Comprensión del roce del rotor en maquinaria rotativa

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Definición: ¿Qué es el roce del rotor?

Roce del rotor El roce (también llamado contacto rotor-estator) es una condición en la que los componentes giratorios de una máquina entran en contacto intermitente o continuo con partes estacionarias como juntas, alojamientos de cojinetes o paredes de la carcasa. Este contacto crea fuerzas de fricción, genera calor y produce un ruido característico. vibración patrones que pueden escalar rápidamente hasta un fallo catastrófico si no se abordan de inmediato.

El roce del rotor es particularmente peligroso porque el contacto puede crear un ciclo de retroalimentación positiva: la vibración causa roce, el roce genera calor, el calor causa arco térmico, La deformación térmica aumenta la vibración, lo que provoca un roce más severo. Esta espiral puede destruir una máquina en minutos si no se detiene.

Tipos de fricción del rotor

1. Frotamiento ligero (contacto intermitente)

• Contacto breve y ocasional durante los ciclos de máxima deflexión
• Puede ocurrir únicamente a determinadas velocidades o condiciones de funcionamiento.
• Produce picos de vibración erráticos e intermitentes.
• A menudo en focas o claros de laberintos
• Puede tolerarse brevemente, pero indica un problema que requiere corrección.

2. Frotamiento parcial (contacto ligero continuo)

• Contacto continuo pero con una fuerza de fricción ligera
• El rotor mantiene la rotación mientras raspa la superficie estacionaria.
• Genera vibración continua subsíncrona o síncrona.
• Produce calor y partículas de desgaste.
• Puede progresar a una fricción severa si no se corrige.

3. Frotamiento intenso (contacto anular completo)

• El rotor entra en contacto con el estátor en toda su circunferencia o en una gran parte de ella.
• fuerzas de fricción muy elevadas
• rápido aumento de temperatura (cientos de grados en minutos)
• Vibración severa, a menudo caótica
• Puede provocar el agarrotamiento del rotor o un fallo catastrófico.
• Requiere un apagado de emergencia inmediato.

Lugares comunes para rozaduras

• Sellos del laberinto: Las tolerancias ajustadas hacen que el roce de las juntas sea frecuente.
• Cojinetes de retención: Cojinetes de emergencia diseñados para detener el eje durante eventos severos.
• Sellos de pistón de equilibrio: En compresores y bombas multietapa
• Diafragmas interetapas: En turbinas
• Carcasa del cojinete: Casos graves en los que el eje entra en contacto con la tapa del rodamiento.
• Manguitos de eje: Fundas protectoras en las ubicaciones de los sellos

Causas del roce del rotor

Vibración excesiva

• Severo desequilibrar que provoca una gran deflexión del eje
• Desalineación creando movimiento del eje
• Funcionando en velocidad crítica con amplificación resonante
• inestabilidad del rotor (batidor de aceite, remolino de vapor)

Espacio insuficiente

• Un montaje incorrecto deja una holgura radial insuficiente.
• La dilatación térmica reduce las holguras durante el calentamiento.
• El desgaste de los cojinetes permite un movimiento excesivo del eje.
• El asentamiento de la base acerca las partes fijas al rotor.

Eventos transitorios

• Superar la velocidad crítica durante el arranque/desaceleración
• Cambios de carga que provocan una deflexión repentina del eje
• Eventos de viaje o paradas de emergencia
• Condiciones de exceso de velocidad

Firmas de vibración del roce del rotor

Patrones característicos

• Componentes subsíncronos: Frecuencias inferiores a 1× (a menudo 1/2×, 1/3×, 1/4×) del remolino hacia atrás durante el roce
• Armónicos múltiples: 1×, 2×, 3×, 4× debido a fuerzas de fricción no lineales
• Comportamiento errático: Cambios repentinos en amplitud y frecuencia
• Ruido de banda ancha: Componentes aleatorios de alta frecuencia procedentes de la fricción y los impactos
• Inestabilidad de fase: ángulos de fase varían erráticamente

Características del espectro

• Numerosos picos en órdenes fraccionarios y múltiples
• Alto nivel de ruido debido a impactos aleatorios
• El espectro cambia de forma rápida e impredecible.
• Gráficos de cascada Mostrar los componentes de frecuencia que aparecen y desaparecen

Análisis de órbita

Órbita del eje Los patrones durante el roce son muy distintivos:

• formas de órbita irregulares y distorsionadas
• Esquinas afiladas o puntos planos donde se produce el contacto
• La forma de la órbita cambia a medida que varía la gravedad del roce.
• A menudo muestra componentes de precesión inversa (hacia atrás).

Consecuencias y daños

Efectos inmediatos

• Calentamiento por fricción: El contacto genera un calor local intenso (posiblemente entre 300 y 600 °C).
• Arco térmico: El calentamiento asimétrico provoca la flexión del eje, aumentando la severidad del roce.
• Tener puesto: Material retirado de las superficies del eje y del estátor
• Generación de escombros: Las partículas de desgaste contaminan los rodamientos y las juntas.

Daño secundario

• Destrucción de sellos: Los dientes del sello del laberinto están desgastados o rotos.
• Sobrecarga del cojinete: Aumento de las cargas y del calentamiento debido a las fuerzas de fricción
• Arco de eje permanente: El calentamiento intenso puede provocar deformación plástica.
• Puntuación del eje: Ranuras desgastadas en la superficie del eje

Fallas catastróficas

• Atrapamiento del eje: Bloqueo total por fricción intensa
• Fractura del eje: La zona afectada por el calor crea la iniciación de grietas.
• Caída del rotor: La falla de los cojinetes por sobrecalentamiento provoca que el rotor caiga sobre los cojinetes de retención o la carcasa.
• Riesgo de incendio: Los escombros calientes o las chispas pueden incendiar materiales inflamables.

Detección y diagnóstico

Indicadores de análisis de vibraciones

• Aparición repentina de múltiples componentes subsincrónicos
• Patrones de vibración erráticos e irrepetibles
• Aumentos bruscos en el nivel general de vibración
• Cambios en la vibración inmediatamente después de cambios de velocidad
• Patrones orbitales inusuales con rasgos definidos

Evidencia física

• Polvo o partículas metálicas en los alojamientos de los rodamientos
• Marcas de desgaste o rayaduras visibles en las superficies expuestas del eje
• Componentes de sellado dañados o desgastados
• La temperatura del rodamiento aumenta
• Sonidos audibles de raspado o rechinido

Respuesta de emergencia

Si se sospecha de roce del rotor durante el funcionamiento:

1. Evaluar la gravedad: Un ligero roce puede permitir una parada controlada; un roce intenso requiere una parada de emergencia inmediata.
2. Reducir la velocidad: Si es posible, reduzca lentamente la velocidad mientras controla la vibración.
3. Control de temperaturas: El aumento de la temperatura de los cojinetes indica un empeoramiento de las condiciones
4. Parada de emergencia: Si la vibración continúa aumentando o las temperaturas suben rápidamente
5. No reiniciar: Hasta que se verifiquen las autorizaciones y se identifique la ubicación del roce
6. Evento de documento: Registre datos de vibración, temperaturas y velocidades para su análisis.

Prevención y mitigación

Medidas de diseño

• Holguras radiales adecuadas en todos los puntos de roce potenciales
• Tenga en cuenta la dilatación térmica en el diseño de holguras.
• Utilice recubrimientos abrasivos en las zonas de sellado para minimizar los daños causados por roces leves.
• Instale cojinetes de retención para limitar la deflexión durante eventos severos.

Medidas operativas

• Mantener una buena balance para minimizar la deflexión del eje
• Asegurar una alineación precisa
• Siga los procedimientos de calentamiento adecuados para controlar el crecimiento térmico.
• Evite operar a velocidades críticas.
• Monitoreo continuo de vibraciones en equipos críticos

Monitoreo y protección

• Instale alarmas de vibración configuradas por debajo de los umbrales de fricción.
• Controlar las temperaturas de los rodamientos y sellos
• Utilice sondas de proximidad para controlar la posición del eje y las holguras.
• Implementar el apagado automático en caso de vibración excesiva.

El roce del rotor constituye una emergencia que requiere atención inmediata. Comprender sus causas, reconocer sus características de vibración distintivas e implementar medidas adecuadas de prevención y protección son esenciales para el funcionamiento seguro de la maquinaria rotativa, en particular en equipos de alta velocidad o con tolerancias reducidas, como turbinas y compresores.

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