Identificación de frecuencias naturales
1 – introducción – Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones
En este artículo sobre la identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones, Se describen varios métodos para determinar las frecuencias naturales en una máquina o estructura..
Siempre que se sospeche la posibilidad de que se produzcan fenómenos de resonancia, o si desea confirmar las frecuencias calculadas por métodos analíticos, Es importante determinar experimentalmente las frecuencias naturales.
2 – Tipos de pruebas y estado de la máquina / estructura durante su realización
Las pruebas se pueden realizar con la máquina en las siguientes condiciones:
- maquina parada
- la prueba de impacto
- Medición de la respuesta de frecuencia (FRF)
- Máquina en variación de velocidad;
- La retención máxima promedio (Retención de pico)
- como órdenes
- A la cascada
- O presa eo Nyquist
- Máquina funcionando en estado estacionario;
- Promedio negativo
2.1 Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones – Pruebas con la máquina parada
Este tipo de pruebas se basa en el principio de que cualquier estructura, cuando está libre, vibra en sus frecuencias naturales. Por lo tanto, para observar sus frecuencias naturales, es suficiente, por ejemplo, hacer un impacto en la estructura y observar la respuesta.
Hay dos formas de ver el impacto..
La forma más sencilla es medir sólo la respuesta.; la llamada prueba de impacto.
La forma más elaborada es medir la función de respuesta de frecuencia (FRF). Esta se obtiene mediante un martillo equipado con un transductor de fuerza para conocer la energía que se está introduciendo en la estructura.. Esta forma de medir las frecuencias naturales es más precisa y permite la comparación de los resultados medidos con modelos de elementos finitos y análisis modal..
A continuación puede ver las unidades en las que se puede formular el FRF.
| Rigidez dinámica | Fuerza / desplazamiento |
| receptividad | desplazamiento / Fuerza |
| Impedancia | Fuerza / velocidad |
| Movilidad | velocidad / Fuerza |
| Inercia dinámica | Fuerza / aceleración |
| Aceleración | aceleración / Fuerza |
Medición de la respuesta de frecuencia (FRF) además de una de las funciones descritas anteriormente, proporciona información sobre la fase de las vibraciones y la función de coherencia.
En una medición de la Función de Respuesta en Frecuencia se puede observar lo siguiente:
- resonancias – Los picos indican la presencia de las frecuencias naturales de la estructura bajo prueba;
- Mojadura – La amortiguación es proporcional al ancho de los picos.. Cuanto más ancho es el pico, mayor es la amortiguación;
- modo de vibración – La amplitud y la fase de múltiples FRF adquiridos en relación con un marco de referencia común se utilizan para determinar la forma del modo..
La coherencia es función versus frecuencia., que indica cuánto de la salida se debe a la entrada en el FRF. Puede ser un indicador de la calidad de FRF. Evalúa la consistencia de la FRF desde la medición hasta la repetición de la misma medición. El valor de una función de coherencia varía entre 0 mi 1.
en un analizador de vibraciones como parte de un programa de, define inequívocamente que estamos en presencia de una frecuencia natural porque, en resonancia la fase varía 180º. Si esta variación es inferior a 180º, significa que, o la estructura está muy acolchada o bien, que el movimiento de la estructura en la resonancia no ocurre en la dirección del acelerómetro y / o el martillo.
2.2 Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones– Pruebas realizadas con la máquina en variación de velocidad
En los ensayos realizados con la máquina en variación de velocidad, se aprovechan las fuerzas generadas en el funcionamiento de la máquina para excitar sus frecuencias naturales.
Esta prueba se puede realizar en el arranque o parada.. Si la máquina arranca demasiado rápido, es más conveniente hacerlo en una parada.
2.2.1 La retención máxima promedio (Retención de pico)
La retención máxima promedio (Retención de pico) es la forma más sencilla de identificar las frecuencias naturales cuando una máquina está parada. Funciona muy bien cuando el espectro de frecuencia solo tiene velocidad de rotación.
El promedio de retención máxima técnicamente no es un proceso de promedio. El algoritmo de detección de picos retiene el valor espectral más alto registrado durante el tiempo promedio (efectivamente el peor de los resultados). Cada vez que los datos de forma de onda se transforman al dominio espectral, cada línea de datos de amplitud se compara con la anterior y se mantiene la mayor amplitud. Este proceso se repite hasta que el analista deja de recopilar datos., o hasta completar el número de promedios programados. El ruido y todas las demás señales de fondo se mantienen en valores máximos.
2.2.2 El análisis por órdenes
Al analizar máquinas rotativas, los datos medidos dependerán de la velocidad de rotación. Las velocidades de rotación variables cambiarán las características de los datos medidos.
Los componentes de la señal medida que cambian de frecuencia con cambios en la velocidad se denominan armónicos u órdenes de velocidad de rotación..
El componente del 1er armónico tiene una frecuencia igual a la velocidad de rotación, indicado en Hz, y por ejemplo, el décimo armónico tiene una frecuencia 10 veces mayor que el 1er armónico. Las variaciones de velocidad hacen que los componentes de frecuencia armónica relevantes cambien hacia arriba y hacia abajo en frecuencia..
Si un sistema medido estuviera funcionando a una velocidad de rotación perfectamente constante, entonces los órdenes armónicos en los espectros FFT permanecerían en las mismas líneas espectrales a lo largo de la medición. En realidad, las máquinas tendrán algunas variaciones de velocidad, a pesar de que están configurados para funcionar a un cierto valor de rpm.
Cuando se utiliza el análisis de pedidos en lugar del análisis FFT, los espectros se relacionarán con vibraciones por revolución en lugar de vibraciones por segundo. Consecuentemente, será independiente de la velocidad de rotación. Esto proporciona patrones de orden armónico estables a diferentes velocidades para los componentes de vibración relacionados con la rotación..
Otra ventaja de usar el análisis de orden para mediciones relacionadas con la rotación es evitar la ampliación de los componentes del espectro relacionados con el orden.. El estiramiento ocurre cuando el patrón de frecuencia cambia durante el cálculo de un espectro.. Esto puede ser durante el cálculo de un espectro instantáneo o a través de múltiples espectros instantáneos que se miden juntos..
Los espectros ampliados carecerán de picos armónicos claros, ya que las frecuencias máximas estaban cambiando durante tales cálculos de espectro. En lugar de claros picos armónicos, los espectros estirados distribuirán la energía de los órdenes armónicos en los rangos de frecuencia relacionados con todas las velocidades de rotación presentes durante el cálculo del espectro.
Al utilizar el análisis de pedidos, se evita la mancha espectral para tales señales no estacionarias, ya que los componentes armónicos de rotación permanecen en posiciones de orden fijas en los espectros de orden.
Para realizar el análisis por órdenes se requiere información sobre la velocidad de rotación de la máquina., generalmente se mide con un tacómetro.
2.2.3 Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones– La cascada de los espectros
En la cascada de espectros estos se presentan a lo largo del tiempo u otro parámetro.
2.2.4 Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones – O presagio
El gráfico de Bode es simplemente la amplitud de vibración y la fase frente a la velocidad del eje.. Sin embargo, potencialmente puede proporcionar una gran cantidad de información que no está disponible a partir de mediciones de estado estable como la FFT. El uso más común del Bode es identificar las frecuencias naturales presentes en las máquinas.. Las más comunes son las llamadas “velocidades críticas” que ocurren cuando la velocidad de rotación del eje coincide con una frecuencia natural y produce una resonancia. Esto aparece como un pico de amplitud y un cambio de fase en el diagrama de Bode.. La identificación de frecuencias naturales es especialmente crítica en turbomáquinas porque, a diferencia de la mayoría de los equipos de propósito general, trabajar encima o cerca de un, si no más, frecuencias naturales o modos. El diagrama de Bode es más poderoso para identificar vibraciones sincrónicas.. Si bien la vibración general también se puede trazar contra la velocidad del eje, el diagrama de Bode no es realmente una herramienta para identificar vibraciones no síncronas.
2.2.5 Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones – ¿Por qué es importante al observar la variación de velocidad en una máquina? (Nyquist)
El gráfico polar muestra exactamente los mismos datos que el gráfico de Bode, solo en un formato de visualización diferente. en la porción polar, la magnitud del vector de desplazamiento se mide radialmente, desde el centro del gráfico y la fase se traza circunferencialmente. Una resonancia se indica en un gráfico por la velocidad a la que la amplitud es la máxima de un bucle (o sea, aproximadamente 180 grados de cambio de fase).
2.3 Pruebas realizadas con la máquina en marcha - la media negativa
La media negativa es un método de prueba de impacto, con la maquina en marcha.
Si hacemos impactos en la máquina, cuando no trabaja, obtenemos solo las frecuencias naturales. Pero si la máquina está funcionando, entonces también obtenemos el espectro con su velocidad de rotación y armónicos y otras frecuencias. Estos dos espectros son los que podemos ver en la pantalla.
El procedimiento de promedio negativo elimina las frecuencias operativas. De esta forma, solo las frecuencias naturales permanecen en el espectro.
Para realizar un promedio negativo, cuando comienza la medición, en primer lugar, se toma el espectro de referencia, con la maquina en marcha. Esto significa que este espectro contiene solo las frecuencias operativas.
Luego se hacen impactos repetidamente en la máquina.. De cada espectro medido el analizador extrae el espectro de referencia con las frecuencias operativas, que se midió al principio. El promedio se realiza a partir de estos espectros sustraídos.
Cómo medimos las vibraciones generadas por los impactos, Para mejores resultados, utilice la ventana exponencial., también usando, o disparo de amplitud.
3 Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones – Ejemplo de aplicación
3.1 Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones – El propósito de la prueba
Para este ejemplo usaremos un modelo didáctico que es una amoladora. El propósito de la prueba es medir las frecuencias naturales del molinillo., sostenido por sus soportes de goma, de diferentes formas.
Como equipo de medida utilizaremos un analizador de vibraciones multicanal ADASH VA5Pro con acelerómetros y un tacómetro.
3.2 Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones – Los puntos de medida y excitación
En cada frecuencia natural se asocia un modo de vibración.
Los modos de vibración que esperamos ver en la base del modelo sobre sus soportes, son traslación y oscilación, como puede ver abajo.
Los puntos de medida y excitación se eligen en función de la forma en que se quiera ver.
Así, el modo de vibración de traslación puede ser excitado por un impacto en el medio del modelo o por un desequilibrio de fuerzas como se ve en la figura.. El modo de oscilación puede ser excitado por un impacto en uno de los extremos del modelo o por un desequilibrio de par.
| Punto de excitación para identificar el modo de vibración traslacional | Punto de excitación para identificar el modo de vibración de oscilación |
 |  |
3.3 Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones – Pruebas con la máquina parada
3.3.1 Prueba de impacto
una) Punto de fuerza de excitación y acelerómetro medición de respuesta en el centro del modelo
Los resultados de este ensayo se pueden ver en el programa ADASH DDS. El pico más alto corresponde a la frecuencia natural de traslación en dirección vertical..
segundo) Acelerómetro de medición de respuesta y punto de excitación de fuerza en la punta del modelo
En el video a continuación puede ver la implementación práctica de esta prueba..
Los resultados de este ensayo se pueden ver en el programa ADASH DDS.
Además del pico más alto correspondiente a la frecuencia natural de traslación en dirección vertical, puede ser visto, a frecuencias más bajas, las frecuencias naturales de los modos de oscilación.
Comparando esta medida con la anterior, se puede ver la importancia del punto de excitación y medida, para la identificación de las diferentes frecuencias naturales.
Cuando la excitación se lleva a cabo en uno de los nodos (punto sin movimiento) de manera vibrante, esto no está emocionado.
3.3.2 Función de respuesta de frecuencia (FRF)
En el video a continuación puede ver la implementación práctica de esta prueba..
Los resultados de este ensayo se pueden ver en el programa ADASH DDS.
Nuevamente aprecie la frecuencia natural en la dirección vertical en la zona de la 50 KHz, como en pruebas anteriores. Se puede ver que consta de un pico muy ancho. Esto se debe a que hay mucha amortiguación debido a las almohadillas de goma del modelo.. La coherencia en la zona de esta frecuencia natural tiene un valor cercano a 1 (0,995) indicando que es bien estimado. La variación de fase a esta frecuencia también se ve claramente..
Se puede ver que el pico en aproximadamente 6 hz, tiene un valor de coherencia muy bajo y, por lo tanto, debe ser descartado; no es una frecuencia natural.
3.4. Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones – Pruebas realizadas con la máquina en variación de velocidad
3.4.1 La retención máxima promedio (Retención de pico)
En el siguiente vídeo se puede ver la implementación práctica de esta prueba con el modelo con desequilibrio de momento que excitará las frecuencias naturales de traslación y oscilación.
Los resultados de este ensayo se pueden ver en el programa ADASH DDS.
Además del pico más alto correspondiente a la frecuencia natural de traslación en dirección vertical, puede ser visto, a frecuencias más bajas, las frecuencias naturales de los modos de oscilación.
3.4.2 Análisis por órdenes y cascada
En el siguiente vídeo se puede ver la realización práctica de esta prueba con el modelo con desequilibrio de fuerzas que excitará la frecuencia natural de traslación. Tenga en cuenta el tacómetro para permitir el análisis por órdenes.
Usamos la funcionalidad del VA5PRO, que nos permite llevar a cabo estas medidas (y algunos mas…) en paralelo y, de esta forma, tenemos la comparación simplificada de resultados.
En análisis de orden, independientemente de la velocidad de rotación del modelo, el componente a 1xRPM siempre se muestra en la misma posición en el espectro. Tenga en cuenta que el componente 1xRPM es más estrecho en el espectro de orden que en el espectro de frecuencia fija.
Tenga en cuenta la velocidad de rotación medida, en la adquisición de los espectros sucesivos, lado inferior derecho. El componente a 1x RPM siempre aparece en la misma posición en el espectro.
El siguiente gráfico se obtuvo de un corte en el gráfico anterior a 1x RPM. Tenga en cuenta la frecuencia natural en 48 hz.
Entonces hay una cascada., para los que no se requiere el tacómetro.
En estos dos espectros, mostrado abajo, el superior obtenido a frecuencia fija, y el de abajo en pedidos, se puede ver que en el espectro superior, el componente a la frecuencia de rotación, obtuvo el 2952 RPM, está “alargada”, debido a la variación de velocidad del modelo, durante la medición, en relación con el espectro de abajo.
otra vez puedes ver, bien marcado, la frecuencia natural asociada con el modo de vibración traslacional en la dirección vertical, una 48 hz, con mucha amortiguación.
3.4.3 O Bode e o Nyquist (o polar)
Uso de la funcionalidad del VA5PRO, que nos permite llevar a cabo estas medidas (y algunos mas…) en paralelo, usaremos los datos de la última prueba para visualizarlos en el programa ADAH DDS.
A continuación puede ver un gráfico de Bode obtenido del análisis por órdenes, durante la parada del modelo anterior. Otra vez, como se esperaba, puede ser visto, bien marcado, la frecuencia natural asociada con el modo de vibración traslacional en la dirección vertical, una 48 hz, con mucha amortiguación.
A continuación puede ver el diagrama de Nyquist (o polar) de los mismos datos. En este gráfico la variación de fase de 180 es mas obvio. La resonancia ocurre cuando el vector es máximo..
3.5. Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones – Pruebas realizadas con la máquina en marcha - la media negativa
En el video a continuación puede ver la implementación práctica de esta prueba..
Los resultados de este ensayo se pueden ver en el programa ADASH DDS.
4 Identificación de frecuencias naturales con un analizador de vibraciones – conclusión
Aquí revisamos varias técnicas que se pueden usar para identificar experimentalmente las frecuencias naturales..
