Comprensión del sistema rotor-cojinete
Definición: ¿Qué es un sistema rotor-cojinete?
A sistema de cojinetes de rotor es el conjunto mecánico integrado completo que consta de un elemento giratorio rotor (eje con componentes acoplados), los cojinetes de soporte que restringen su movimiento y soportan las cargas, y la estructura de soporte fija (alojamientos de cojinetes, pedestales, bastidor y cimentación) que conecta los cojinetes al suelo. Este sistema se analiza como un todo integrado en dinámica del rotor porque el comportamiento dinámico de cada componente influye en todos los demás.
En lugar de analizar el rotor de forma aislada, un análisis dinámico adecuado del rotor trata el sistema rotor-cojinete como un sistema mecánico acoplado donde las propiedades del rotor (masa, rigidez, amortiguamiento), las características del cojinete (rigidez, amortiguamiento, holguras) y las propiedades de la estructura de soporte (flexibilidad, amortiguamiento) interactúan para determinar velocidades críticas, vibración respuesta y estabilidad.
Componentes del sistema rotor-cojinete
1. El conjunto del rotor
Los componentes giratorios incluyen:
- Eje: Elemento giratorio principal que proporciona rigidez
- Discos y ruedas: Impulsores, ruedas de turbina, acoplamientos, poleas que añaden masa e inercia
- Masa distribuida: Rotores tipo tambor o la propia masa del eje
- Acoplamientos: Conexión del rotor al equipo motriz o accionado
Características del rotor:
- Distribución de masa a lo largo del eje
- Rigidez a la flexión del eje (función del diámetro, longitud y material)
- Momentos de inercia polar y diametral (que afectan a los efectos giroscópicos)
- Amortiguación interna (normalmente pequeña)
2. Cojinetes
Los elementos de la interfaz que soportan el rotor y permiten la rotación:
Tipos de rodamientos
- Rodamientos de elementos rodantes: Rodamientos de bolas, rodamientos de rodillos
- Cojinetes de película fluida: Cojinetes de muñón, cojinetes de patín basculante, cojinetes de empuje
- Cojinetes magnéticos: suspensión electromagnética activa
Características de los rodamientos
- Rigidez: Resistencia a la deflexión bajo carga (N/m o lbf/in)
- Mojadura: Disipación de energía en el cojinete (N·s/m)
- Masa: Componentes móviles de los cojinetes (normalmente pequeños)
- Autorizaciones: Juego radial y axial que afecta la rigidez y la no linealidad
- Dependencia de la velocidad: Las propiedades de los cojinetes de película fluida cambian significativamente con la velocidad.
3. Estructura de soporte
Los elementos de cimentación fijos:
- Carcasas de cojinetes: Estructura inmediata que rodea los cojinetes
- Pedestales: Cojinetes de elevación de soportes verticales
- Placa base/Marco: Estructura horizontal que conecta los pedestales
- Base: Estructura de hormigón o acero que transfiere cargas al suelo
- Elementos de aislamiento: Muelles, almohadillas o soportes si se utiliza aislamiento de vibraciones
La estructura de soporte contribuye a:
- Rigidez adicional (puede ser comparable o menor que la rigidez del rotor)
- Amortiguación mediante propiedades de los materiales y juntas
- La masa que afecta a las frecuencias naturales del sistema en general
Por qué el análisis a nivel de sistema es esencial
Comportamiento acoplado
Cada componente afecta a los demás:
- Deflexión del rotor crea fuerzas sobre los cojinetes
- Deflexión del cojinete cambios en las condiciones de soporte del rotor
- flexibilidad de la estructura de soporte permite el movimiento del cojinete, afectando la rigidez aparente del mismo.
- Vibración de los cimientos retroalimenta al rotor a través de los cojinetes.
Frecuencias naturales del sistema
Las frecuencias naturales son propiedades del sistema completo, no de componentes individuales:
- Cojinetes blandos + rotor rígido = velocidades críticas más bajas
- Cojinetes rígidos + rotor flexible = velocidades críticas más altas
- Una base flexible puede reducir las velocidades críticas incluso con cojinetes rígidos.
- La frecuencia natural del sistema ≠ la frecuencia natural del rotor únicamente
Métodos de análisis
Modelos simplificados
Para un análisis preliminar:
- Viga simplemente apoyada: Rotor como viga con soportes rígidos (desprecia la flexibilidad de los cojinetes y la cimentación)
- Rotor Jeffcott: Masa concentrada sobre un eje flexible con soportes de resorte (incluye la rigidez del cojinete).
- Método de la matriz de transferencia: Enfoque clásico para rotores multidisco
Modelos avanzados
Para un análisis preciso de maquinaria real:
- Análisis de elementos finitos (FEA): Modelo detallado de rotor con elementos de resorte para cojinetes
- Modelos de rodamientos: Rigidez y amortiguamiento no lineales de los cojinetes en función de la velocidad, la carga y la temperatura.
- Flexibilidad de la base: Análisis de elementos finitos o modelo modal de la estructura de soporte
- Análisis acoplado: Sistema completo con todos los efectos interactivos
Parámetros clave del sistema
Contribuciones a la rigidez
La rigidez total del sistema es una combinación en serie:
- 1/ktotal = 1/krotor + 1/kcojinete + 1/kbase
- El elemento más blando domina la rigidez general.
- Caso común: la flexibilidad de la base reduce la rigidez del sistema por debajo de la rigidez del rotor únicamente.
Contribuciones de amortiguación
- Amortiguación del cojinete: Fuente generalmente dominante (especialmente en cojinetes de película fluida)
- Amortiguación de los cimientos: Amortiguación estructural y de materiales en los soportes
- Amortiguación interna del rotor: Normalmente muy pequeño, generalmente descuidado
- Amortiguación total: Suma de elementos de amortiguación en paralelo
Implicaciones prácticas
Para el diseño de máquinas
- No se puede diseñar el rotor de forma aislada de los cojinetes y la base.
- La selección de los rodamientos afecta a las velocidades críticas alcanzables.
- La rigidez de la base debe ser suficiente para soportar el rotor.
- La optimización del sistema requiere la consideración simultánea de todos los elementos.
Para equilibrar
- Coeficientes de influencia representan la respuesta completa del sistema
- Balance de campo tiene en cuenta automáticamente las características del sistema tal como está instalado.
- El equilibrado realizado en un taller con diferentes cojinetes/soportes puede no transferirse perfectamente a la condición de instalación.
- Los cambios en el sistema (desgaste de los cojinetes, asentamiento de la cimentación) modifican la respuesta del equilibrio.
Para la resolución de problemas
- Los problemas de vibración pueden tener su origen en el rotor, los cojinetes o los cimientos.
- Al diagnosticar problemas, se debe considerar el sistema completo.
- Los cambios en un componente afectan el comportamiento general
- Ejemplo: El deterioro de los cimientos puede reducir las velocidades críticas.
Configuraciones comunes del sistema
Configuración simple entre cojinetes
- Rotor soportado por dos cojinetes en los extremos.
- Configuración industrial más común
- Sistema más sencillo para el análisis
- Estándar equilibrio de dos planos acercarse
Configuración de rotor en voladizo
- El rotor se extiende más allá del soporte de carga
- Mayores cargas en los cojinetes debido al brazo de momento
- Más sensibles al desequilibrio
- Común en ventiladores, bombas y algunos motores.
Sistemas de múltiples rodamientos
- Tres o más cojinetes soportan un solo rotor
- Distribución de carga más compleja
- La alineación entre los cojinetes es crítica.
- Común en turbinas grandes, generadores, rodillos de máquinas de papel
Sistemas multirrotor acoplados
- Múltiples rotores conectados mediante acoplamientos (grupos motobomba, grupos turbogeneradores)
- Cada rotor tiene sus propios cojinetes, pero los sistemas están acoplados dinámicamente.
- Configuración más compleja para el análisis
- Desalineación El acoplamiento crea fuerzas de interacción
Comprender la maquinaria rotativa como sistemas integrados de rotor y cojinetes, en lugar de componentes aislados, es fundamental para un diseño, análisis y solución de problemas eficaces. Esta perspectiva sistémica explica muchos fenómenos de vibración y orienta las acciones correctivas adecuadas para un funcionamiento fiable y eficiente.
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