

La resonancia también puede considerarse como la excitación de una frecuencia natural.

Cualquier fuente de vibración puede producir resonancia si coincide con la frecuencia natural del objeto:

1-En el arranque o parada de una máquina, la fuerza desequilibrada puede excitar frecuencias naturales que pueden existir en o por debajo de la velocidad de funcionamiento de la máquina.

2-A medida que los cojinetes se desgastan, la rigidez del sistema cambia, lo que podría resultar en un cambio de la frecuencia natural que coincida con una de las funciones de forzamiento de la máquina, lo que resulta en resonancia.

3-Si un rotor (eje) está desalineado o tiene una grieta, cambiará la rigidez del sistema, lo que cambiará la frecuencia natural. Si la frecuencia natural coincide con una de las funciones de forzamiento de la máquina (por ejemplo, fuerza de desequilibrio, velocidad de paso de las palas, fuerzas de engranaje, etc.), esto resultará en resonancia.

4-La estructura que soporta la máquina también puede afectar la rigidez del sistema de la máquina. Si la estructura no es adecuada o comienza a deteriorarse (por ejemplo, óxido, pernos sueltos, concreto o estructura agrietada, etc.), la rigidez del sistema cambiará, lo que podría resultar en resonancia.

Un Vistazo Más Profundo a la Resonancia

Cuando nos referimos a resonancia, estamos hablando de cómo un objeto o sistema se ve afectado por una fuerza oscilante a la frecuencia natural del sistema. En este caso, los sistemas son las máquinas rotativas o reciprocantes dentro de su planta. La resonancia mecánica es a menudo el vínculo perdido cuando se pregunta por qué han fallado las precauciones cuidadosas de balanceo y alineación. Cada objeto tiene sus propias frecuencias naturales a las que están sujetos a la vibración resonante, y no siempre se necesita un gran cambio en el sistema antes de que se empiecen a ver los efectos de vibraciones más fuertes.

Puede parecer lógico mantenerse lo más alejado posible de las frecuencias naturales de un objeto, pero esto es difícil de lograr. La mayoría de los diseñadores de máquinas intentan mantener las funciones de forzamiento de una máquina (por ejemplo, la velocidad de funcionamiento, el número de palas de ventilador o palas de impulsor multiplicado por la velocidad de funcionamiento, las frecuencias de malla de engranajes, etc.) al menos un 20 por ciento alejadas de las frecuencias naturales de la máquina. A medida que se acerca a la frecuencia natural, sea cual sea, incluso el cambio más pequeño e inesperado en la función de forzamiento o en la rigidez puede hacer que la máquina entre en resonancia. Se utiliza la regla del 20 por ciento porque las frecuencias naturales pueden tener un rango amplio, dependiendo de la rigidez del sistema, y de cómo la rigidez del sistema puede cambiar con el tiempo (por ejemplo, desgaste de los cojinetes, cambios en la lubricación, cambios de alineación, cambios estructurales, etc.).

Una comprensión común: Si alguna vez ha estado cantando en la ducha y golpeó una nota que es más fuerte que las demás, acaba de encontrar la frecuencia natural de su ducha. O mejor aún, afine una cuerda de guitarra y tóquela una y otra vez y obtendrá el mismo sonido. Esa es la frecuencia natural de la cuerda.

Resonancia y Vibración

Las oscilaciones tienen una forma de aparecer de repente, particularmente cuando un movimiento se ve reforzado por otro. Por eso, puede ver que un puente se cierra solo unas pocas semanas (o incluso días) después de su construcción. La estructura puede estar diseñada para soportar a 2,000 personas con condiciones ambientales calculadas (subestimando los vientos máximos y los ciclos térmicos), pero la fuerza combinada del movimiento de todos los peatones puede hacer que comience a tambalearse cuando solo hay 1,000 personas en él. Es por eso que las unidades del ejército no están autorizadas a caminar en paso mientras cruzan un puente, ya que pueden crear una función de forzamiento que coincide con la frecuencia natural del puente, lo que puede provocar la falla del mismo.

¿Cómo afecta la resonancia a la vibración?

La vibración de la maquinaria es una relación entre fuerzas y rigideces. Ya sea que los cambios en las fuerzas o los cambios en las rigideces puedan afectar la amplitud de la vibración. Si la frecuencia de vibración coincide con la frecuencia natural de la máquina, solo el amortiguamiento inherente en la máquina (estructura) restringirá la amplitud de la vibración. En las máquinas con cojinetes de película fluida, la rigidez del amortiguador proviene de la cuña de fluido que se desarrolla en los cojinetes que soportan el rotor. La cuña de fluido actúa como un amortiguador de choques, amortiguando la vibración. En las máquinas con rodamientos de elementos rodantes, la cuña de fluido en cada uno de los elementos rodantes generalmente no es suficiente para proporcionar un amortiguamiento adecuado. Es por eso que la mayoría de las máquinas con rodamientos de elementos rodantes operan a menos de su frecuencia natural (primera resonancia de balance), siguiendo la regla del 20 por ciento mencionada anteriormente.

El Problema de la Frecuencia

¿Cuál es la diferencia entre resonancia y vibración? No es que haya una diferencia entre resonancia y vibración, sino que la resonancia ocurre cuando la función de forzamiento (vibración) de la máquina coincide con la frecuencia natural de la máquina, y el único freno en el sistema es el amortiguamiento. Entonces, la resonancia es una forma especial de vibración, donde la vibración es igual a la frecuencia natural de la máquina. La frecuencia natural se define por la raíz cuadrada de la rigidez del sistema dividida por la masa del sistema. La resonancia puede resultar en la falla del sistema, por lo que debe evitarse

Los ingenieros en el puente ciertamente podían imaginar que el puente soportara la masa física de los peatones, pero lo que es difícil de predecir es si las personas están caminando o corriendo en sincronía. Del mismo modo, en una máquina, se predicen las funciones de forzamiento para evitar las frecuencias naturales. A veces, esas frecuencias naturales pueden cambiar, lo que las hace difíciles de predecir.

Avoiding Resonance in Rotating and Reciprocating Machines

Los entornos industriales pueden estar llenos de resonancia, y desafortunadamente, la fuerza a menudo se diagnostica erróneamente como un desequilibrio de masa cuando, en realidad, es un cambio en la rigidez del sistema. Si deseas evitar la resonancia, aquí tienes algunos consejos:

• Ajustar la frecuencia natural: Como hemos discutido, las frecuencias naturales tienen rangos, y hay momentos en que puedes cambiarlas. Agregar refuerzos y/o reducir la masa puede aumentar la frecuencia natural. Del mismo modo, reducir la rigidez e incrementar la masa puede disminuir la frecuencia natural. Dependiendo de la velocidad de funcionamiento de la máquina, se debe determinar la mejor manera de mover la frecuencia natural lejos de la velocidad de operación.
• Durante el arranque y apagado, pasa a través de la frecuencia resonante lo más rápido posible, sin detenerse en la frecuencia natural.
• Agregar amortiguadores: El propósito de un amortiguador es aumentar el amortiguamiento del sistema general. Cuando ocurre resonancia, el incremento en el amortiguamiento reduce la amplitud de la vibración. Puedes tener varias opciones para implementar esta solución, y es importante tener en cuenta la capacidad de absorción de cada sistema potencial. Esta solución probablemente sea la mejor estrategia si trabajas con una máquina que tiene una velocidad muy estable.

Estos consejos pueden sonar simples en teoría, pero rara vez son fáciles de implementar en la práctica. Cualquier variabilidad puede afectar incluso los planes mejor diseñados. Por ejemplo, agregar masa a una estructura puede disminuir la frecuencia natural, pero también aumenta la carga en la estructura. Para compensar el aumento de carga, podrías agregar un soporte para aumentar la rigidez, lo que incrementa la frecuencia natural, que es lo contrario de lo que deseas lograr. Se necesita una consideración cuidadosa al hacer cualquier cambio en el sistema de maquinaria.

Nota: Las bases de maquinaria producidas por varios fabricantes están diseñadas para garantizar que no ocurran problemas de resonancia. Sin embargo, cuando la base de la maquinaria se aterriza y se fija al suelo, las frecuencias de resonancia pueden cambiar. Se debe tener cuidado durante los arranques y apagados, así como a la velocidad de operación, para asegurarse de que no haya resonancias anormales que puedan afectar la máquina.

Si una máquina está operando dentro del 15 por ciento de la frecuencia natural, puede amplificar la vibración de 2 a 5 veces o más, lo cual puede ser perjudicial para la máquina. En estas situaciones, la resonancia puede dañar las máquinas y las estructuras de soporte, por ejemplo:

1. Pernos rotos en estructuras de soporte,

2. Soldaduras rotas en estructuras de soporte,

3. Hormigón de cimientos roto o suelto,

4. Desgaste prematuro de los rodamientos,

5. Aumento general de las vibraciones, lo que resulta en ruido excesivo, calidad de producto reducida y, en última instancia, un rendimiento operativo deficiente.

Es crucial contar con el sistema de monitoreo de vibración adecuado para evitar daños innecesarios y costosas reparaciones o reemplazos de tus máquinas. Nuestro objetivo en Metrix Vibration es garantizar que tu rendimiento operativo y la calidad de tus productos se mantengan año tras año.

La Promesa de Metrix

Contamos con un amplio equipo de ingenieros con años de experiencia para ayudarte a seleccionar el sistema adecuado de monitoreo de vibraciones. Si estás buscando opciones asequibles para proteger tus máquinas, ofrecemos una variedad de equipos, incluidos interruptores, sensores y transmisores, para que tengas una forma de monitorear las vibraciones, especialmente aquellas en frecuencias resonantes.

Por Jack Difranco, Gerente Regional de Ventas del Sureste de Estados Unidos

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Este contenido fue adaptado de un artículo publicado en www.metrixvibration.com