Comprensión de los diagramas de interferencia
Definición: ¿Qué es un diagrama de interferencia?
Un diagrama de interferencia es una herramienta gráfica utilizada en dinámica del rotor para identificar rangos de velocidad de rotación donde las frecuencias de excitación “interfieren” con (coinciden con) el sistema frecuencias naturales, creando condiciones para resonancia. El término “interferencia” se refiere a la interacción problemática entre una frecuencia de forzamiento (de desequilibrar, paso de cuchillas u otras fuentes) y una frecuencia natural que puede causar un exceso vibración.
Aunque está estrechamente relacionado con el Diagrama de Campbell, Un diagrama de interferencias a menudo se centra específicamente en resaltar los puntos de intersección (interferencias) y las zonas de velocidad asociadas que se deben evitar o atravesar rápidamente durante la operación.
Relación con los diagramas de Campbell
En la práctica, los términos “diagrama de interferencia” y “diagrama de Campbell” suelen usarse indistintamente, ya que muestran información similar. Sin embargo, existen sutiles diferencias:
Énfasis del diagrama de Campbell
- Muestra la imagen completa de cómo varían las frecuencias naturales con la velocidad.
- Muestra curvas de frecuencia natural como funciones continuas de la velocidad.
- Se utiliza principalmente para el análisis y diseño dinámico integral de rotores.
Énfasis del diagrama de interferencia
- Centra la atención en las áreas problemáticas específicas: los puntos de intersección
- A menudo incluye “zonas prohibidas” sombreadas alrededor de velocidades críticas
- Más operativo en el enfoque, enfatizando los rangos de velocidad para evitar
- Puede incluir múltiples fuentes de excitación más allá del desequilibrio.
Construcción de un diagrama de interferencia
Un diagrama de interferencia se construye de manera similar a un diagrama de Campbell pero con un contexto operativo adicional:
Elementos básicos
- Eje horizontal: Velocidad de rotación (RPM o Hz)
- Eje vertical: Excitación o frecuencia natural (Hz o CPM)
- Líneas de frecuencia natural: Mostrando cómo las frecuencias naturales del sistema cambian con la velocidad
- Líneas de orden de excitación: Líneas diagonales para 1X, 2X, 3X y otras fuentes de excitación
Características adicionales
- Puntos de intersección destacados: Velocidades críticas claramente marcadas con símbolos o anotaciones
- Zonas de velocidad prohibida: Bandas sombreadas alrededor de cada velocidad crítica que muestran los rangos a evitar
- Rango de velocidad de funcionamiento: Claramente indicado, a menudo como una banda vertical o una región resaltada
- Zonas de paso rápido: Rangos de velocidad para pasar rápidamente durante el arranque/apagado
- Múltiples fuentes de excitación: Líneas para frecuencia de paso de cuchillas, frecuencia de engranaje de engranajes, frecuencias de defectos de cojinetes
Tipos de interferencias
Un diagrama de interferencia puede identificar varios tipos de interacciones problemáticas:
1. Interferencia síncrona (1X)
El tipo más común, donde las fuerzas de desequilibrio de una vez por revolución coinciden con una frecuencia natural. Este es el clásico. velocidad crítica condición.
2. Interferencia armónica (2X, 3X, etc.)
Los armónicos más altos de la velocidad de marcha también pueden provocar resonancias. Las fuentes comunes incluyen:
- 2X: En desalineación, holgura mecánica o rigidez asimétrica
- 3X, 4X: Desde contactos de dientes de engranajes, cojinetes multilobulares o asimetrías estructurales
3. Interferencia de paso de cuchillas/paletas
En turbomáquinas, la frecuencia de paso de álabes (número de álabes × RPM) puede excitar modos estructurales. El diagrama de interferencia muestra dónde las líneas de frecuencia de paso de álabes se cruzan con las frecuencias naturales.
4. Interferencia subsincrónica
Fenómenos como el remolino de aceite (normalmente entre 0,43X y 0,48X) pueden crear interferencias subsincrónicas que deben identificarse y gestionarse.
5. Interferencia de frecuencia de batido
En sistemas acoplados o con múltiples elementos rotatorios, las frecuencias de batido debidas a ligeras diferencias de velocidad pueden crear interferencias.
Uso práctico en el diseño de máquinas
Aplicaciones en la fase de diseño
- Evitar la velocidad crítica: Asegúrese de que el rango de velocidad de funcionamiento no se superponga con las zonas de interferencia
- Verificación del margen de separación: Confirme márgenes adecuados (normalmente ±15% a ±30%) alrededor de todas las velocidades críticas
- Gestión de la fuente de excitación: Si no se puede evitar una interferencia, reduzca la amplitud de la fuente de excitación (mejore el equilibrio, reduzca la desalineación, etc.)
- Requisitos de amortiguación: Identificar dónde se ha mejorado mojadura es necesario para controlar la vibración resonante
Modificación y solución de problemas
Cuando la maquinaria existente experimenta problemas de vibración, los diagramas de interferencia ayudan a:
- Identificar si el problema se debe a operar demasiado cerca de una velocidad crítica
- Evaluar las modificaciones propuestas (cambios de cojinetes, masa añadida, modificaciones de rigidez)
- Predecir los efectos de los cambios de velocidad o del funcionamiento a velocidad variable
- Determinar si el problema proviene de una fuente de excitación inesperada
Establecimiento de zonas de velocidad prohibida
Una característica clave de los diagramas de interferencia es definir zonas de velocidad prohibida o restringida:
Determinación del ancho de la zona
El ancho de cada zona prohibida depende de varios factores:
- Amortiguación del sistema: Una amortiguación baja requiere zonas más amplias; una amortiguación alta permite zonas más estrechas
- Amplitud de excitación: Las fuentes de excitación fuertes requieren zonas de evitación más amplias
- Consecuencias operacionales: Los equipos críticos pueden requerir zonas más conservadoras (más amplias)
- Valores típicos: ±15% para sistemas bien amortiguados, ±20-30% para sistemas mal amortiguados
Procedimientos operativos
A partir del diagrama de interferencias se establecen los procedimientos de operación:
- Operación continua permitida: Rangos de velocidad sin interferencias
- Se requiere travesía rápida: Zonas prohibidas por las que se debe pasar rápidamente durante el inicio/apagado
- Absolutamente prohibido: Zonas de resonancia severa donde nunca se permite la operación
Ejemplo: Diagrama de interferencia de turbina
Consideremos una turbina de vapor con las siguientes características:
- Velocidad de funcionamiento: 3000 RPM (50 Hz)
- Primera velocidad crítica: 2400 RPM (40 Hz)
- Segunda velocidad crítica: 4200 RPM (70 Hz)
- Número de cuchillas: 60
- Frecuencia de paso de la cuchilla a 3000 RPM: 60 × 50 Hz = 3000 Hz
El diagrama de interferencia muestra:
- La línea 1X cruza la primera frecuencia natural: Velocidad crítica a 2400 RPM—Zona prohibida: 2040-2760 RPM (±15%)
- La línea 1X cruza la segunda frecuencia natural: Velocidad crítica a 4200 RPM: no es un problema ya que la velocidad de operación está muy por debajo
- Velocidad de funcionamiento (3000 RPM): De forma segura entre dos velocidades críticas con buenos márgenes de separación
- Frecuencia de paso de la cuchilla: A 3000 Hz, no hay interferencias con los modos estructurales en el rango operativo
Orientación operativa:
- Durante el arranque, acelere a través del rango de 2040 a 2760 RPM en menos de 30 segundos
- El funcionamiento continuo entre 2800 y 3200 RPM es aceptable.
- No intente operar continuamente entre 2040 y 2760 RPM.
Consideraciones avanzadas
Efectos de la temperatura
Algunos diagramas de interferencia incluyen múltiples curvas que muestran cómo las frecuencias naturales varían con los cambios de temperatura (el crecimiento térmico afecta la rigidez y las características del rodamiento). Las velocidades críticas pueden variar a medida que la máquina se calienta.
Efectos de carga
Para la maquinaria donde la carga del proceso afecta significativamente la rigidez del cojinete o la deflexión del rotor, los diagramas de interferencia pueden mostrar familias de curvas para diferentes condiciones de carga.
Sistemas acoplados
Cuando se acoplan varios rotores (conjuntos motor-bomba, conjuntos turbina-generador), el diagrama de interferencia debe tener en cuenta los modos torsionales y laterales acoplados que pueden crear velocidades críticas adicionales.
Creación de un diagrama de interferencia
De modelos analíticos
- Desarrollar un modelo de elementos finitos del sistema rotor-cojinete
- Calcular frecuencias naturales a múltiples velocidades
- Trazar curvas de frecuencia natural frente a velocidad
- Superposición de líneas de orden de excitación (1X, 2X, paso de cuchillas, etc.)
- Marcar puntos de intersección y establecer zonas prohibidas
- Anotar con rango de velocidad de operación y procedimientos
A partir de datos experimentales
- Realice pruebas de arranque y desaceleración con monitoreo de vibraciones
- Generar gráficos de cascada o Diagramas de Bode
- Identificar ubicaciones de velocidad crítica a partir de picos de amplitud y cambios de fase
- Crear un diagrama de interferencia que marque las velocidades críticas observadas
- Establecer zonas prohibidas empíricamente basadas en niveles de vibración medidos
Beneficios para Operaciones y Mantenimiento
Los diagramas de interferencia proporcionan una valiosa orientación para los operadores de máquinas y el personal de mantenimiento:
- Límites operativos claros: Indicación visual de rangos de velocidad seguros e inseguros
- Procedimientos de inicio/apagado: Identifica velocidades para desplazarse rápidamente
- Operación de velocidad variable: Define rangos de velocidad aceptables para variadores de velocidad
- Herramienta de resolución de problemas: Ayuda a diagnosticar si los problemas de vibración están relacionados con la velocidad.
- Planificación de modificaciones: Muestra el impacto de los cambios propuestos antes de la implementación
- Ayuda para la formación: Herramienta educativa para comprender el comportamiento dinámico de las máquinas.
Para la maquinaria rotatoria crítica, el diagrama de interferencia es un documento esencial que debe estar disponible para los operadores, técnicos de mantenimiento y personal de ingeniería, para garantizar que todos comprendan las características dinámicas de la máquina y la operen dentro de rangos de velocidad seguros.
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