Cómo interpretar órbitas del eje en turbomaquinaria

El espectro dice a qué frecuencia vibra un eje; la órbita dice cómo se mueve. En turbomaquinaria con cojinetes de película de aceite, una sola órbita muestra la forma del movimiento, su dirección y la fase respecto a una marca del eje, con pistas claras sobre desbalance, precargas, roces o inestabilidad.

También es una de las gráficas más fáciles de malinterpretar: una sonda mal declarada o un runout sin compensar cambian por completo lo que parece estar pasando. En este artículo explicamos cómo se construye una órbita, cómo leerla paso a paso y qué errores evitar.

De dos sondas a una órbita

Una órbita es la trayectoria del centro del eje dentro del cojinete. Para dibujarla hacen falta:

• Dos sondas de proximidad en el mismo plano, a 90° entre sí, llamadas X e Y. La instalación más habitual las coloca a 45° a cada lado de la vertical, vistas desde el accionador. Cada una mide la distancia al eje, de modo que su señal tiene una parte continua (la posición promedio, o gap) y una parte dinámica (la vibración).
• Una referencia de fase (Keyphasor): una muesca en el eje y una sonda que da un pulso por vuelta.
• Formas de onda de X e Y muestreadas al mismo tiempo, no solo valores globales.

La órbita se obtiene graficando Y contra X instante a instante, con la misma escala. Dos senoidales de igual amplitud desfasadas 90° dan un círculo; si cambian amplitudes o desfase, una elipse; con varias frecuencias, formas más complejas.

El punto de Keyphasor

Cada vez que la muesca pasa por la sonda Keyphasor, el software marca un punto sobre la órbita. Ese punto indica dónde estaba el eje en ese instante y permite relacionar la órbita con la fase 1X. Algunas reglas útiles:

• En una órbita 1X filtrada hay un solo punto, y su posición se mantiene si la fase es estable.
• Si la vibración dominante está cerca de 1/2X, aparecen dos puntos, porque el patrón se repite cada dos vueltas.
• Si la componente subsíncrona no es una fracción exacta (por ejemplo, típicamente 0.42X–0.48X en un oil whirl), los puntos se desplazan de una vuelta a otra y no quedan fijos.

Órbita filtrada 1X frente a órbita directa

La misma medición puede mostrarse de dos maneras, y conviene mirar siempre ambas:

Tipo de órbita	Qué contiene	Para qué sirve	Limitación
Directa (sin filtrar)	Todas las frecuencias, incluido el runout y el ruido	Ver la forma real: truncamientos, lazos, armónicos	Puede verse confusa si hay mucho ruido o runout
Filtrada 1X	Solo la componente a la velocidad de giro	Leer desbalance, fase 1X, dirección de precesión 1X	Siempre es una elipse; oculta roces y subsíncronas
Filtrada nX (2X, 0.5X…)	Una sola componente seleccionada	Aislar un mecanismo concreto	Requiere saber qué buscar

Una órbita 1X filtrada es, por definición, una elipse (o un círculo, o una línea en el extremo): no tiene sentido buscar en ella bananas o lazos. Compararla con la directa dice rápidamente cuánto del movimiento es sincrónico y cuánto viene de otras fuentes.

Dirección de precesión: directa o inversa

La precesión es el sentido en que el centro del eje recorre la órbita. Puede ser:

• Directa (hacia adelante): en el mismo sentido de giro del eje. Es lo normal en la gran mayoría de las condiciones, incluido el desbalance y la inestabilidad por película de aceite.
• Inversa (hacia atrás): en sentido contrario al giro. Es poco común y merece atención: suele asociarse a roces severos, a precargas radiales fuertes que aplanan mucho la órbita o a soportes muy asimétricos.

Para leerla hay que conocer el sentido de giro y la orientación real de las sondas. La secuencia del punto de Keyphasor y el espacio en blanco que lo acompaña indica hacia dónde avanza el eje, siempre que las sondas estén bien configuradas en el software.

Formas típicas y qué sugieren

Ninguna forma es un diagnóstico por sí sola, pero hay patrones que orientan la búsqueda.

Elíptica

Es la órbita típica del desbalance, con predominio 1X: elipse estable, punto de Keyphasor quieto y precesión directa. Que no sea un círculo suele reflejar que la rigidez del soporte es distinta en vertical y en horizontal.

Aplanada, en banana o en ocho

Cuando una precarga radial empuja el eje contra un lado del cojinete (desalineación, carga de engranes, fuerzas de proceso), la órbita se aplana. Si además hay 2X significativo, la forma se curva como una banana y, en casos más fuertes, puede llegar a formar un ocho con un lazo interno. Estas órbitas suelen acompañarse de una línea central del eje desplazada respecto a su posición normal.

Prueba aquí cómo cambia la órbita con una desalineación:

DesbalanceDesalineaciónRoceInestabilidad

Truncada o recortada

Un roce limita el movimiento del eje en una dirección: la órbita aparece aplastada contra un lado, con cambios bruscos de trayectoria. En la forma de onda se ven picos recortados y en el espectro aparecen armónicos y, a veces, componentes fraccionarias. Si el roce es fuerte y recorre toda la circunferencia, la precesión puede invertirse.

Con lazos internos

Una órbita directa con lazos internos y puntos de Keyphasor que no se quedan quietos indica una componente subsíncrona con precesión directa. Es la firma típica de la inestabilidad por película de aceite (oil whirl y oil whip), que explicamos en detalle en este artículo sobre inestabilidad. Es un hallazgo que debe vigilarse de cerca, porque puede crecer muy rápido con cambios de temperatura de aceite, carga o velocidad.

Órbita y línea central del eje: dos caras de lo mismo

La órbita muestra el movimiento dinámico; la línea central del eje muestra la posición promedio del eje dentro del cojinete, calculada a partir del gap de las sondas. Leerlas juntas evita conclusiones apresuradas:

• Una órbita aplanada con el eje muy excéntrico (pegado a un lado del cojinete) apunta a una precarga fuerte.
• Un eje demasiado centrado a velocidad de operación, con poca excentricidad, suele estar más expuesto a la inestabilidad.
• Un desplazamiento lento de la línea central en el tiempo puede indicar desgaste del cojinete, cambios de alineación térmica o cambios de carga.

En arranques y paros, la evolución de la línea central y de la respuesta 1X se completa con los diagramas de Bode y polar, que tratamos en el análisis de arranques y paros.

Errores comunes al leer órbitas

No compensar el runout

Las sondas leen cualquier irregularidad de la superficie del eje (rayas, variaciones de material o de magnetismo). Esa "vibración falsa" es el runout mecánico y eléctrico. Se identifica midiendo a baja velocidad (slow roll), donde no hay respuesta dinámica real, y se resta vectorialmente de las mediciones a velocidad de operación. Las normas de equipos API suelen limitar el runout combinado a una fracción de la vibración permitida, pero aun dentro de ese límite puede deformar una órbita de poca amplitud.

Declarar mal la orientación de las sondas

Si en el software se intercambian X e Y, o no se indica bien el ángulo de montaje y el sentido de giro, la órbita sale girada o reflejada como en un espejo. El efecto más peligroso es que la precesión parece inversa cuando en realidad es directa (o al revés), lo que lleva a sospechar un roce que no existe o a pasar por alto uno real. Conviene verificar la convención de ángulos (desde dónde se mira la máquina y desde qué referencia se miden los grados) en cada punto de medición.

Escalas distintas en X e Y

La órbita solo tiene sentido si ambos ejes usan la misma escala, en µm pp o mils. Una escala automática distinta en cada eje convierte un círculo en una elipse aparente.

Mirar una sola órbita

Una órbita es una foto. Lo que informa es cómo cambia frente a la línea base, entre cojinetes y con la velocidad y la carga. Para ubicar las órbitas dentro de un diagnóstico completo, puedes revisar cómo detectar fallas en turbocompresores.

Cómo lo hacemos en RotorMetrics

Tomamos las formas de onda de las sondas X/Y y del Keyphasor desde tu sistema de protección existente (por ejemplo, un Bently Nevada 3500) sin intervenirlo. Nuestros especialistas revisan órbitas directas y filtradas, línea central, espectros y tendencias contra la línea base de cada máquina, verifican configuración de sondas y runout, y te avisan cuando algo cambia, con una recomendación concreta para tu equipo de mantenimiento.

Fuentes

• Bently, D. E. y Hatch, C. T. Fundamentals of Rotating Machinery Diagnostics. Bently Pressurized Bearing Press, 2002.
• Eisenmann, R. C. Sr. y Eisenmann, R. C. Jr. Machinery Malfunction Diagnosis and Correction. Prentice Hall, 1998.
• Muszynska, A. Rotordynamics. CRC Press (Taylor & Francis), 2005.
• American Petroleum Institute. API Standard 670: Machinery Protection Systems, 5.ª edición, 2014.
• ISO 20816-1:2016. Mechanical vibration — Measurement and evaluation of machine vibration — Part 1: General guidelines.