¿Qué es la inestabilidad del rotor? Vibración autoexcitada • Equilibrador portátil, analizador de vibraciones "Balanset" para el equilibrado dinámico de trituradoras, ventiladores, mulcheras, sinfines de cosechadoras, ejes, centrífugas, turbinas y muchos otros rotores. ¿Qué es la inestabilidad del rotor? Vibración autoexcitada • Equilibrador portátil, analizador de vibraciones "Balanset" para el equilibrado dinámico de trituradoras, ventiladores, mulcheras, sinfines de cosechadoras, ejes, centrífugas, turbinas y muchos otros rotores.

¿Qué es la inestabilidad del rotor? Vibración autoexcitada

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Comprensión de la inestabilidad del rotor

Definición: ¿Qué es la inestabilidad del rotor?

inestabilidad del rotor es una condición en la maquinaria rotativa donde vibración autoexcitada Se desarrolla y crece sin límite (limitado únicamente por efectos no lineales o fallos del sistema). A diferencia de la vibración de desequilibrar o desalineación, que son vibraciones forzadas en respuesta a fuerzas externas, la inestabilidad del rotor es una oscilación autosostenida donde la energía se extrae continuamente del movimiento rotacional constante del eje y se introduce en el movimiento vibratorio.

La inestabilidad del rotor es una de las condiciones más peligrosas en dinámica del rotor porque puede ocurrir repentinamente, crecer rápidamente hasta alcanzar amplitudes destructivas y no puede corregirse mediante equilibrando o alineación. Requiere una parada inmediata y la corrección del mecanismo desestabilizador subyacente.

Diferencia fundamental: Vibración forzada frente a vibración autoexcitada

Vibración forzada (estable)

La vibración más común en la maquinaria es forzada:

  • Una fuerza externa (desequilibrio, desalineación) provoca la vibración.
  • La amplitud de vibración es proporcional a la magnitud de la fuerza aplicada.
  • La frecuencia coincide con la frecuencia de excitación (1X, 2X, etc.).
  • Al eliminar la fuerza se elimina la vibración.
  • El sistema es estable; la vibración no crece sin límites.

Vibración autoexcitada (inestable)

La inestabilidad del rotor produce vibraciones autoexcitadas:

  • La energía se extrae de la propia rotación, no de fuerzas externas.
  • La amplitud crece exponencialmente una vez superada la velocidad umbral.
  • Frecuencia normalmente en o cerca de una frecuencia natural (a menudo subsíncrono)
  • Continúa y crece incluso si se elimina el desequilibrio.
  • El sistema es inestable; solo el apagado o la acción correctiva pueden detenerlo.

Tipos comunes de inestabilidad del rotor

1. Remolino de aceite

Remolino de aceite es la inestabilidad más común en los sistemas de cojinetes de película fluida:

  • Mecanismo: La cuña de aceite en el cojinete crea una fuerza tangencial sobre el eje.
  • Frecuencia: Normalmente, entre 0,42 y 0,48 veces la velocidad de funcionamiento (subsíncrono).
  • Límite: Se produce cuando la velocidad supera aproximadamente el doble de la primera velocidad crítica.
  • Síntoma: Vibración subsíncrona de gran amplitud que aumenta con la velocidad
  • Solución: Cambios en el diseño de los rodamientos, precarga o configuraciones de compensación

2. Latigazo de aceite (Inestabilidad severa)

El remolino de aceite es una forma grave de torbellino de aceite:

  • Mecanismo: El remolino de aceite se sincroniza con una frecuencia natural.
  • Frecuencia: Se bloquea en la primera frecuencia natural independientemente de los aumentos de velocidad
  • Límite: Ocurre al doble de la primera velocidad crítica.
  • Síntoma: Amplitud muy alta, frecuencia constante a pesar de los cambios de velocidad
  • Peligro: Puede provocar daños catastróficos en los cojinetes y ejes en cuestión de minutos.

3. Remolino de vapor

Se produce en turbinas de vapor con sellos laberínticos:

  • Mecanismo: Fuerzas de acoplamiento cruzado aerodinámico en las holguras de los sellos
  • Frecuencia: Subsíncrono, frecuencia cercana a la natural
  • Condiciones: Diferenciales de alta presión a través de los sellos
  • Solución: Frenos antitormenta, dispositivos antitormenta, modificaciones en el diseño de sellos

4. Látigo de eje

Término general para diversas inestabilidades autoexcitadas:

  • Puede deberse a la amortiguación interna del material del eje.
  • Latigazo por fricción seca producido por sellos o roces
  • Fuerzas de acoplamiento cruzado aerodinámicas o hidrodinámicas

Características y síntomas

Firma de vibración

La inestabilidad del rotor produce patrones de vibración característicos:

  • Frecuencia subsíncrona: Frecuencia de vibración inferior a 1× la velocidad de funcionamiento (normalmente 0,4-0,5×)
  • Independencia de velocidad: Una vez que se establece la inestabilidad, la frecuencia permanece constante incluso si la velocidad cambia.
  • Crecimiento rápido: La amplitud aumenta exponencialmente una vez superada la velocidad umbral.
  • Alta amplitud: Puede alcanzar de 2 a 10 veces la amplitud de la vibración de desequilibrio.
  • Precesión hacia adelante: La órbita del eje gira en el mismo sentido que la rotación del eje.

Comportamiento de inicio

  • La inestabilidad suele tener una velocidad umbral.
  • Por debajo del umbral: el sistema es estable, solo se presentan vibraciones forzadas.
  • En el umbral: una pequeña perturbación desencadena el inicio
  • Por encima del umbral: la inestabilidad se desarrolla rápidamente.
  • Puede ser intermitente al principio y luego volverse continuo.

Identificación diagnóstica

Indicadores clave de diagnóstico

Distinguir la inestabilidad de otras fuentes de vibración:

Característica Desequilibrio (Forzado) Inestabilidad (autoexcitada)
Frecuencia 1× velocidad de carrera Subsíncrono (a menudo ~0,45×)
Amplitud frente a velocidad Aumenta gradualmente con la velocidad² Inicio repentino por encima del umbral
Respuesta al equilibrio Vibración reducida Sin mejora
Frecuencia frente a velocidad Pistas con velocidad (orden constante) Frecuencia constante (cambia de orden)
Comportamiento de apagado Reduce con la velocidad Puede persistir brevemente después de que disminuya la velocidad.

Confirmando la inestabilidad

  • Llevar a cabo análisis de pedidos—la inestabilidad se manifiesta como una frecuencia constante, cambiando de orden
  • Parcela de cascada muestra que la frecuencia no se corresponde con la velocidad
  • El balanceo no tiene efecto sobre el componente subsíncrono.
  • Análisis de órbita muestra precesión hacia adelante a frecuencia natural

Prevención y mitigación

Consideraciones de diseño

  • Amortiguación adecuada: Diseñar sistemas de rodamientos con suficiente mojadura para prevenir la inestabilidad
  • Selección de rodamientos: Elija tipos y configuraciones de cojinetes que proporcionen una buena amortiguación (cojinetes de patín basculante, cojinetes precargados).
  • Optimización de la rigidez: Relaciones adecuadas de rigidez del eje y del cojinete
  • Rango de velocidad de funcionamiento: Diseñado para funcionar por debajo de los umbrales de inestabilidad.

Soluciones de diseño de rodamientos

  • Cojinetes de almohadilla basculante: Tipo de rodamiento inherentemente estable para aplicaciones de alta velocidad
  • Cojinetes de presión de presas: Geometría modificada para aumentar la amortiguación efectiva
  • Precarga del rodamiento: Aumenta la rigidez y la amortiguación, eleva la velocidad umbral.
  • Amortiguadores de película de compresión: Dispositivos de amortiguación externos que rodean los cojinetes

Soluciones operativas

  • Restricción de velocidad: Limitar la velocidad máxima por debajo del umbral
  • Aumento de carga: Una mayor carga sobre los cojinetes puede mejorar los márgenes de estabilidad.
  • Control de temperatura: La temperatura del aceite de los cojinetes afecta a la viscosidad y la amortiguación.
  • Monitoreo continuo: La detección temprana permite la detención antes de que se produzcan daños.

Respuesta de emergencia

Si se detecta inestabilidad del rotor durante el funcionamiento:

  1. Acción inmediata: Reduzca la velocidad o apáguelo inmediatamente.
  2. No intente equilibrar: El equilibrado no corregirá la inestabilidad y hará perder el tiempo.
  3. Condiciones del documento: Registrar la velocidad de inicio, la frecuencia y la progresión de la amplitud.
  4. Investigar la causa raíz: Identifique qué mecanismo de inestabilidad está presente.
  5. Implementar corrección: Modificar los cojinetes, sellos o condiciones de funcionamiento según sea necesario.
  6. Verificar la corrección: Pruebe cuidadosamente con una supervisión estricta antes de volver a ponerlo en servicio.

Análisis de estabilidad

Los ingenieros predicen y previenen la inestabilidad mediante el análisis de estabilidad:

  • Calcular los autovalores del sistema rotor-cojinete
  • La parte real del valor propio indica la estabilidad (negativo = estable, positivo = inestable).
  • Identificar las velocidades umbral donde cambia la estabilidad
  • Modificaciones de diseño para garantizar márgenes de estabilidad adecuados.
  • A menudo requiere software especializado de dinámica de rotores.

La inestabilidad del rotor, aunque menos frecuente que el desequilibrio o la desalineación, representa una de las condiciones de vibración más graves en la maquinaria rotativa. Comprender sus mecanismos, reconocer sus síntomas y conocer las medidas correctivas adecuadas son habilidades esenciales para los ingenieros y técnicos que trabajan con equipos rotativos de alta velocidad.

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