Resonancia

Una de las tarjetas de fallas de Augury que se puede asignar a cualquier componente (motor, caja de cambios, bomba, ventilador, un activo completo, etc.) se llama Resonancia. Es un tema muy complicado; puede ser difícil de entender, difícil de diagnosticar y, a veces, puede ser difícil o costoso de reparar.

Para entender qué es la Resonancia, primero debemos definir algunos términos.

• Frecuencia Natural: También conocida como frecuencia de timbre, es la frecuencia de la oscilación libre de una estructura desplazada de su equilibrio. Un ejemplo es un diapasón o una campana... cuando lo golpeas, la frecuencia que escuchan tus oídos es la Frecuencia Natural. Es independiente de cualquier señal de entrada y es una propiedad de una estructura. Está dictada por la masa, la rigidez y la amortiguación de una estructura. Cuando se introduce energía en la estructura al impactarla y se le permite vibrar sin perturbaciones, vibrará (sonará) a la frecuencia natural.
• Frecuencia de forzamiento: para el propósito de esta discusión, una frecuencia de forzamiento es la frecuencia de entrada de energía a una estructura. Un ejemplo de esto es la velocidad de funcionamiento (también conocida como frecuencia de operación) de un eje en un equipo rotatorio. Cada eje tiene un ligero desequilibrio residual, y si el eje está girando a 1800 rpm, entonces el eje está ingresando energía a 1800 rpm. Si el eje está conectado a una bomba de paletas que tiene 9 paletas de bombeo, entonces esas paletas pasan por una parte estacionaria de ese equipo 9 veces por cada rotación del eje... por lo que la frecuencia de forzamiento sería 9 * velocidad del eje = 9 * 1800 = 16,200 rpm.
• Resonancia: La resonancia se produce cuando una frecuencia de fuerza coincide con una frecuencia natural y hace que la magnitud de la vibración de entrada forzada se amplifique. Siguiendo el ejemplo anterior para un eje que gira a 1800 rpm, si la frecuencia natural de la estructura también es de 1800 rpm, entonces la máquina está en resonancia.

Toda estructura tiene frecuencias naturales y todo equipo rotatorio tiene frecuencias de fuerza. Sin embargo, la resonancia solo ocurre cuando estas frecuencias se alinean entre sí. La frecuencia natural de una estructura generalmente no cambia a lo largo de su vida útil, pero una frecuencia de fuerza puede cambiar. Por ejemplo, cuando el motor funciona a diferentes velocidades (VFD), está cambiando efectivamente su frecuencia de fuerza.

Para complicar las cosas aún más, la resonancia puede existir en una estructura, pero en realidad podría no ser un problema. Este es el caso cuando hay un cambio notable en la vibración a ciertas velocidades de la máquina, pero la amplitud de la vibración no es tan alta como para ser peligrosa o causar daños a la máquina. Vea la imagen de arriba, donde hay una resonancia a 37 Hz, pero la amplitud de la vibración para ese tipo de máquina no es una preocupación (0,25 ips frente a 0,35 ips). La resonancia es una preocupación cuando la amplitud de la vibración durante las condiciones de resonancia está creando tanto movimiento y energía que puede causar problemas de confiabilidad. El comienzo de este artículo mencionó que la resonancia es una tarjeta de falla que Augury puede asignar. En realidad, la resonancia es una condición y solo se convierte en una falla cuando las amplitudes de vibración se convierten en una preocupación.

• La resonancia en el monitor puede significar que hay evidencia de una posible condición de resonancia, pero tal vez no hemos visto suficientes velocidades de funcionamiento para determinar si las amplitudes son demasiado altas. También puede significar que se ha identificado la resonancia, pero la estamos observando para ver cuánto tiempo pasa en amplitudes altas para evaluar una decisión sobre si vale la pena realizar reparaciones.
• Resonancia en Alarma o Peligro significa que las amplitudes de vibración son altas y podrían estar causando daños prematuros a la máquina, podrían causar fallas instantáneas o podrían ser peligrosas desde una perspectiva de seguridad.

Entonces, ¿crees que tienes un buen manejo de la resonancia? Bueno, déjame agregar otra llave a la mezcla. ¿Recuerdas cuando dije arriba "Cada estructura tiene frecuencias naturales y cada equipo rotatorio tiene frecuencias de forzamiento?" Toma nota del plural en frecuencias. No solo una estructura completa puede tener una frecuencia natural, sino que diferentes piezas de un activo pueden tener cada una su propia frecuencia natural, lo que significa que no solo estás tratando con una frecuencia, sino con muchas frecuencias. Y ya hablamos sobre cómo puede haber múltiples frecuencias de forzamiento en el equipo rotatorio, no solo la velocidad del eje y la malla del rotor, sino también frecuencias de malla de engranajes, frecuencias de cojinetes o incluso frecuencias específicas del diseño de la máquina y lo que está haciendo (como frecuencias dinámicas de fluidos).

Aquí hay un diagrama de cuerpo libre de una bomba vertical simple con una tubería independiente que sale del costado (¡tenga cuidado con el dibujo, es solo un ejemplo!).

El motor, la bomba y la tubería tienen cada uno su propia frecuencia natural. No solo eso, sino que las combinaciones de accesorios tienen cada una una frecuencia natural y, finalmente, toda la estructura montada en la base tiene una frecuencia natural. Realizar pruebas para averiguar qué parte del activo podría estar causando resonancia y el tipo de resonancia puede ser extremadamente agotador y podría requerir varios métodos de prueba muy avanzados. Cada vez que una máquina Augury está marcada con una tarjeta de falla de resonancia, realmente no podemos decir qué componente podría estar fallando o dónde se deben realizar mejoras. Por lo tanto, la resolución de problemas probablemente deba comenzar haciendo un par de ajustes a la vez y observando los cambios en la vibración.

¿Qué hacer?

Lo que nos lleva a la gran pregunta.¿Qué hacemos ante una falla de resonancia?Bueno, si la resonancia solo existe cuando una frecuencia natural y una frecuencia forzada se alinean... entonces solo hay que mover una frecuencia para que ya no se alineen. Es fácil de decir, pero más difícil de hacer. Empecemos por intentar mover la frecuencia forzada, lo que se puede hacer configurando instrucciones de funcionamiento o implementando bloqueos de velocidad (para evitar que la máquina gire en las frecuencias problemáticas conocidas). Cuando Augury identifica la resonancia, también podemos proporcionar información como el rango de frecuencia donde la resonancia es un problema. Si una frecuencia natural está en 32 Hz, la comunicación podría ser para evitar velocidades entre 28 y 36 Hz. Vea a continuación los datos de tendencias y cómo se ven esos datos una vez que se grafican juntas la velocidad y la vibración.

En el gráfico anterior, se ven picos aparentemente aleatorios en la tendencia de amplitud de vibración (tendencia superior). Pero no son aleatorios. Si observamos más de cerca esos datos y las velocidades correspondientes (tendencia inferior), esas amplitudes de vibración altas se deben a una resonancia de alrededor de 32 Hz.

Si grafica los datos de velocidad del motor frente a la amplitud de vibración, puede ver que la vibración aumenta cuando el motor funciona entre 28 y 36 Hz. Si esta velocidad es algo fácil de evitar, entonces simplemente establecer limitaciones de velocidad mejorará la confiabilidad del activo.

La razón por la que se trata de un rango de frecuencia en lugar de solo una frecuencia se debe a una propiedad estructural llamada amortiguación. Aumentar la amortiguación en una estructura puede reducir la amplitud de la vibración y podría mover ligeramente la frecuencia de resonancia. Sin embargo, aumentar la amortiguación puede hacer que el rango de frecuencias donde se produce la resonancia sea aún más amplio, lo que significa que debe evitar la operación a más velocidades. Si puede reducir la amplitud causada por la resonancia lo suficiente como para que ya no se convierta en un problema, entonces la amortiguación podría ser una opción. De lo contrario, agregar amortiguación podría empeorar las vibraciones de operación. Esto nos lleva a nuestra segunda opción para que las frecuencias se muevan durante la resonancia: la frecuencia natural.

La frecuencia natural se puede manipular ligeramente ajustando la amortiguación, pero no de forma apreciable. La mejor forma de cambiar una frecuencia natural es ajustando la masa o la rigidez. Aumentar la masa o disminuir la rigidez mueve la frecuencia natural a una frecuencia más baja. Disminuir la masa o aumentar la rigidez mueve la frecuencia natural a una frecuencia más alta. Una analogía fácil es una cuerda de guitarra. Si pulsas la cuerda y luego giras la perilla de afinación para tensarla, eso hace que la frecuencia aumente (mayor rigidez). Si agregas una masa a la cuerda y la tocas, vibrará a una frecuencia más baja (mayor masa). Al alejar una frecuencia natural de las velocidades en las que las frecuencias de forzamiento podrían alinearse con ella, puedes evitar que se produzca resonancia.

Frecuencia natural n= Rigidez (k)Masa (m)

Siempre que intente ajustar la frecuencia natural de una máquina, es importante hablarlo con el fabricante del equipo original (OEM). A veces, tienen soluciones fáciles o sugerencias para combatir la resonancia. O pueden informarle si los cambios de diseño previstos podrían dañar la máquina.

Por último, si realmente necesitas intentar ajustar tu frecuencia natural, es una buena idea realizar pruebas o simulaciones adicionales para asegurarte de que los cambios que quieres hacer tendrán un efecto apreciable. Otras formas de prueba incluyen el análisis de impacto modal (la forma básica de esto se llama prueba de impacto), el análisis de la forma de deflexión operativa (ODS) o posiblemente la amplificación del movimiento para ayudar a identificar el modo de flexión.

Resumen

La resonancia es una reacción física natural que se produce entre la frecuencia natural de una estructura y la frecuencia de fuerza del equipo rotatorio. Estas frecuencias existen en todos los equipos rotatorios y solo se convierten en un problema cuando se alinean y provocan amplitudes de vibración que aumentan la tensión en los componentes del equipo. Puede ser complicado de identificar y corregir debido a los múltiples componentes y frecuencias que existen para cada componente. Cuando se identifican fallas resonantes, es importante corregirlas para evitar sobrecargar el equipo. Esta tensión continua durante tiempos de funcionamiento prolongados eventualmente conduce a fallas repetidas sin una causa raíz obvia.