Introducción: ver el movimiento relativo del eje

La mayoría de las herramientas del análisis de vibraciones (espectros, formas de onda, diagramas de Bode) muestran el comportamiento del equipo desde una única dirección de medición. La órbita del eje hace algo diferente: muestra la trayectoria del movimiento relativo del eje respecto al cojinete en el plano radial donde se encuentran instalados los sensores, combinando simultáneamente las mediciones de dos sensores instalados a 90° entre sí.

Es importante no confundir la órbita del eje con la forma física del rotor. La órbita representa la trayectoria seguida por el centro del eje respecto al cojinete durante el intervalo analizado y no la geometría del eje ni el recorrido de un punto sobre su superficie.

El resultado es una trayectoria bidimensional que representa el movimiento relativo del eje respecto al alojamiento del cojinete durante el intervalo analizado. Esta representación no puede obtenerse a partir de mediciones unidireccionales y resulta fundamental para diagnosticar fallas en maquinaria crítica con cojinetes hidrodinámicos, como turbinas de vapor, compresores centrífugos y grandes generadores.

Interpretar correctamente la forma de la órbita permite identificar condiciones mecánicas que en el espectro convencional pueden pasar desapercibidas o resultar ambiguas.

¿Cómo se obtiene la órbita del eje?

La órbita del eje se construye a partir de las señales simultáneas de dos sensores de proximidad instalados en el mismo plano radial del cojinete, separados 90° entre sí, normalmente en las posiciones X (horizontal) e Y (vertical), o en configuraciones a 45° dependiendo del diseño de la máquina.

Cada sensor mide la distancia entre su punta y la superficie del eje en cada instante. Al combinar las dos señales en un gráfico XY, se obtiene la trayectoria que describe el centro del eje durante su rotación.

Para reconstruir correctamente la trayectoria del eje, ambas señales deben adquirirse de forma simultánea y sincronizada. Cualquier desfase introducido por el sistema de adquisición o una configuración incorrecta puede distorsionar la forma de la órbita.

Órbita filtrada vs. órbita sin filtrar

Órbita sin filtrar (total): incluye todas las componentes de vibración presentes en la señal: 1X, 2X, subarmónicos, ruido. Muestra el movimiento real completo del eje pero puede resultar difícil de interpretar cuando coexisten múltiples frecuencias.

Órbita filtrada en 1X: se obtiene filtrando la señal para conservar únicamente la componente sincrónica. Permite analizar el movimiento del eje asociado exclusivamente a la velocidad de giro, facilitando el diagnóstico de condiciones como desbalance o resonancia.

Órbita filtrada en 2X: conserva únicamente la componente correspondiente a dos veces la velocidad de giro. Permite estudiar la contribución de 2X al movimiento del eje y puede aportar evidencia complementaria ante condiciones como desalineación, deformación del rotor u otros fenómenos con respuesta significativa en ese orden. No debe interpretarse de forma aislada.

El movimiento físico del eje es único; la diferencia entre una órbita filtrada y una sin filtrar radica únicamente en el procesamiento aplicado a las señales para resaltar determinadas componentes de frecuencia.

Configuración y orientación de los sensores

Para representar correctamente una órbita, el software debe conocer la posición angular de los sensores, su polaridad, el factor de escala y el sentido de rotación del eje. Una configuración incorrecta puede invertir o deformar la trayectoria y conducir a una interpretación equivocada de la dirección de precesión.

Forma de la órbita y referencia de fase

En condiciones estables, la órbita suele presentar una trayectoria repetitiva cuya forma depende de la rigidez del sistema, la geometría y holgura del cojinete, la carga, la velocidad y las componentes de vibración presentes. Una órbita aproximadamente elíptica es frecuente, pero no constituye por sí sola un criterio de condición normal.

Una trayectoria cercana a un círculo indica amplitudes similares en ambas direcciones de medición, mientras que una elipse estrecha refleja una respuesta predominante en una dirección. La interpretación debe basarse principalmente en la comparación con la referencia histórica de la máquina y no con una forma geométrica universal.

La marca de fase, un punto brillante generado por el pulso del tacómetro, aparece sobre la órbita indicando la posición del eje en el instante de la referencia. Esta marca es fundamental para orientar la órbita respecto a la posición angular del rotor y para comparar mediciones entre diferentes campañas.

Patrones de órbita y su significado diagnóstico

La forma de la órbita cambia de manera característica según la condición mecánica que afecta al equipo. Reconocer estos patrones es la competencia central del análisis de órbitas, siempre en conjunto con otras herramientas de diagnóstico.

Importante: las formas de órbita descritas a continuación son patrones orientativos. Una misma geometría puede producirse por diferentes condiciones mecánicas, por lo que la interpretación siempre debe realizarse junto con el espectro, la fase, la forma de onda y las condiciones de operación de la máquina.

Elipse estrecha: desalineación o anisotropía

Una elipse muy estrecha, casi lineal, indica que el movimiento del eje está fuertemente restringido en una dirección. Puede estar asociada a desalineación severa, precarga excesiva sobre el cojinete o anisotropía importante del sistema de apoyo, es decir, una diferencia significativa de rigidez entre la dirección horizontal y vertical.

Órbita con figura en ocho

Cuando coexisten componentes importantes en 1X y 2X con determinadas relaciones de amplitud y fase, la órbita sin filtrar puede adquirir una trayectoria con forma semejante a un ocho o con múltiples lóbulos. La órbita filtrada específicamente en 2X permite observar por separado la contribución de este segundo orden. Este patrón puede aparecer ante desalineación u otras condiciones que generan una respuesta importante en 2X, pero no constituye por sí solo una confirmación del diagnóstico.

Órbita con bucles internos: combinación de componentes

La aparición de bucles internos indica que el movimiento del eje está influenciado por la combinación de múltiples componentes de vibración, ya sean sincrónicas, subsincrónicas o supersincrónicas. Dependiendo de su relación de frecuencia y fase, pueden generarse trayectorias complejas con uno o varios bucles. Cuando estos patrones se acompañan de una componente subsincrónica comprendida aproximadamente entre 0,38X y 0,48X de la velocidad de giro, pueden orientar el diagnóstico hacia una inestabilidad del film de aceite, como oil whirl. La confirmación requiere revisar el espectro, la evolución con la velocidad y la dirección de precesión.

Órbita irregular o caótica: holgura o contacto

Una órbita sin una forma definida, con trayectorias irregulares que cambian entre ciclos consecutivos, puede indicar holgura mecánica en el cojinete, contacto intermitente entre el rotor y el estator, o condiciones de operación inestables. En estos casos, la órbita sin filtrar suele mostrar variaciones importantes entre ciclos que no aparecen en la órbita filtrada.

Precesión retrógrada: posible indicio de roce

En condiciones normales de operación, la componente sincrónica dominante suele presentar precesión directa, es decir, el movimiento orbital ocurre en el mismo sentido que la rotación del eje. La aparición de componentes con precesión retrógrada puede aportar evidencia compatible con un contacto rotor-estator, especialmente cuando se acompaña de armónicos, componentes fraccionarias, cambios de fase o alteraciones de la posición media del eje. Sin embargo, no constituye una prueba única de roce y debe confirmarse mediante espectro completo, forma de onda y conocimiento de las holguras internas de la máquina.

Además, para determinar correctamente precesión directa o retrógrada deben conocerse la orientación física de los sensores, la polaridad de las señales y el sentido de rotación del eje.

La identificación de la dirección de precesión suele complementarse mediante el análisis del Full Spectrum, que permite separar las componentes de precesión directa y retrógrada para facilitar la interpretación del comportamiento rotodinámico.

Posición media del eje y DC gap

Además de la vibración dinámica, los sensores de proximidad entregan una componente continua denominada DC gap, relacionada con la distancia promedio entre la punta del sensor y la superficie del eje. A partir de esta componente continua de ambos sensores puede determinarse la posición media del eje dentro del cojinete y construir el gráfico shaft centerline.

Este gráfico permite observar cómo cambia la posición promedio del eje dentro del cojinete con la velocidad, la carga y las condiciones térmicas. Aunque ambos gráficos se construyen a partir de los mismos sensores de proximidad, representan fenómenos distintos. La órbita muestra el movimiento dinámico del eje alrededor de una posición media, mientras que el shaft centerline muestra la evolución de esa posición media dentro del cojinete.

Cambios en la posición media del eje respecto a la referencia histórica pueden indicar:

• Variaciones en la carga del proceso.
• Cambios en la viscosidad del lubricante.
• Desgaste del cojinete.
• Problemas de alineación que modifican las cargas sobre el apoyo.

Este seguimiento es un parámetro que los sistemas de monitoreo permanente registran de forma continua y que complementa de forma muy efectiva el análisis de la forma de la órbita.

Limitaciones del análisis de órbitas

El análisis de órbitas es una herramienta poderosa pero con aplicaciones específicas que el analista debe conocer.

Requiere sensores de proximidad orientados correctamente: la órbita relativa del eje utilizada en rotordinámica requiere normalmente dos sensores de proximidad ortogonales. Aunque pueden construirse trayectorias de movimiento mediante otras tecnologías y procesamiento de señales, no representan necesariamente el desplazamiento relativo del eje dentro del cojinete con la misma fidelidad.

Aplicación principalmente en cojinetes hidrodinámicos: su aplicación principal se encuentra en maquinaria con cojinetes hidrodinámicos y sensores de proximidad instalados. En máquinas con rodamientos de elementos rodantes su uso es mucho menos habitual y, generalmente, aporta menor valor que las mediciones de vibración de carcasa.

Requiere experiencia para interpretar correctamente: la forma de la órbita puede verse influenciada por múltiples factores simultáneos. Una interpretación incorrecta puede llevar a diagnósticos erróneos. El análisis de órbitas siempre debe complementarse con el espectro, la forma de onda y las condiciones de operación del equipo.

Depende de una instalación y configuración correctas: la calidad de la órbita depende de una correcta instalación y configuración de los sensores. Errores en la orientación, polaridad, calibración o sincronización de las señales pueden modificar la forma de la trayectoria y conducir a interpretaciones incorrectas.

Conclusión

La órbita del eje es una de las herramientas más completas y específicas dentro del análisis de vibraciones. Su capacidad para mostrar el movimiento relativo del eje en dos dimensiones simultáneas permite identificar patrones que ninguna medición unidireccional puede revelar con la misma claridad, aportando evidencia valiosa para orientar el diagnóstico de múltiples condiciones mecánicas que no siempre pueden identificarse con la misma claridad mediante mediciones unidireccionales.

En maquinaria equipada con cojinetes hidrodinámicos y sensores de proximidad, la interpretación de órbitas constituye una de las herramientas más valiosas para comprender el comportamiento dinámico del rotor. Su mayor potencial se alcanza cuando se integra con el análisis espectral, la forma de onda, la fase y las condiciones de operación de la máquina, proporcionando una visión más completa y confiable para el diagnóstico de fallas.