Comprensión del sistema rotor-rodamiento
A sistema rotor-rodamiento es el conjunto mecánico completo e integrado formado por un rotor giratorio rotor (un eje con sus componentes adjuntos), los rodamientos que restringen su movimiento y soportan sus cargas, y la estructura estacionaria — soportes, pedestales, bastidor y cimentación — que conecta los rodamientos con el suelo. En dinámica de rotores esta cadena completa se analiza como una sola entidad, porque el comportamiento dinámico de cada parte moldea el comportamiento de todas las demás.
En lugar de estudiar el rotor de forma aislada, un análisis rotorodinámico sólido trata el sistema como una red mecánica acoplada. Las propiedades del rotor (masa, rigidez, amortiguamiento), las características de los rodamientos (rigidez, amortiguamiento, juegos) y las propiedades de la estructura de soporte (flexibilidad, amortiguamiento) interactúan todas para establecer la velocidades críticas, sus vibración respuesta de la máquina, y sus estabilidad. Cambiar un solo elemento y los demás responden.
1. Componentes del sistema
El conjunto del rotor
La parte giratoria del sistema, que comprende:
- Eje: el elemento giratorio principal, que proporciona la mayor parte de la rigidez a flexión.
- Discos y ruedas: impulsores, ruedas de turbina, acoplamientos y poleas que añaden masa e inercia.
- Masa distribuida: rotores tipo tambor, o la masa del propio eje.
- Acoplamientos: los enlaces con el equipo motor o accionado.
El carácter dinámico del rotor está determinado por su distribución de masa a lo largo del eje, su rigidez a flexión del eje (una función del diámetro, la longitud y el material), sus momentos de inercia polar y diametral (que impulsan la efecto giroscópico), y su amortiguamiento interno, que suele ser pequeño. Si el eje se comporta como un rotor rígido o un rotor flexible en su rango de funcionamiento se deriva directamente de estas propiedades.
Rodamientos
Los elementos de interfaz que soportan el rotor y permiten la rotación se dividen en tres familias amplias:
- Rodamientos de elementos rodantes: rodamientos de bolas y rodillos.
- Rodamientos de película fluida: cojinetes de fricción, rodamientos de patillas basculantes y rodamientos de empuje.
- Rodamientos magnéticos: suspensión electromagnética activa.
Lo que importa dinámicamente es la rigidez de cada rodamiento (resistencia a la deflexión bajo carga, en N/m o lbf/in), su amortiguamiento (disipación de energía, en N·s/m), la pequeña masa de sus partes móviles, sus juegos radiales y axiales del rodamiento (que establecen la rigidez e introducen no linealidad), y — crucialmente para los tipos de película fluida — una fuerte dependencia de la velocidad: la rigidez y el amortiguamiento de un cojinete de fricción cambian notablemente con la velocidad de giro.
Estructura de soporte
Los elementos estacionarios de cimentación incluyen los soportes de rodamientos y pedestales, la placa base o el bastidor que los conecta, la cimentación de hormigón o acero que transmite las cargas al suelo, y cualquier elemento de aislamiento — resortes, almohadillas o soportes — utilizado para controlar la vibración. El soporte aporta rigidez adicional (a veces comparable, a veces menor, a la del propio rotor), amortiguamiento a través del material y las uniones, y masa que desplaza las frecuencias naturales globales del sistema. Cuando esa rigidez de la cimentación es inadecuada, puede dominar el comportamiento de la máquina.
2. Por qué el análisis a nivel de sistema es esencial
Comportamiento acoplado
La característica definitoria del sistema es que cada componente actúa sobre los demás:
- Deflexión del rotor genera fuerzas sobre los rodamientos.
- Deflexión del rodamiento cambia las condiciones de soporte del rotor.
- La flexibilidad del soporte permite que los rodamientos se muevan, reduciendo la rigidez aparente del rodamiento.
- Vibración de la cimentación retroalimenta al rotor a través de los rodamientos.
Frecuencias naturales del sistema
El frecuencias naturales pertenecen al sistema completo, no a una sola parte:
- Los rodamientos blandos con un rotor rígido dan velocidades críticas más bajas.
- Los rodamientos rígidos con un rotor flexible dan velocidades críticas más altas.
- Una cimentación flexible puede arrastrar las velocidades críticas hacia abajo incluso cuando los rodamientos son rígidos.
- La frecuencia natural del sistema nunca es simplemente la frecuencia natural del rotor por sí solo.
Mapear cómo se mueven estas frecuencias con la velocidad es exactamente para lo que sirve un Diagrama de Campbell sirve, y cada cruce corresponde a una forma modal del sistema ensamblado.
3. Métodos de análisis
Modelos simplificados
Para trabajos preliminares, los ingenieros recurren a modelos reducidos:
- Viga simplemente apoyada: el rotor como una viga sobre soportes rígidos, despreciando la flexibilidad de los rodamientos y la cimentación.
- Rotor de Jeffcott: una masa concentrada sobre un eje flexible con soportes elásticos: el modelo didáctico clásico que incluye la rigidez de los rodamientos.
- Método de la matriz de transferencia: el enfoque manual tradicional para rotores multidisco.
Modelos avanzados
Para análisis preciso de maquinaria real:
- Análisis por elementos finitos (FEA): un modelo detallado del rotor con elementos elásticos que representan los rodamientos.
- Modelos de rodamientos: rigidez y amortiguamiento no lineales que varían con la velocidad, la carga y la temperatura.
- Flexibilidad de la cimentación: un modelo por elementos finitos o modal de la estructura de soporte.
- Análisis acoplado: el sistema completo, incluyendo cada efecto interactivo.
4. Parámetros clave del sistema
Contribuciones a la rigidez
La rigidez total del sistema es una combinación en serie de las rigideces del rotor, los rodamientos y la cimentación:
1/ktotal = 1/krotor + 1/kde rodillos + 1/kcimentación
- El elemento más blando domina la rigidez global, al igual que el eslabón más débil rige una cadena.
- Un caso común en la práctica es la flexibilidad de la cimentación que reduce la rigidez del sistema por debajo de la rigidez del rotor por sí solo.
Contribuciones al amortiguamiento
- Amortiguamiento del rodamiento: generalmente la fuente dominante, especialmente en rodamientos de película fluida.
- Amortiguamiento de la cimentación: amortiguamiento estructural y de material en los soportes.
- Amortiguamiento interno del rotor: típicamente muy pequeño y generalmente despreciado.
- Amortiguamiento total: la suma de los elementos de amortiguamiento en paralelo.
5. Implicaciones prácticas
Para el diseño de máquinas
- Un rotor no puede diseñarse de forma aislada de sus rodamientos y cimentación.
- La selección de rodamientos determina las velocidades críticas alcanzables.
- La rigidez de la cimentación debe ser adecuada para soportar el rotor.
- La verdadera optimización considera todos los elementos a la vez.
Para el balanceo
- Coeficientes de influencia captar la respuesta del sistema completo, no solo del rotor desnudo.
- Balanceo en campo tiene en cuenta automáticamente las características del sistema instalado.
- El balanceo en taller con un conjunto diferente de rodamientos y soportes puede no transferirse perfectamente a la máquina instalada.
- Los cambios en el sistema: desgaste de rodamientos, asentamiento de la cimentación, alteran la respuesta de balanceo con el tiempo.
Esta es precisamente la razón por la que la medición en campo es tan valiosa. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A balancea el rotor en sus propios rodamientos, a velocidad de operación, sobre su cimentación real, por lo que los amplitud-y-fase datos que recopila y los coeficientes de influencia que calcula reflejan el verdadero sistema rotor-rodamiento en el que la máquina realmente opera, incluidos los efectos de soporte y térmicos que una máquina de balanceo nunca ve. El desbalance residual que verifica es, por lo tanto, el desbalance residual con el que el rotor convivirá en servicio.
Para la solución de problemas
- Un problema de vibración puede originarse en el rotor, los rodamientos o la cimentación.
- El diagnóstico debe considerar el sistema completo, no una sola parte sospechosa.
- Un cambio en un componente desplaza el comportamiento del conjunto.
- Por ejemplo, la degradación de la cimentación puede reducir las velocidades críticas de una máquina hasta introducirlas en el rango de operación.
6. Configuraciones comunes del sistema
Configuración simple entre rodamientos
- El rotor está soportado por dos rodamientos en sus extremos.
- La disposición industrial más común y la más sencilla de analizar.
- Se adapta al estándar balanceo en dos planos enfoque.
Configuración de rotor en voladizo
- Un rotor en voladizo se extiende más allá de su soporte de rodamientos.
- El brazo de momento aumenta las cargas en los rodamientos.
- Es más sensible al desbalance y propenso a un mayor desbalance de par componente.
- Común en ventiladores, bombas y algunos motores.
Sistemas de múltiples rodamientos
- Tres o más rodamientos soportan un solo rotor.
- La distribución de cargas es más compleja.
- La alineación entre rodamientos se vuelve crítica.
- Común en turbinas grandes, generadores y rodillos de máquinas de papel.
Sistemas de múltiples rotores acoplados
- Varios rotores unidos por acoplamientos, como en conjuntos motor-bomba y turbina-generador.
- Cada rotor tiene sus propios rodamientos, pero los sistemas están acoplados dinámicamente.
- Esta es la configuración más compleja de analizar.
- Desalineación en un acoplamiento genera fuerzas de interacción entre los rotores.
Ver las máquinas rotativas como un sistema integrado rotor-rodamiento, en lugar de una colección de componentes aislados, es fundamental para un diseño, análisis y solución de problemas efectivos. La perspectiva a nivel de sistema explica una gran cantidad de fenómenos de vibración que no tienen sentido de forma aislada, y señala el camino hacia acciones correctivas que realmente funcionan, para un funcionamiento confiable y eficiente.
