Comprensión de la vibración torsional en maquinaria rotativa
Definición: ¿Qué es la vibración torsional?
Vibración torsional es la oscilación angular de un eje giratorio alrededor de su eje de rotación; esencialmente un movimiento de torsión y destorsión donde diferentes secciones del eje giran a velocidades ligeramente diferentes en un instante dado. A diferencia de vibración lateral (movimiento de lado a lado) o vibración axial (movimiento de vaivén), la vibración torsional no implica desplazamiento lineal; en cambio, el eje experimenta una aceleración angular positiva y negativa alternada.
Si bien la vibración torsional generalmente tiene amplitudes mucho menores que la vibración lateral y a menudo es difícil de detectar, puede crear enormes tensiones alternas en ejes, acoplamientos y engranajes, lo que podría provocar fallas catastróficas por fatiga sin previo aviso.
Mecanismo físico
Cómo se produce la vibración torsional
La vibración torsional puede visualizarse de la siguiente manera:
- Imagine un eje largo que conecta un motor a una carga accionada.
- El eje actúa como un resorte de torsión, almacenando y liberando energía a medida que gira.
- Cuando se ve sometido a pares variables, el eje oscila, con secciones que giran más rápido y más lento que la velocidad media.
- Estas oscilaciones pueden acumularse si la frecuencia de excitación coincide con la frecuencia natural de torsión.
Frecuencias naturales torsionales
Cada sistema de ejes tiene frecuencias naturales de torsión determinadas por:
- Rigidez torsional del eje: Depende del diámetro del eje, la longitud y el módulo de corte del material.
- Inercia del sistema: Momentos de inercia de los componentes giratorios conectados (rotor del motor, acoplamientos, engranajes, cargas)
- Múltiples modos: Los sistemas complejos poseen varias frecuencias naturales de torsión.
- Efectos de acoplamiento: Los acoplamientos flexibles añaden flexibilidad torsional, reduciendo las frecuencias naturales.
Causas principales de la vibración torsional
1. Par variable de los motores alternativos
La fuente más común en muchas aplicaciones:
- Motores diésel y gasolina: Los eventos de combustión crean un par pulsante
- Orden de disparo: Crea armónicos de velocidad del motor
- Número de cilindros: Menos cilindros producen mayor variación de par
- Riesgo de resonancia: La velocidad de funcionamiento del motor puede coincidir con las velocidades críticas de torsión.
2. Fuerzas de engranaje
Los sistemas de engranajes generan excitación torsional:
- La frecuencia de engrane (número de dientes × RPM) crea un par oscilante.
- Los errores en el espaciado de los dientes y las imprecisiones del perfil contribuyen
- El juego de engranajes puede causar carga de impacto
- Múltiples etapas de engranajes crean sistemas torsionales complejos
3. Problemas con el motor eléctrico
Los motores eléctricos pueden producir perturbaciones torsionales:
- Frecuencia de paso de polos: La interacción entre el rotor y el estátor crea un par pulsante.
- Barras de rotor rotas: Crea pulsos de par a la frecuencia de deslizamiento
- Variadores de frecuencia (VFD): La conmutación PWM puede excitar modos torsionales
- Transitorios iniciales: Grandes oscilaciones de par durante el arranque del motor
4. Variaciones de carga del proceso
Carga variable en equipos accionados:
- eventos de sobretensión del compresor
- La cavitación de la bomba crea picos de par
- Cargas cíclicas en trituradoras, molinos y prensas
- Fuerzas de paso de las palas en ventiladores y turbinas
5. Problemas de acoplamiento y transmisión
- Acoplamientos desgastados o dañados con juego o holgura.
- Juntas universales que operan en ángulos creando una excitación torsional 2×
- deslizamiento y vibración de la transmisión por correa
- acción poligonal de transmisión por cadena
Desafíos de detección y medición
¿Por qué es difícil detectar la vibración torsional?
A diferencia de la vibración lateral, la vibración torsional presenta desafíos de medición únicos:
- Sin desplazamiento radial: Los acelerómetros estándar en las carcasas de los rodamientos no detectan el movimiento puramente torsional.
- Amplitudes angulares pequeñas: Las amplitudes típicas son fracciones de un grado
- Equipo especializado necesario: Requiere sensores de vibración torsional o un análisis sofisticado.
- A menudo se pasa por alto: No incluido en los programas de monitoreo de vibraciones de rutina
Métodos de medición
1. Galgas extensométricas
- Montado a 45° con respecto al eje del eje para medir la deformación por cizallamiento
- Requiere un sistema de telemetría para transmitir la señal desde el eje giratorio.
- Medición directa de la tensión torsional
- El método más preciso, pero complejo y costoso.
2. Sensores de vibración torsional de doble sonda
- Dos sensores ópticos o magnéticos miden la velocidad en diferentes ubicaciones del eje.
- La diferencia de fase entre las señales indica vibración torsional
- Medición sin contacto
- Puede instalarse de forma temporal o permanente.
3. Vibrometros torsionales láser
- Medición óptica de las variaciones de la velocidad angular del eje
- Sin contacto, no requiere preparación del eje
- Caro pero potente para la resolución de problemas
4. Indicadores indirectos
- El análisis de la firma de corriente del motor (MCSA) puede revelar problemas de torsión.
- Patrones de desgaste de acoplamientos y dientes de engranajes
- Ubicación y orientación de las grietas por fatiga en el eje
- Patrones de vibración lateral inusuales que pueden estar acoplados con modos torsionales
Consecuencias y mecanismos de daño
Fallas por fatiga
El principal peligro de la vibración torsional:
- Fallas en el eje: Las grietas por fatiga suelen aparecer a 45° con respecto al eje del eje (planos de máxima tensión cortante).
- Fallos de acoplamiento: Desgaste de los dientes del acoplamiento de engranajes, fatiga del elemento flexible
- Rotura de dientes de engranaje: Acelerado por oscilaciones torsionales
- Daños en la llave y el chavetero: Desgaste por fricción y torsión oscilante
Características de las fallas torsionales
- A menudo repentino y catastrófico, sin previo aviso.
- Superficies de fractura con un ángulo aproximado de 45° con respecto al eje del eje.
- Marcas de playa en la superficie de fractura que indican progresión de la fatiga
- Puede ocurrir incluso cuando los niveles de vibración lateral son aceptables.
Problemas de rendimiento
- Problemas de control de velocidad en accionamientos de precisión
- Desgaste excesivo en cajas de cambios y acoplamientos
- Ruido procedente del traqueteo de los engranajes y de los impactos de los acoplamientos
- ineficiencia en la transmisión de potencia
Análisis y modelado
Análisis torsional durante el diseño
Un diseño adecuado requiere un análisis torsional:
- Cálculo de la frecuencia natural: Determinar todas las velocidades críticas de torsión
- Análisis de respuesta forzada: Predecir las amplitudes torsionales en condiciones de funcionamiento
- Diagrama de Campbell: Mostrar las frecuencias naturales torsionales frente a la velocidad de funcionamiento
- Análisis de estrés: Calcular los esfuerzos cortantes alternos en los componentes críticos
- Predicción de la vida útil por fatiga: Estimar la vida útil del componente bajo carga torsional
Herramientas de software
Un software especializado realiza análisis de torsión:
- Modelos de masa concentrada de inercia múltiple
- Análisis torsional de elementos finitos
- Simulación en el dominio del tiempo de eventos transitorios
- Análisis armónico en el dominio de la frecuencia
Métodos de mitigación y control
Soluciones de diseño
- Márgenes de separación: Asegúrese de que las frecuencias naturales de torsión estén a ±20% de las frecuencias de excitación.
- Mojadura: Incorporar amortiguadores torsionales (amortiguadores viscosos, amortiguadores de fricción)
- Acoplamientos flexibles: Añadir flexibilidad torsional para reducir las frecuencias naturales por debajo del rango de excitación
- Afinación masiva: Añade volantes de inercia o modifica las inercias para cambiar las frecuencias naturales.
- Cambios en la rigidez: Modificar los diámetros de los ejes o la rigidez del acoplamiento
Soluciones operativas
- Restricciones de velocidad: Evite el funcionamiento continuo a velocidades críticas de torsión.
- Aceleración rápida: Superar rápidamente las velocidades críticas durante el arranque
- Gestión de carga: Evite las condiciones que excitan los modos torsionales.
- Ajuste del variador de frecuencia: Ajuste los parámetros de accionamiento para minimizar la excitación torsional.
Selección de componentes
- Acoplamientos de alta amortiguación: Acoplamientos elastoméricos o hidráulicos que disipan la energía torsional
- Amortiguadores de torsión: Dispositivos especializados para transmisiones de motores alternativos
- Calidad del engranaje: Los engranajes de precisión con tolerancias ajustadas reducen la excitación.
- Material del eje: Materiales de alta resistencia a la fatiga para ejes críticos a la torsión
Aplicaciones y estándares de la industria
Aplicaciones críticas
El análisis torsional es especialmente importante para:
- Accionamientos de motores alternativos: Generadores diésel, compresores de motor de gas
- Ejes de transmisión largos: propulsión marina, laminadores
- Cajas de cambios de alta potencia: Aerogeneradores, reductores industriales
- Variadores de velocidad: Aplicaciones de motores VFD, sistemas servo
- Sistemas multicuerpo: Sistemas de transmisión complejos con múltiples máquinas conectadas
Normas relevantes
- API 684: Dinámica de rotores, incluyendo procedimientos de análisis torsional
- API 617: Requisitos de torsión del compresor centrífugo
- API 672: Análisis torsional del compresor alternativo empaquetado
- ISO 22266: Vibración torsional de maquinaria rotativa
- VDI 2060: Vibraciones torsionales en sistemas de transmisión
Relación con otros tipos de vibración
Aunque distinta de la vibración lateral y axial, la vibración torsional puede acoplarse con ellas:
- Acoplamiento lateral-torsional: En ciertas geometrías, los modos torsionales y laterales interactúan.
- Malla de engranajes: La vibración torsional crea cargas variables en los dientes que pueden excitar la vibración lateral.
- Juntas universales: La desalineación angular acopla la entrada torsional con la salida lateral.
- Desafío diagnóstico: Las firmas de vibración complejas pueden tener contribuciones de múltiples tipos de vibración.
Comprender y gestionar la vibración torsional es esencial para el funcionamiento fiable de los sistemas de transmisión de potencia. Si bien recibe menos atención que la vibración lateral en la monitorización rutinaria, el análisis de la vibración torsional es fundamental durante el diseño y la resolución de problemas de sistemas de accionamiento de alta potencia o precisión, donde los fallos torsionales pueden tener consecuencias catastróficas.
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