Comprensión del sistema rotor-cojinete
A sistema rotor-cojinete es el conjunto mecánico completo e integrado formado por un elemento giratorio rotor (un eje con sus componentes asociados), los cojinetes que limitan su movimiento y soportan sus cargas, y la estructura fija —carcasas, pedestales, bastidor y cimentación— que une los cojinetes al suelo. En dinámica del rotor Esta cadena en su conjunto se analiza como una sola entidad, ya que el comportamiento dinámico de cada parte determina el comportamiento del resto.
En lugar de estudiar el rotor de forma aislada, un análisis rotor-dinámico adecuado considera el sistema como una red mecánica acoplada. Las propiedades del rotor (masa, rigidez, amortiguación), las características de los cojinetes (rigidez, amortiguación, holguras) y las propiedades de la estructura de soporte (flexibilidad, amortiguación) interactúan entre sí para determinar el comportamiento de la máquina. velocidades críticas, su vibración respuesta, y su estabilidad. Si se modifica cualquier elemento, los demás se adaptan.
1. Componentes del sistema
El conjunto del rotor
La parte giratoria del sistema, compuesta por:
- Eje: el elemento giratorio principal, que aporta la mayor parte de la rigidez a la flexión.
- Discos y ruedas: impulsores, rodetes de turbina, acoplamientos y poleas que aumentan la masa y la inercia.
- Masa distribuida: los rotores de tipo tambor, o la masa del propio eje.
- Acoplamientos: las conexiones con el equipo motor o el equipo accionado.
El comportamiento dinámico del rotor viene determinado por la distribución de su masa a lo largo del eje, la rigidez a la flexión del eje (que depende del diámetro, la longitud y el material), y sus momentos de inercia polar y diametral (que determinan el efecto giroscópico), y su amortiguación interna, que suele ser pequeña. El hecho de que el eje se comporte como un rotor rígido o un rotor flexible en su rango de funcionamiento se deriva directamente de estas propiedades.
Cojinetes
Los elementos de la interfaz que sostienen el rotor y permiten su rotación se dividen en tres grandes grupos:
- Rodamientos de elementos rodantes: rodamientos de bolas y de rodillos.
- Cojinetes de película de fluido: cojinetes de deslizamiento, cojinetes de almohadillas basculantes y cojinetes de empuje.
- Cojinetes magnéticos: suspensión electromagnética activa.
Lo que importa desde el punto de vista dinámico es la rigidez de cada cojinete (resistencia a la deformación bajo carga, en N/m o lbf/pulgada), su amortiguación (disipación de energía, en N·s/m), la reducida masa de sus partes móviles, sus holguras radiales y axiales holguras (que determinan la rigidez e introducen la no linealidad) y —lo que resulta fundamental en el caso de los cojinetes de película de fluido— una fuerte dependencia de la velocidad: la rigidez y la amortiguación de un cojinete de deslizamiento varían notablemente con la velocidad de funcionamiento.
Estructura de soporte
Los elementos fijos de cimentación incluyen el cajas de cojinetes y pedestales, la placa base o el bastidor que los une, los cimientos de hormigón o acero que transmiten las cargas al suelo, y cualquier elemento de aislamiento —muelles, almohadillas o soportes— utilizado para controlar las vibraciones. El soporte aporta rigidez adicional (a veces comparable a la del propio rotor, a veces inferior), amortiguación a través del material y las uniones, y masa que modifica las frecuencias naturales del sistema en su conjunto. Donde eso rigidez de los cimientos Cuando esta es inadecuada, puede condicionar el comportamiento de la máquina.
2. Por qué es fundamental el análisis a nivel del sistema
Comportamiento acoplado
La característica principal del sistema es que cada componente influye en los demás:
- Deflexión del rotor ejerce fuerzas sobre los cojinetes.
- Deflexión del cojinete modifica las condiciones de apoyo del rotor.
- Flexibilidad del soporte permite que los cojinetes se muevan, lo que reduce la rigidez aparente de los mismos.
- Vibración de los cimientos se transmite al rotor a través de los cojinetes.
Frecuencias naturales del sistema
En frecuencias naturales pertenecen al sistema en su conjunto, no a una parte concreta:
- Los cojinetes blandos con un rotor rígido dan lugar a velocidades críticas más bajas.
- Los cojinetes rígidos con un rotor flexible permiten alcanzar velocidades críticas más altas.
- Una base flexible puede reducir las velocidades críticas incluso cuando los cojinetes son rígidos.
- La frecuencia natural del sistema nunca es simplemente la frecuencia natural del rotor por sí sola.
Analizar cómo varían estas frecuencias en función de la velocidad es precisamente lo que hace un Diagrama de Campbell sirve para, y cada cruce corresponde a un forma modal del sistema montado.
3. Métodos de análisis
Modelos simplificados
Para los trabajos preliminares, los ingenieros recurren a modelos reducidos:
- Viga con dos apoyos: el rotor como una viga sobre soportes rígidos, sin tener en cuenta la flexibilidad de los cojinetes y los cimientos.
- Rotor Jeffcott: una masa concentrada en un eje flexible con soportes elásticos: el modelo clásico de enseñanza que tiene en cuenta la rigidez de los cojinetes.
- Método de la matriz de transferencia: el método manual tradicional para rotores multidisco.
Modelos avanzados
Para un análisis preciso de maquinaria real:
- Análisis de elementos finitos (FEA): un modelo detallado del rotor con elementos elásticos que representan los cojinetes.
- Modelos de cojinetes: rigidez y amortiguación no lineales que varían en función de la velocidad, la carga y la temperatura.
- Flexibilidad de la base: un modelo de análisis por elementos finitos (FEA) o un modelo modal de la estructura de soporte.
- Análisis conjunto: el sistema completo, incluyendo todos los efectos interactivos.
4. Parámetros clave del sistema
Contribuciones a la rigidez
La rigidez total del sistema es una combinación en serie de las rigideces del rotor, el cojinete y la base:
1/ktotal = 1/krotor + 1/kcojinete + 1/kbase
- El elemento más blando determina la rigidez total, del mismo modo que el eslabón más débil determina la resistencia de una cadena.
- Un caso habitual en la práctica es que la flexibilidad de los cimientos haga que la rigidez del sistema sea inferior a la rigidez del rotor por sí sola.
Contribuciones de amortiguación
- Amortiguación de cojinetes: suele ser la fuente principal, sobre todo en los cojinetes de película de fluido.
- Amortiguación de cimientos: amortiguación estructural y de los materiales en los soportes.
- Amortiguación interna del rotor: por lo general, son muy pequeños y suelen pasarse por alto.
- Amortiguación total: la suma de los elementos de amortiguación en paralelo.
5. Implicaciones prácticas
Para el diseño de máquinas
- Un rotor no puede diseñarse sin tener en cuenta sus cojinetes y su cimentación.
- La elección de los cojinetes determina las velocidades críticas que se pueden alcanzar.
- La rigidez de los cimientos debe ser la adecuada para soportar el rotor.
- Una verdadera optimización tiene en cuenta todos los elementos a la vez.
Para equilibrar
- Coeficientes de influencia captar la respuesta del sistema completo, no solo del rotor.
- Equilibrado en campo tiene en cuenta automáticamente las características del sistema tal como está instalado.
- Es posible que el equilibrado realizado en un juego de cojinetes y soportes diferente no se transfiera perfectamente a la máquina instalada.
- Los cambios en el sistema —como el desgaste de los cojinetes o el asentamiento de los cimientos— alteran la respuesta de equilibrio con el paso del tiempo.
Precisamente por eso la medición in situ resulta tan valiosa. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A equilibra el rotor en sus propios cojinetes, a velocidad de funcionamiento, sobre su base real, de modo que el amplitud-y-fase los datos que recopila y los coeficientes de influencia que calcula reflejan el sistema real de rotor y cojinete en el que funciona la máquina, incluyendo los efectos de soporte y térmicos que una máquina equilibradora nunca detecta. El desequilibrio residual Por lo tanto, lo que se comprueba es el desequilibrio residual con el que el rotor convivirá durante su funcionamiento.
Para la resolución de problemas
- Un problema de vibraciones puede tener su origen en el rotor, los cojinetes o los cimientos.
- El diagnóstico debe tener en cuenta el sistema en su conjunto, no solo una pieza concreta.
- Un cambio en un solo componente altera el comportamiento del conjunto.
- Por ejemplo, el deterioro de los cimientos puede reducir las velocidades críticas de una máquina hasta situarlas dentro del rango de funcionamiento.
6. Configuraciones habituales del sistema
Configuración simple entre cojinetes
- El rotor está apoyado en dos cojinetes en sus extremos.
- La disposición industrial más habitual y la más fácil de analizar.
- Cumple con la norma equilibrado en dos planos enfoque.
Configuración de rotor en voladizo
- Un rotor en voladizo se extiende más allá de su soporte de cojinete.
- El brazo de palanca aumenta las cargas sobre los cojinetes.
- Es más sensible al desequilibrio y propenso a sufrir un mayor desequilibrio de par componente.
- Es habitual en ventiladores, bombas y algunos motores.
Sistemas de múltiples rodamientos
- Un solo rotor se apoya en tres o más cojinetes.
- La distribución de la carga es más compleja.
- La alineación entre los cojinetes es fundamental.
- Se utiliza habitualmente en turbinas de gran tamaño, generadores y rodillos de máquinas de papel.
Sistemas multirrotor acoplados
- Varios rotores unidos mediante acoplamientos, como en los grupos de motor-bomba y turbina-generador.
- Cada rotor tiene sus propios cojinetes, pero los sistemas están acoplados dinámicamente.
- Esta es la configuración más compleja de analizar.
- Desalineación En un acoplamiento se generan fuerzas de interacción entre los rotores.
Considerar la maquinaria rotativa como un sistema integrado de rotor y cojinete —en lugar de como un conjunto de componentes aislados— es fundamental para un diseño, un análisis y una resolución de problemas eficaces. La perspectiva a nivel de sistema explica una gran cantidad de fenómenos de vibración que no tienen sentido si se analizan de forma aislada, y señala el camino hacia medidas correctivas que realmente funcionan, con el fin de lograr un funcionamiento fiable y eficiente.
