Comprensión de la amortiguación en la vibración mecánica

Definición: ¿Qué es la amortiguación?

Mojadura Es el fenómeno por el cual la energía vibracional se disipa o se convierte en otras formas, principalmente calor, dentro de un sistema dinámico. Es el mecanismo que provoca que las vibraciones decaigan y finalmente se detengan tras eliminarse la fuente de excitación. En términos más simples, la amortiguación es la resistencia al movimiento que actúa contra la vibración. Todo sistema mecánico real posee cierto nivel de amortiguación; sin ella, una estructura, una vez excitada a su frecuencia natural, vibraría con una amplitud infinitamente grande.

El papel fundamental de la amortiguación en la dinámica de las máquinas

La amortiguación es una propiedad fundamental y de vital importancia en la ingeniería mecánica y el análisis de vibraciones. Su función principal es... controlar las amplitudes de vibración en resonanciaCuando la velocidad de operación de una máquina se aproxima a una de sus frecuencias naturales (velocidad crítica), la amortiguación es el único factor que impide que la vibración aumente a niveles destructivos. Un sistema bien amortiguado puede atravesar una velocidad crítica con un pico de vibración manejable y controlado, mientras que un sistema mal amortiguado puede experimentar una falla catastrófica.

Los principales beneficios de una amortiguación adecuada incluyen:

• Previene la resonancia catastrófica: Es la protección principal contra vibraciones descontroladas a velocidades críticas.
• Mejora la estabilidad del sistema: En la dinámica del rotor, la amortiguación ayuda a evitar vibraciones autoexcitadas, como remolinos de aceite y latigazos.
• Reduce el tiempo de asentamiento: Permite que un sistema regrese a su estado de equilibrio más rápidamente después de un choque o un evento transitorio.
• Minimiza el ruido y la fatiga: Al reducir los niveles generales de vibración, la amortiguación reduce la radiación de ruido y reduce la tensión por fatiga en los componentes mecánicos.

Tipos de mecanismos de amortiguación

La energía se puede disipar de varias maneras, lo que genera diferentes tipos de amortiguación:

1. Amortiguación viscosa

Este es el tipo de amortiguamiento más comúnmente modelado. Ocurre cuando un cuerpo se mueve a través de un fluido y la fuerza de amortiguamiento es proporcional a la velocidad del cuerpo. El ejemplo clásico es el amortiguador de la suspensión de un automóvil. En maquinaria rotatoria, la Película de aceite en cojinetes de película fluida Es una fuente primaria de amortiguación viscosa y es esencial para la estabilidad de los rotores de alta velocidad.

2. Amortiguación estructural (amortiguación histerética)

Este tipo de amortiguamiento se debe a la fricción interna del propio material a medida que se deforma. Cuando un material se somete a tensiones cíclicas, se pierde algo de energía en forma de calor durante cada ciclo. Aunque suele ser pequeño, este amortiguamiento interno es una propiedad inherente a todos los materiales y puede ser significativo en estructuras con numerosas uniones y fijaciones.

3. Amortiguación de Coulomb (fricción seca)

Esta amortiguación se produce por la fricción entre dos superficies secas que rozan entre sí. La fuerza de amortiguación es constante y siempre se opone a la dirección del movimiento. Un ejemplo es el roce de una pastilla de freno contra un disco.

4. Amortiguación aerodinámica

Se trata de la resistencia que ofrece el aire u otro gas a un objeto en movimiento. Generalmente, solo es significativa en estructuras grandes y de rápido movimiento, como álabes de turbinas o impulsores de ventiladores.

¿Cómo se mide y cuantifica la amortiguación?

La amortiguación suele ser difícil de calcular a partir de principios básicos y suele determinarse experimentalmente. Se cuantifica mediante varios términos relacionados:

• Relación de amortiguamiento (ζ – zeta): La medida adimensional más común. Es la relación entre el amortiguamiento real de un sistema y la cantidad de amortiguamiento necesaria para que el sistema alcance un nivel crítico de amortiguamiento (retorno al equilibrio sin oscilaciones). Una estructura mecánica típica podría tener una relación de amortiguamiento de 0,01 a 0,05 (11TP₂T a 51TP₂T de amortiguamiento crítico).
• Factor Q (Factor de calidad): Una medida del grado de subamortiguación de un sistema. Representa la amplificación de la vibración en resonancia. Un factor Q alto implica una amortiguación baja y un pico de resonancia muy agudo y de gran amplitud (Q ≈ 1 / 2ζ).
• Decremento logarítmico: Un método para calcular la relación de amortiguamiento a partir de la tasa de caída de la vibración libre, como por ejemplo durante una prueba de “amortiguación” o de “golpe”.

Identificar y comprender las fuentes de amortiguación en una máquina es crucial para solucionar problemas de resonancia y garantizar la estabilidad operativa a largo plazo.

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