Velocidad crítica es la velocidad de rotación a la que la frecuencia natural de un rotor coincide con su velocidad de funcionamiento, produciendo una amplificación de vibración por resonancia que puede ir desde una molestia leve hasta un evento que destruya la máquina. Todo activo rotatorio con eje tiene una o más de estas velocidades, y conocer dónde se sitúan respecto al rango de operación es fundamental para especificar, poner en marcha y solucionar problemas del equipo.
Un rotor es un sistema masa-elástico apoyado sobre rodamientos que se comportan como muelles y amortiguadores, por lo que tiene frecuencias naturales a las que vibrará si se excita. La excitación dominante es el desbalance, una fuerza que rota de forma síncrona con el eje y crece con el cuadrado de la velocidad. Cuando la velocidad de rotación iguala una frecuencia natural, la fuerza de desbalance inyecta energía en ese modo en cada revolución y la vibración aumenta bruscamente: esa es la velocidad crítica. Alejado de ella, la rigidez y la inercia controlan la respuesta; cerca de ella, el amortiguamiento determina cuán grande se vuelve el pico.
Un rotor flexible tiene una serie infinita de formas de modo por flexión, aunque solo las primeras pocas importan dentro del rango de velocidad de la mayoría de las máquinas.
La rigidez de los rodamientos, la flexibilidad del soporte y los efectos del acoplamiento desplazan estas frecuencias respecto a los valores teóricos del eje solo, por eso el análisis debe modelar el sistema completo de rodamientos y soportes, no solo el eje.
La clasificación importa porque cambia cómo debe equilibrarse y analizarse la máquina:
| Clase de rotor | Definición | Ejemplo típico | Enfoque de balanceo |
|---|---|---|---|
| Rotor rígido | Por debajo de aproximadamente el 70-75% de la primera velocidad crítica | Bombas pequeñas, ventiladores, motores de baja velocidad | Balanceo en uno o dos planos a baja velocidad |
| Rotor flexible | Se acerca, coincide o excede una velocidad crítica por flexión | Compresores multietapa, turbinas de vapor, generadores | Balanceo en múltiples planos más análisis rotodinámico |
| Rotor cuasi-flexible | Aproximadamente 75-100% de la primera crítica | Algunas bombas y sopladores de alta velocidad | Caso por caso; a menudo se trata como flexible |
Un rotor rígido a baja velocidad puede convertirse en un problema de rotor flexible si un variador de frecuencia lo empuja a un rango superior; por eso las modificaciones con VFD merecen una revisión rotodinámica, no solo una comprobación del motor y el variador.
La mayoría de las máquinas con una velocidad crítica por debajo de la velocidad de operación atraviesan esa resonancia dos veces en cada ciclo de funcionamiento: una al acelerar y otra al desacelerar. La amplitud durante el tránsito depende de la tasa de aceleración y del amortiguamiento en ese modo, por lo que se evitan las retenciones a baja velocidad cerca de una velocidad crítica. Los rodamientos de película de fluido suelen aportar más amortiguamiento que los rodamientos de elementos rodantes, limitando el pico, pero introducen una rigidez dependiente de la velocidad que debe incluirse en el análisis. Compruebe el estado de la película de aceite junto con los datos de vibración; consulte nuestra guía sobre regímenes de lubricación.
El diagrama de Campbell grafica la frecuencia natural del rotor (y sus armónicos) frente a la velocidad de rotación. La línea 1X representa la frecuencia de la fuerza de desbalance, que por definición es igual a la velocidad de funcionamiento; donde cruza una curva de frecuencia natural, hay una velocidad crítica. A menudo se añaden líneas para 2X y otros armónicos para representar desalineamiento, holgura, engranajes o paso de palas. La rigidez de los rodamientos cambia con la velocidad en sistemas de película de fluido, por lo que las curvas de frecuencia no son planas y el diagrama debe construirse a lo largo de todo el rango de funcionamiento. Interpretarlo junto con las tendencias de vibración es mejor que fijarse solo en la amplitud; consulte nuestras reseñas de ISO 10816-3 severidad de vibración y ISO 20816 zonas de severidad de vibración.
El margen de separación (SM) es la brecha requerida entre las velocidades críticas de un rotor y su rango de operación, expresada como porcentaje, de modo que las variaciones normales en rigidez, masa o amortiguamiento no puedan arrastrar una velocidad crítica dentro del rango.
API 610 (bombas centrífugas para las industrias del petróleo, petroquímica y gas natural) exige un margen mínimo de separación entre el rango de velocidad de operación y la velocidad crítica más cercana, comúnmente citado entre el 10 y el 20 por ciento dependiendo de si la crítica se encuentra por encima o por debajo de la banda. API 684 (el tutorial de rotodinámica referenciado por API 610, 612 y 617) detalla el método de análisis, incluyendo la velocidad crítica no amortiguada, la respuesta amortiguada al desbalance y el análisis de estabilidad, y vincula el margen a un factor de amplificación (AF) derivado del pico de respuesta: una respuesta con pico agudo y poco amortiguada necesita más margen que una respuesta amplia y bien amortiguada.
Registrar los transitorios de vibración durante el arranque y la desaceleración, junto con el estado de los rodamientos y los registros de alineación, convierte un estudio rotodinámico puntual en un programa de fiabilidad continuo. Registrar estas firmas frente al historial de mantenimiento en un sistema como Fabrico permite detectar un aumento gradual en la amplitud en la velocidad crítica, a menudo una señal temprana de desgaste de rodamientos o rozamiento de sellos, antes de que se convierta en un paro. Solicite una demostración de Fabrico para ver cómo los datos de condición y el historial de órdenes de trabajo se conectan en un mismo lugar.
No. Operar continuamente en esa velocidad mantiene la amplificación por resonancia y puede causar daños rápidos en sellos, rodamientos o acoplamientos. Las máquinas llevan un margen de separación para evitar esto; si una velocidad crítica deriva hacia el rango por desgaste, hay que encontrar la causa raíz primero.
La velocidad crítica es un modo de flexión del rotor excitado por desbalance síncrono. Las frecuencias naturales del rodamiento o del soporte son resonancias separadas en las partes estacionarias, aunque interactúan con los modos del rotor a través de la rigidez.
El balanceo reduce la fuerza de desbalance que excita el modo, disminuyendo la amplitud del pico, pero no desplaza la velocidad crítica en sí. Si ésta queda demasiado cerca del rango, la solución es un cambio de diseño en la rigidez, la masa o el soporte de los rodamientos.
El variador en sí no cambia las frecuencias naturales del rotor, pero operar en un rango de velocidades más amplio aumenta la probabilidad de que una velocidad crítica caiga dentro de la nueva banda. Cualquier retrofit con VFD en equipos no diseñados para velocidad variable debe incluir una revisión rotodinámica.
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