Comprensión del rozamiento en maquinaria rotativa
Frotamiento es el contacto por fricción y el movimiento de deslizamiento relativo entre los componentes giratorios y los fijos de una máquina. El término hace hincapié en el aspecto de la fricción continua de contacto rotor-estator, lo que lo distingue del contacto ligero e intermitente o de los impactos aislados que también pueden producirse. El roce genera fuerzas de fricción, libera una cantidad considerable de calor a través del trabajo de fricción y produce un vibración firma dominada por precesión retrógrada (backward whirl), subsincrónico componentes y efectos térmicos. Se trata de uno de los fallos más peligrosos que puede sufrir una máquina rotativa, ya que puede derivar en una avería en cuestión de minutos.
Los términos «rozamiento» y «rozamiento del rotor» suelen utilizarse indistintamente. En la práctica, el término «rozamiento» suele hacer hincapié en los aspectos relacionados con la fricción y el calor del contacto, mientras que «rozamiento del rotor» es un concepto más amplio que abarca todas las formas de contacto, desde ligeros roces hasta fuertes impactos.
1. La mecánica de la fricción por roce
Modelo de fricción de Coulomb
El roce se rige por los principios de la fricción seca (de Coulomb):
- Fuerza de fricción: F = μ × N, donde μ es el coeficiente de fricción y N es la fuerza normal que mantiene unidas las superficies.
- Dirección: La fuerza de fricción siempre se opone al movimiento relativo entre las superficies en contacto.
- Coeficientes típicos: acero sobre acero μ ≈ 0,3–0,5; acero sobre material de sellado μ ≈ 0,2–0,4.
- Generación de calor: prácticamente todo el trabajo de fricción se convierte en calor en el punto de contacto.
Fuerzas tangenciales y normales
Durante el contacto, dos componentes de fuerza actúan sobre el rotor:
- Fuerza normal: ejerce una fuerza radial hacia dentro sobre el rotor en el punto de fricción.
- Fuerza de fricción: actúa de forma tangencial, oponiéndose a la rotación.
- Fuerza resultante: esa combinación tiende a frenar el rotor y a desviarlo hacia atrás, en sentido contrario al de su giro.
- Aumento del par: La fricción disipa energía, lo que aumenta el par de accionamiento que debe suministrar la máquina.
2. Patrones de vibración característicos
Remolino hacia atrás
La característica más distintiva del rozamiento es la precesión retrógrada (inversa) torbellino:
- La fuerza de fricción genera una componente tangencial que impulsa el movimiento orbital hacia atrás.
- The shaft órbita trazas en sentido contrario al de la rotación del eje.
- La frecuencia de giro suele ser subsincrónica, es decir, inferior a 1× la velocidad de marcha.
- Las frecuencias habituales aparecen en fracciones de orden: 0,5×, 0,33×, 0,25×.
- La forma de la órbita suele ser irregular o estar visiblemente deformada.
Características del espectro
- Picos subsíncronos: múltiples picos por debajo de 1×, a menudo en armónicos parciales.
- Componente síncrono: the 1× synchronous El pico podría aumentar a medida que se sumen las fuerzas de fricción.
- Armónicos superiores: 2×, 3×, 4× armonía se derivan de la no linealidad de la fricción intermitente.
- Ruido de banda ancha: el ruido de fondo en todo el espectro lifts.
- Espectro inestable: los picos aparecen y desaparecen o cambian de frecuencia de una medición a otra.
Características de la forma de onda temporal
- Eventos impulsivos o picos cada vez que se inicia el contacto, visibles en el forma de onda temporal.
- Recorte o aplanamiento en los picos de deflexión, donde el estator limita físicamente el recorrido.
- Una forma general irregular y no sinusoidal.
- Patrones de batido generados por la coexistencia de varias frecuencias.
3. Efectos térmicos del roce
Generación de calor
La fricción convierte la energía mecánica directamente en calor:
- Tasa: La potencia disipada es igual a la fuerza de fricción multiplicada por la velocidad de deslizamiento.
- Magnitud: Un frotamiento suave puede liberar entre 10 y 100 vatios; uno fuerte, kilovatios.
- Concentración: ese calor se concentra en una superficie de contacto muy pequeña.
- Aumento de temperatura: En casos extremos, las temperaturas superficiales locales pueden superar los 500 °C.
Desarrollo del arco térmico
El peligro del roce radica en un círculo vicioso de calor y vibración:
- El roce inicial genera calor en un lado del eje.
- El calentamiento asimétrico hace que el eje se doble formando una arco térmico.
- La flexión térmica aumenta la deformación del eje.
- Una mayor flexión provoca un roce más intenso.
- Cuanto más se frota, más calor se genera.
- Esta retroalimentación positiva puede provocar un fallo rápido y descontrolado.
Dado que cada vuelta de este bucle profundiza en la siguiente, el frotamiento se considera una forma de vibración autoexcitada y una vía hacia un fallo absoluto inestabilidad del rotor.
Efectos térmicos secundarios
- Calentamiento de los cojinetes: El calor se transmite a lo largo del eje hasta los cojinetes.
- Degradación del aceite: Las temperaturas excesivas deterioran el lubricante.
- Cambios en el material: Transformaciones de fase o cambios metalúrgicos en las zonas afectadas por el calor
- Tensión térmica: puede provocar la aparición de grietas en las zonas sometidas a tensiones térmicas.
4. Detección de rozaduras en el campo
Monitorización de vibraciones
- Alarmas de subsincronismo: alerta ante picos de 0,3-0,5 veces la velocidad de giro.
- Supervisión de la órbita: El análisis automatizado de la órbita señala la aparición de un remolino inverso.
- Cambios espectrales: Los algoritmos detectan la aparición repentina de múltiples armónicos.
- Recorte de la forma de onda: detección de la distorsión no sinusoidal que produce el contacto.
Detectar estos patrones es precisamente para lo que sirve un analizador portátil. Al funcionar en los propios cojinetes de la máquina a velocidad de funcionamiento, un instrumento de dos canales como el Balanset-1A captura la forma de onda en el tiempo, así como la amplitud y la fase a 1×, de modo que un técnico puede observar el recorte impulsivo y la energía de orden fraccionario que caracterizan a un roce, y luego comprobar si existe un desequilibrio residual o desalineación es el factor determinante antes de cualquier desmontaje.
Monitorización de temperatura
- Cojinete sensores de temperatura con alarmas de subida rápida.
- Monitoreo de temperatura infrarroja de secciones de eje expuestas
- Monitorización de la diferencia de temperatura: parte superior frente a parte inferior de un cojinete.
- Alarmas de tasa de variación, por ejemplo, superior a 5 °C por minuto.
Indicadores adicionales
- Aumento del par: El consumo de energía aumenta a medida que la fricción ejerce carga sobre el accionamiento.
- Fluctuación de la velocidad: pequeñas variaciones de velocidad debidas a las fluctuaciones del par de fricción.
- Emisión acústica: sonido de alta frecuencia procedente del contacto, detectable mediante emisión acústica sensors.
- Inspección visual: restos de desgaste, decoloración y rayaduras visibles.
5. Cómo reaccionar ante un roce
Acciones inmediatas
- Reducir la gravedad: Reduzca la velocidad o la carga si es seguro hacerlo.
- Estar muy atento: Vigilar constantemente las vibraciones y la temperatura.
- Prepárese para la parada: tener una emergencia cierre ready.
- Parada de emergencia: Apaga la máquina si la vibración o la temperatura aumentan.
- Permitir enfriamiento: Ponga en marcha el mecanismo giratorio o deje que se enfríe de forma natural antes de la inspección, para que la deformación térmica pueda revertirse.
Investigación
- Comprueba si hay indicios físicos de contacto.
- Mide las holguras en los puntos donde se sospecha que se producen roces.
- Comprueba si hay deformación térmica o permanente arco de flecha.
- Identifica la causa principal: vibraciones excesivas, holgura insuficiente, etc.
Acciones correctivas
- Aumentar las holguras: mecanizar las zonas dañadas o sustituir los componentes.
- Abordar la causa raíz: equilibrar el rotor, alineación correcta, solucionar el problema del cojinete que provocaba el contacto.
- Sustituya las piezas dañadas: juntas, componentes de cojinetes y secciones de eje, según sea necesario.
- Comprueba las holguras: Compruebe que haya holgura suficiente en todos los puntos antes de volver a poner en marcha el sistema.
El rozamiento es uno de los fallos más graves relacionados con la vibración en la maquinaria rotativa. Su capacidad para agravarse rápidamente debido a la retroalimentación térmica exige una detección inmediata, una respuesta rápida y rigurosa, y una corrección exhaustiva, ya que, en el caso de equipos críticos, la alternativa es un fallo catastrófico.
