Comprensión del frotamiento en maquinaria rotativa
Frotamiento es el contacto por fricción y el movimiento relativo de deslizamiento entre los componentes rotativos y estacionarios de una máquina. El término enfatiza el aspecto de fricción continua de contacto rotor-estator, distinguiéndolo del contacto ligero e intermitente o de los impactos únicos que también pueden ocurrir. El rozamiento genera fuerzas de fricción, libera calor significativo a través del trabajo de fricción y produce una firma vibración dominada por el giro retrógrado, subsíncrono componentes y efectos térmicos. Es una de las fallas más peligrosas que puede desarrollar una máquina rotativa, porque puede escalar a una falla total en cuestión de minutos.
“Rozamiento” y “rozamiento del rotor” a menudo se usan indistintamente. En la práctica, el rozamiento tiende a enfatizar el lado de la fricción y el térmico del contacto, mientras que el rozamiento del rotor es el término paraguas más amplio que cubre toda forma de contacto, desde un raspado ligero hasta impactos duros.
1. La mecánica de la fricción del rozamiento
Modelo de fricción de Coulomb
El rozamiento obedece a los principios de la fricción seca (Coulomb):
- Fuerza de fricción: F = μ × N, donde μ es el coeficiente de fricción y N es la fuerza normal que presiona las superficies juntas.
- Dirección: la fuerza de fricción siempre se opone al movimiento relativo entre las superficies en contacto.
- Coeficientes típicos: acero sobre acero μ ≈ 0.3–0.5; acero sobre material de sello μ ≈ 0.2–0.4.
- Generación de calor: prácticamente todo el trabajo de fricción se convierte en calor en el contacto.
Fuerzas tangenciales y normales
Durante el contacto, dos componentes de fuerza actúan sobre el rotor:
- Fuerza normal: empuja radialmente hacia el interior del rotor en el punto de rozamiento.
- Fuerza de fricción: actúa tangencialmente, oponiéndose a la rotación.
- Fuerza resultante: la combinación tiende a ralentizar el rotor y desviarlo hacia atrás, en contra de la dirección de giro.
- Aumento del par: la fricción disipa potencia, aumentando el par de accionamiento que la máquina debe suministrar.
2. Patrones característicos de vibración
Precesión retrógrada
La característica más distintiva del rozamiento es el giro retrógrado (inverso) precesión:
- La fuerza de fricción crea un componente tangencial que impulsa el movimiento orbital hacia atrás.
- El eje órbita traza una órbita opuesta a la dirección de rotación del eje.
- La frecuencia de giro es típicamente subsíncrona, es decir, menor que 1× la velocidad de operación.
- Las frecuencias comunes aparecen en órdenes fraccionarios: 0.5×, 0.33×, 0.25×.
- La forma de la órbita a menudo es irregular o visiblemente distorsionada.
Características del Espectro
- Picos subsíncronos: múltiples picos por debajo de 1×, frecuentemente en armónicos fraccionarios.
- Componente síncrono: el 1× síncrono el pico puede aumentar a medida que las fuerzas de rozamiento se suman a él.
- Armónicos superiores: 2×, 3×, 4× armónicos aparecen debido a la no linealidad de la fricción intermitente.
- Ruido de banda ancha: el nivel de ruido en todo el espectro aumenta.
- Espectro inestable: los picos aparecen y desaparecen o cambian de frecuencia de una medición a la siguiente.
Características de la Forma de Onda en el Tiempo
- Eventos impulsivos o picos cada vez que se inicia el contacto, visibles en la forma de onda en el tiempo.
- Corte o aplanamiento en las desviaciones máximas, donde el estator limita físicamente el recorrido.
- Una forma general irregular y no sinusoidal.
- Patrones de batido producidos por la coexistencia de varias frecuencias.
3. Efectos térmicos del rozamiento
Generación de calor
La fricción convierte la energía mecánica directamente en calor:
- Tasa: la potencia disipada es igual a la fuerza de fricción × velocidad de deslizamiento.
- Magnitud: un roce ligero puede liberar 10–100 vatios; un roce intenso, kilovatios.
- Concentración: ese calor se descarga en un área de contacto muy pequeña.
- Aumento de temperatura: las temperaturas superficiales locales pueden superar los 500 °C en casos graves.
Desarrollo de flexión térmica
El peligro del roce radica en un bucle de retroalimentación calor-vibración:
- El roce inicial deposita calor en un lado del eje.
- El calentamiento asimétrico dobla el eje formando una flexión térmica.
- La flexión térmica aumenta la deflexión del eje.
- Una mayor deflexión provoca un roce más severo.
- Más roce genera aún más calor.
- Esta retroalimentación positiva puede llevar a una falla rápida e incontrolable.
Dado que cada vuelta de este bucle profundiza la siguiente, el roce se considera una forma de vibración autoexcitada y una vía hacia una inestabilidad del rotor.
Efectos térmicos secundarios
- Calentamiento de rodamientos: el calor se conduce a lo largo del eje hacia los rodamientos.
- Degradación del aceite: las temperaturas excesivas degradan el lubricante.
- Cambios en el material: transformaciones de fase o cambios metalúrgicos en las zonas afectadas por el calor.
- Esfuerzo térmico: puede iniciar grietas en las regiones sometidas a esfuerzo térmico.
4. Detección del roce en campo
Monitoreo de vibraciones
- Alarmas subsíncronas: alertan sobre picos a 0.3–0.5× la velocidad de operación.
- Monitoreo de órbita: el análisis automatizado de órbita marca la aparición de precesión inversa.
- Cambios espectrales: los algoritmos detectan la llegada repentina de múltiples armónicos.
- Recorte de la forma de onda: detección de la distorsión no sinusoidal que produce el contacto.
Reconocer estos patrones es exactamente para lo que sirve un analizador portátil. Trabajando en los propios rodamientos de la máquina a velocidad de operación, un instrumento de dos canales como el Balanset-1A captura la forma de onda en el tiempo y la amplitud y fase a 1×, para que un técnico pueda ver el recorte impulsivo y la energía de orden fraccionario que marcan un roce, y luego verificar si el desbalance residual o desalineación es el impulsor subyacente antes de cualquier desmontaje.
Monitoreo de temperatura
- Aplastamiento sensores de temperatura con alarmas de aumento rápido.
- Monitoreo de temperatura infrarroja de las secciones expuestas del eje.
- Monitoreo de diferencia de temperatura — parte superior versus inferior de un rodamiento.
- Alarmas de tasa de cambio, por ejemplo, mayores a 5 °C por minuto.
Indicadores Adicionales
- Aumento del par: el consumo de energía aumenta a medida que la fricción carga el accionamiento.
- Fluctuación de velocidad: pequeñas variaciones de velocidad por el par de fricción variable.
- Emisión acústica: sonido de alta frecuencia del contacto, detectable por emisión acústica sensores.
- Inspección visual: desperdicio de desgaste, decoloración y rayado visible.
5. Respuesta ante un roce
Acciones inmediatas
- Reducir la severidad: disminuir la velocidad o la carga si es seguro hacerlo.
- Monitorear de cerca: mantener vigilancia continua sobre la vibración y la temperatura.
- Prepararse para la parada: tener un plan de emergencia parada listo.
- Parada de emergencia: detener la máquina por seguridad si la vibración o la temperatura están escalando.
- Permitir el enfriamiento: hacer funcionar el giro lento o permitir el enfriamiento natural antes de la inspección, para que la flexión térmica del rotor pueda relajarse.
Investigación
- Inspeccionar en busca de evidencia física de contacto.
- Medir los juegos en las ubicaciones sospechosas de rozamiento.
- Verificar si hay flexión térmica del rotor o deformación permanente flexión del eje.
- Identificar la causa raíz: vibración excesiva, juego insuficiente, etc.
Acciones correctivas
- Aumentar los juegos: desbaste las áreas dañadas o reemplace los componentes.
- Abordar la causa raíz: balancear el rotor, corregir la alineación, reparar el problema del rodamiento que permitió el contacto.
- Reemplazar las piezas dañadas: sellos, componentes del rodamiento y secciones del eje según sea necesario.
- Verificar los juegos: confirmar un juego adecuado en cada ubicación antes del reinicio.
El rozamiento es una de las fallas relacionadas con la vibración más graves en las máquinas rotativas. Su capacidad para escalar rápidamente a través de la retroalimentación térmica exige un reconocimiento inmediato, una respuesta rápida y disciplinada, y una corrección exhaustiva, porque la alternativa, en equipos críticos, es una falla catastrófica.
