Introducción: la dimensión que la mayoría ignora

La amplitud dice cuánto vibra una máquina. La frecuencia dice a qué ritmo. Pero hay una tercera dimensión en el análisis de vibraciones que la mayoría de los técnicos ignora o subutiliza: la fase.

La fase indica cuándo ocurre el movimiento vibratorio respecto a una referencia fija. Y ese “cuándo” contiene información diagnóstica que la amplitud y la frecuencia por sí solas no pueden proporcionar. Hay condiciones mecánicas como el desbalance, la desalineación, la resonancia, el rotor doblado o determinadas holguras que pueden presentar amplitudes similares pero patrones de fase claramente diferentes.

Un analista que incorpora la fase a su proceso diagnóstico tiene una herramienta adicional que reduce la ambigüedad y aumenta significativamente la confiabilidad de sus conclusiones.

Concepto de fase en el análisis de vibraciones

La fase, o ángulo de fase, es la relación angular entre una señal de vibración y una referencia de rotación, normalmente proporcionada por un tacómetro o sensor de referencia. Expresa el desfase temporal entre ambas señales y se representa en grados (0° a 360°).

Para entenderlo de forma concreta: imagina un rotor con una masa desbalanceada. Cada vez que esa masa pasa por la misma posición angular, genera el mismo impulso vibratorio. La fase mide exactamente en qué punto de la revolución ocurre ese impulso máximo.

La referencia es proporcionada normalmente por un tacómetro óptico o de proximidad que genera un pulso una vez por revolución al detectar una marca reflectante o una muesca en el eje. Ese pulso es el punto cero a partir del cual se mide el ángulo de fase.

La fase puede medirse sobre la componente 1X u otras frecuencias del espectro, aunque en la práctica diagnóstica la referencia más utilizada es siempre la 1X.

Cómo se mide la fase

Existen varios métodos para medir la fase en campo, cada uno con sus ventajas y limitaciones.

Tacómetro con analizador de vibraciones

Es el método más preciso y el más utilizado en programas de monitoreo de condición. El tacómetro genera un pulso de referencia por revolución que el analizador utiliza para calcular el ángulo de fase de la componente 1X con exactitud. El analizador calcula el ángulo de fase comparando la señal de vibración con la referencia de rotación proporcionada por el tacómetro. La medición puede realizarse sobre cualquier componente del espectro, siempre que exista una referencia adecuada, aunque la componente sincrónica (1X) es la más utilizada para diagnóstico.

Este método permite comparar mediciones de fase entre diferentes puntos del equipo y entre diferentes campañas de medición, siempre que la marca de referencia permanezca en la misma posición del eje.

Estroboscopio

El estroboscopio sincroniza sus destellos con la frecuencia de vibración del equipo, permitiendo observar la posición aparente del rotor en el momento de máxima vibración. Es un método cualitativo útil para confirmar diagnósticos en campo, especialmente en máquinas de velocidad constante.

Su principal limitación es que no proporciona un valor numérico preciso de la fase y no permite comparaciones sistemáticas entre campañas.

Sensores de proximidad (sistemas permanentes)

Los sensores de proximidad instalados en los apoyos proporcionan mediciones continuas del desplazamiento relativo del eje. Cuando el sistema incorpora una referencia de rotación, como un sensor Keyphasor® o equivalente, también puede calcular la amplitud y el ángulo de fase de la componente 1X. Esta información es la base de los diagramas de Bode y diagramas polares, y del seguimiento dinámico del rotor durante arranques y paradas.

Aplicaciones diagnósticas de la fase

La fase es especialmente valiosa en cuatro situaciones diagnósticas concretas.

Confirmación de desbalance

El desbalance genera una componente dominante en 1X con un ángulo de fase estable y consistente entre mediciones. Esta estabilidad constituye uno de los criterios que puede apoyar el diagnóstico, siempre que se evalúe junto con la amplitud, la dirección de medición, la velocidad y el comportamiento histórico de la máquina.

Además, la relación de fase entre la dirección horizontal y vertical en el mismo apoyo proporciona información sobre la naturaleza del desbalance. En muchas máquinas con comportamiento predominantemente lineal, las mediciones horizontales y verticales presentan relaciones de fase compatibles con el movimiento orbital esperado. La interpretación depende de la dinámica del rotor, la posición de los sensores y las condiciones de operación, por lo que no existe un valor único aplicable a todas las máquinas.

Diferenciación entre desbalance y desalineación

Desbalance y desalineación pueden generar amplitudes similares en el espectro, especialmente cuando ambas condiciones coexisten. La fase permite orientar la diferenciación:

Desbalance: suele presentar una componente dominante en 1X y relaciones de fase relativamente estables entre mediciones realizadas bajo condiciones similares.

Desalineación angular: puede generar diferencias importantes de fase axial entre puntos situados a ambos lados del acoplamiento, acompañadas normalmente de vibración axial elevada.

Desalineación paralela: puede producir diferencias de fase radial entre puntos ubicados a ambos lados del acoplamiento, especialmente en la dirección donde predomina la desviación.

Estos patrones son orientativos y dependen del tipo de acoplamiento, la rigidez de los apoyos, la ubicación de los sensores y el comportamiento dinámico del conjunto.

Identificación de resonancia

Cuando la frecuencia de excitación atraviesa una frecuencia natural, la fase de la respuesta vibratoria respecto a la excitación del sistema cambia progresivamente. En un sistema ideal de un grado de libertad, la variación total puede aproximarse a 180°, aunque en maquinaria real depende del amortiguamiento, de la interacción entre modos y de la ubicación y dirección de medición.

En el diagrama de Bode, este cambio de fase aparece centrado en la velocidad crítica, coincidiendo con el pico de amplitud. La combinación de ambos indicadores (pico de amplitud y cambio de fase de 180°) aporta evidencia sólida de una condición resonante.

Cuando se sospecha una resonancia estructural a velocidad constante, una prueba de impacto permite obtener funciones de respuesta en frecuencia que relacionan la fuerza aplicada con la respuesta de la estructura. El análisis conjunto de amplitud, coherencia y fase ayuda a identificar frecuencias naturales y formas modales.

Evaluación de un posible rotor doblado

Un rotor doblado puede generar una respuesta importante en 1X similar a la producida por el desbalance. Dependiendo de la ubicación de la deformación y de la configuración de la máquina, pueden observarse diferencias de fase axial entre puntos situados en extremos opuestos del rotor. Sin embargo, este patrón no es exclusivo y también puede aparecer ante otras condiciones, como desalineación o deformaciones térmicas. El diagnóstico debe complementarse con mediciones de baja velocidad, evaluación del runout, forma de onda, órbitas y antecedentes operativos de la máquina.

Comparación de fase entre puntos: la técnica más poderosa

Una de las aplicaciones más valiosas del análisis de fase es la comparación sistemática entre diferentes puntos de medición del mismo equipo o de la misma estructura.

Comparación entre apoyos

Comparar la fase de la componente 1X entre el apoyo de accionamiento y el apoyo libre de un mismo eje permite evaluar si el rotor se comporta como un cuerpo rígido o si existe alguna condición que genera diferencias dinámicas entre ambos extremos.

Comparación entre direcciones

En el mismo punto de medición, comparar la fase entre la dirección horizontal y vertical proporciona información sobre la naturaleza del movimiento orbital del eje y puede orientar el diagnóstico hacia condiciones específicas como holgura direccional o anisotropía del apoyo. En maquinaria equipada con cojinetes hidrodinámicos, esta comparación también contribuye a interpretar el comportamiento orbital del eje cuando se analiza junto con las órbitas y el análisis de fase.

Mapas de fase en estructuras

En problemas de resonancia estructural, medir la fase en múltiples puntos de la estructura permite construir un mapa que muestra qué zonas se mueven en fase (en el mismo sentido) y cuáles se mueven en contrafase. Este mapa es fundamental para identificar los nodos de vibración y diseñar soluciones correctivas efectivas.

Comparación entre máquinas acopladas

La comparación de fase entre el motor y la máquina accionada es una de las aplicaciones más utilizadas durante la verificación de desalineación y en la identificación de problemas en acoplamientos. Esta comparación permite evaluar cómo se transmite el movimiento vibratorio entre ambos equipos y complementa el análisis de amplitud.

Errores comunes en el análisis de fase

No mantener la referencia de fase constante: si la marca del tacómetro cambia de posición entre campañas de medición, los valores de fase no son comparables. La referencia debe permanecer siempre en la misma posición angular del eje.

Comparar fases de equipos diferentes: la fase solo tiene significado diagnóstico cuando se compara en el mismo equipo, con la misma referencia y en condiciones de operación similares. Comparar valores absolutos de fase entre máquinas distintas no aporta información útil.

Interpretar únicamente el valor absoluto de la fase: el valor de fase por sí solo tiene poca utilidad. Su verdadero valor diagnóstico aparece cuando se compara entre puntos de medición, direcciones o campañas realizadas bajo condiciones similares.

Ignorar la fase cuando el espectro es ambiguo: cuando el espectro muestra una componente 1X elevada sin un diagnóstico claro, la fase es frecuentemente la herramienta que resuelve la ambigüedad. No incorporarla al proceso diagnóstico en estos casos es una oportunidad perdida.

Medir la fase con velocidad inestable: la fase es sensible a variaciones de velocidad. En equipos con velocidad fluctuante, los valores de fase pueden ser inconsistentes y dificultar la interpretación. Es necesario asegurarse de que el equipo opere a velocidad estable durante la medición.

Conclusión

La fase es la dimensión del análisis de vibraciones que más frecuentemente se subutiliza y que más información adicional puede aportar cuando se incorpora de forma sistemática al proceso diagnóstico.

Apoyar el diagnóstico de desbalance, evaluar patrones compatibles con desalineación, identificar condiciones resonantes o investigar una posible deformación del rotor son tareas que se realizan con mucha mayor confiabilidad cuando la fase forma parte del análisis. La fase no sustituye al espectro ni a la forma de onda, sino que aporta una dimensión adicional que permite reducir la incertidumbre del diagnóstico cuando se interpreta junto con el resto de la información disponible.

El analista que mide fase de forma rutinaria toma decisiones más fundamentadas y reduce significativamente la ambigüedad en sus diagnósticos. Por esta razón, el análisis de fase constituye una de las herramientas más valiosas para complementar el análisis espectral dentro de un programa de monitoreo basado en condición.