rotodinamico

Hay diversos fenómenos que provocan vibraciones en la maquinaria rotatoria, los cuales generan fuerzas indeseables que son transmitidas principalmente a los soportes o chumaceras. La maquinaria rotatoria tiene numerosas aplicaciones industriales, tales como compresores, turbinas, turbogeneradores, bombas, máquinas herramientas, etc. Estas máquinas tienen que estar soportadas sobre elementos mecánicos para darles estabilidad, y que a la vez les permita el giro de los ejes. Estos elementos mecánicos se conocen comúnmente como chumaceras, las cuales juegan un papel importante en la estabilidad de la maquinaria rotatoria, ya que, al igual que las máquinas, tienen que soportar velocidades de operación y cargas cada vez mayores; es por ello que se han desarrollado múltiples estudios para mejorar el diseño de las chumaceras.

Numerosas investigaciones han generado métodos y dispositivos para el control de vibraciones en maquinaria rotatoria; a partir de dichas investigaciones han surgido dos tipos principales de control: el control pasivo, que se utiliza con el sistema rotatorio fuera de operación, para ajustar algunos de sus parámetros, como masa, rigidez y amortiguamiento, donde el balanceo del rotor es el procedimiento más común dentro del control pasivo; el otro es el control activo, en el cual se utilizan dispositivos para aplicar fuerzas de control que se retroalimentan de la respuesta del sistema, entre los cuales se encuentran los cojinetes magnéticos, cojinetes presurizados, cojinetes móviles, suspensión electromecánica, etc. Una de las principales ventajas que presenta el control activo sobre el control pasivo, es que los parámetros del sistema se pueden cambiar con la maquinaria rotatoria en operación.

Chumacera presurizada

En un cojinete de superficie plana, un árbol, muñón o eje gira u oscila dentro de la camisa o buje, movimiento relativo que se conoce como deslizante. A los cojinetes de superficie plana se les conoce comúnmente como chumaceras, cuyo campo de aplicación es inmenso. Por ejemplo, el cigüeñal y los cojinetes de las bielas de un motor de automóvil deben funcionar durante miles de kilómetros a altas temperaturas y bajo condiciones de carga variables; otro ejemplo es el de las chumaceras de las turbinas de vapor en las estaciones generadoras de energía eléctrica.

La chumacera presurizada es un cojinete de superficie plana en el cual la pieza móvil y la estacionaria del sistema están separadas por una película completa de lubricante que soporta la carga, de modo que la parte rotatoria y la estacionaria del sistema no se encuentran en contacto directo.
Las chumaceras presurizadas presentan gran capacidad de carga y resisten velocidades elevadas de operación, gracias a que el eje está separado de la chumacera por una película de aceite; para que se forme esta película se necesita de una cierta presión. Según el modo en que se genera esta presión, las chumaceras presurizadas se clasifican en:

● chumaceras hidrostáticas
● chumaceras hidrodinámicas
● chumaceras híbridas

En las chumaceras hidrostáticas la presurización es externa, se les debe suministrar fluido lubricante a una presión regulada; en cambio, en las chumaceras hidrodinámicas la presurización es interna, y la presión es generada por el movimiento del eje; las chumaceras híbridas son una combinación de las dos anteriores.
Para aplicaciones industriales, las chumaceras presurizadas son de uso común por su larga vida útil; además, si se optimiza el diseño de la chumacera para minimizar el coeficiente de fricción, la pérdida de potencia se puede considerar muy pequeña comparada con una chumacera de rodamientos con la misma capacidad de carga; en las siguientes figuras se puede observar este tipo de chumacera.

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Coeficientes rotodinámicos

Las ecuaciones de movimiento de un sistema rotor-chumacera presurizada contienen coeficientes que corresponden a los de la película del lubricante, estos parámetros cambian con la velocidad de rotación y en consecuencia también cambian con la adición externa de presión. Por lo anterior, el comportamiento dinámico siempre está fuertemente influenciado por los valores que tomen estos coeficientes.
Las chumaceras presurizadas tienen ocho coeficientes rotodinámicos, definidos por las derivadas parciales de las fuerzas hidrodinámicas generadas por la película de fluido (figura 3).

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En la figura se aprecian cuatro coeficientes de rigidez (Kij) y cuatro de amortiguamiento (Cij); el primer subíndice, i, del coeficiente se refiere a la dirección de la fuerza producida, y el segundo subíndice, j, se refiere a la dirección del movimiento que produce tal fuerza (p. ej. Kxy se refiere a una fuerza en la dirección x con un desplazamiento en la dirección y).

Los coeficientes rotodinámicos de las chumaceras presurizadas resultan de gran importancia, ya que cambiando sus valores se puede modificar la dinámica del sistema rotor-chumacera presurizada y así facilitar el control de vibraciones si se desea. En el trabajo que aquí se comenta se ha logrado la implementación de una nueva metodología para encontrar los valores numéricos de los coeficientes, conocida como identificación algebraica en línea (con la maquinaria rotatoria en operación), la cual presenta grandes propiedades de robustez contra perturbaciones, y además es independiente de las condiciones iniciales del sistema.
El trabajo realizado consistió en estimar el valor de los coeficientes rotodinámicos, de rigidez y de amortiguamiento, de una chumacera presurizada mediante técnicas de identificación algebraica en línea. Para ello, se requirió como base un modelo matemático que representara la dinámica del sistema rotatorio; el modelo que se utilizó es un modelo matemático rotor-chumacera de dos grados de libertad a velocidad angular constante. El banco de pruebas experimentales se muestra en la Figura 4.

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La presurización es uno de los métodos modernos en el control de vibraciones, que tiene como objetivo reducir la amplitud de vibración al cambiar el valor de los coeficientes rotodinámicos. Para ello es necesario conocer estos parámetros de rigidez y amortiguamiento, los cuales se pueden determinar aplicando el identificador algebraico en línea mencionado.

En este artículo se comenta brevemente el trabajo experimental desarrollado para estimar el valor de los coeficientes rotodinámicos de rigidez y de amortiguamiento de una chumacera presurizada. Las chumaceras presurizadas presentan ocho coeficientes rotodinámicos, cuatro de rigidez y cuatro de amortiguamiento. Al modificar la presión de inyección del fluido en la chumacera estos coeficientes varían, lo cual se refleja en la respuesta dinámica del sistema rotor-chumacera. La importancia de conocer el valor de los coeficientes rotodinámicos radica en la posibilidad de modificar sus valores mediante la presión del aceite de alimentación de la chumacera presurizada y lograr así un mejor control de las vibraciones del sistema rotatorio.


Dr. Wilberth M. Alcocer Rosado / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
M.C. Saulo J. Landa Damas / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Dr. Andrés Blanco Ortega / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Dr. Jorge Colín Ocampo / Esta dirección de correo electrónico está protegida contra spambots. Usted necesita tener Javascript activado para poder verla.
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico Depto. de Ingeniería Mecánica Cuernavaca, Morelos.