Aislamiento de vibraciones: resortes, soportes y eficiencia del aislamiento es la práctica de desacoplar una máquina vibrante de su estructura de soporte, o de proteger equipos sensibles de la vibración ya presente en el suelo, usando elementos elásticos entre ambos.
El objetivo no es eliminar la vibración en la fuente, sino reducir la fracción que atraviesa el soporte. Hecho correctamente, el aislamiento reduce el ruido transmitido por la estructura y las cargas por fatiga sobre las cimentaciones. Hecho incorrectamente, un aislador puede amplificar la vibración que se pretendía controlar.
Las máquinas rotativas y de movimiento alternativo generan fuerzas periódicas a la velocidad de funcionamiento y sus armónicos (engranajes, paso de palas, paso de álabes, frecuencia de combustión).
Si se atornillan rígidamente a un suelo o a una bancada, esas fuerzas se transmiten a la estructura, excitando la vibración del edificio o radiando como ruido de baja frecuencia.
También ocurre lo inverso: mesas ópticas y otros equipos sensibles deben aislarse de la vibración ya presente en el suelo, proveniente de maquinaria cercana o del tráfico. Ambos casos usan la misma física, invirtiendo emisor y receptor.
Una máquina sobre un aislador se comporta como un sistema masa-resorte con su propia frecuencia natural, fn, determinada por la rigidez del aislador y la masa soportada. La frecuencia perturbadora, fd, es la frecuencia de excitación de la máquina, típicamente la velocidad de funcionamiento. La razón r = fd / fn determina cuánto pasa a través del soporte, expresado como transmisibilidad, T.
Por eso aisladores blandos y de baja frecuencia (resortes de acero, muelles de aire) son adecuados para máquinas de baja velocidad, mientras que almohadillas de elastómero más rígidas funcionan para equipos de alta velocidad cuya frecuencia de excitación ya está por encima de la frecuencia natural del soporte.
| Tipo de aislador | Deflexión estática típica | Frecuencia natural típica | Mejor para |
|---|---|---|---|
| Almohadillas de elastómero / caucho | 2 a 6 mm | 6 a 11 Hz | Ventiladores, bombas, compresores por encima de 1.000 a 1.500 rpm |
| Resortes helicoidales de acero | 10 a 100 mm | 1,5 a 5 Hz | Equipos de baja velocidad, grandes chillers, maquinaria montada en cubierta |
| Muelles de aire | Muy blandos, ajustables mediante presión de aire | Se pueden lograr por debajo de 2 Hz | Metrología, equipos de semiconductores, laboratorios de baja frecuencia |
| Aisladores de cable trenzado | Rigidez moderada, no lineal | Variable, varios Hz | Choque más vibración, aplicaciones navales y sísmicas |
| Almohadillas de corcho o fibra de vidrio | 0,3 a 1 mm | 15 a 30 Hz | Equipos ligeros, amortiguación secundaria de ruido |
Una base de inercia es un bastidor de acero relleno de hormigón colocado entre la máquina y sus resortes, que añade masa sin aumentar la rigidez.
Dado que la frecuencia natural disminuye al aumentar la masa a una constante de resorte fija, una base de inercia reduce f n y aumenta r, además de bajar el centro de gravedad y reducir el balanceo en resortes blandos, común en grandes ventiladores, chillers y conjuntos de bombas con motor descentrado.
La frecuencia natural también se relaciona directamente con la deflexión estática, la cantidad que un aislador se comprime bajo carga: a grandes rasgos, f n (Hz) es aproximadamente 15,76 dividido por la raíz cuadrada de la deflexión en milímetros (o 3,13 dividido por la raíz cuadrada de la deflexión en pulgadas).
Un soporte que se deforma 25 mm tiene una frecuencia natural cerca de 3,15 Hz, adecuado para máquinas por encima de aproximadamente 600 a 700 rpm. Una deflexión mayor implica mejor aislamiento a baja velocidad, pero también más balanceo y un soporte más alto y menos estable.
La falla de aislamiento más común es seleccionar un soporte cuya frecuencia natural quede cerca de la velocidad de funcionamiento de la máquina o de una velocidad de arranque o desaceleración por la que pase.
Los variadores de velocidad son especialmente vulnerables: incluso con buena transmisibilidad a plena velocidad, la máquina puede pasar tiempo cerca de f n durante la aceleración o desaceleración, amplificando brevemente la vibración por encima del caso sin aislamiento.
La selección debe comprobar todo el rango de velocidades e incluir amortiguamiento para limitar la amplitud en resonancia.
Los aisladores solo funcionan como se espera si la máquina está nivelada y uniformemente cargada sobre todos los soportes; una ruta de carga desigual invalida la frecuencia natural calculada y puede introducir un pie blando una vez atornillada.
La alineación del acoplamiento debe comprobarse sobre los aisladores finales bajo carga normal, ya que los montajes blandos permiten más movimiento del eje entre condiciones en frío y en marcha que el anclaje rígido con lechada.
La severidad de la vibración debe seguirse en tendencias conforme a los criterios de ISO 10816-3 en la propia máquina, dado que los aisladores reducen la transmisión a la estructura pero no disminuyen la vibración en la fuente.
La condición de los aisladores (elastómero agrietado, resortes corroídos, muelles de aire desinflados) merece una tarea de inspección propia con un intervalo de reemplazo definido, ya que un aislador degradado cambia la rigidez y la frecuencia natural, desplazando silenciosamente el sistema hacia la resonancia.
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El aislamiento comienza una vez que la relación de frecuencias (frecuencia perturbadora dividida por la frecuencia natural del aislador) excede la raíz cuadrada de 2, aproximadamente 1,41. Por debajo de eso, la transmisibilidad es 1 o mayor, por lo que el soporte no aporta beneficio o amplifica la vibración cerca de la razón 1. Los diseños prácticos apuntan a una razón de 3 a 5 o más.
Los resortes de acero logran una deflexión estática mucho mayor que las almohadillas de elastómero bajo la misma carga, proporcionando una frecuencia natural más baja y alcanzando la razón de frecuencias requerida a una velocidad de funcionamiento menor. Los soportes de elastómero en una máquina lenta dejarían el sistema cerca o por debajo de la resonancia.
Añade masa sin cambiar la rigidez del resorte, bajando la frecuencia natural y mejorando la relación de frecuencias. También estabiliza la máquina contra el balanceo en resortes blandos y distribuye la carga de manera más uniforme.
Sí. Si la frecuencia natural del aislador queda cerca de la velocidad de funcionamiento de la máquina, o de una velocidad por la que pase durante el arranque, el sistema opera cerca de la resonancia y la transmisibilidad aumenta por encima de 1, amplificando la vibración en lugar de reducirla.
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