Vibration, dynamics and noise

formerly BETA Machinery Analysis and SVT Engineering Consultants

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Análisis de vibraciones torsionales (AVT)

Un análisis de la vibración torsional evalúa el cigüeñal, los acoplamientos y los engranajes para asegurar que la vibración torsional es aceptable.

Torsional analysis vibration study on coupling

Los expertos en vibraciones de BETA utilizan un software de simulación patentado y probado en el campo para:

  • Llevar a cabo un análisis modal del modelo elástico de masa para determinar las frecuencias naturales torsionales (FNT).
  • Evaluar las curvas de esfuerzo para todas las condiciones de operación claves,
  • Realizar un análisis de la respuesta forzada para  pronosticar con exactitud el esfuerzo y la vibración torsional, y
  • Recomendar soluciones para asegurar un sistema torsional seguro.

Entre las características únicas que BETA ofrece de forma exclusiva para asegurar un sistema más confiable se incluyen:

  • Análisis con la herramienta  DataMiner™ de BETA, que proporciona sensibilidad en el diseño y análisis avanzado.
  • Análisis de vibraciones torsionales integrado con análisis mecánico de las vibraciones y de las pulsaciones, que aseguran unos resultados del estudio superiores.
  • La determinación de los riesgos debido a las fuerzas laterales de la estructura causadas por respuestas torsionales en compresores de pistón y la integración con el análisis mecánico de la vibración de BETA resultan en probabilidades bajas de vibración.

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1 Información general

Una vibración y resonancia torsionales excesivas hacen que el cigüeñal, los acoplamientos, los engranajes, el equipo auxiliar, y demás sufran daños. A continuación se muestran ejemplos de daños en las conexiones y los ejes. Los costos de reparación de ese equipamiento pueden exceder fácilmente 1.000.000 de dólares entre piezas, trabajo e inactividad.

Alrededor del 80% de todos los sistemas torsionales que analizamos requieren una modificación del sistema durante la fase de diseño para reducir el riesgo de que se produzcan fallas.

La vibración torsional variará dependiendo de las características del sistema y las condiciones de operación específicas (curva de esfuerzo). Cualquier cambio que se produzca en estos factores puede resultar en una vibración torsional excesiva.

Para ver un resumen de la vibración torsional, recomendamos este video:

Si desea obtener más información, capacitación o soporte, contacte con BETA. 

A) Falla del motor                                 B) Daños en los acoplamientos        C) Fractura en el eje                  D) Acoplamientos de caucho derretidos

2 Aplicaciones y consejos

Los trenes motrices en las siguientes aplicaciones requieren un análisis de la vibración torsional:

  • Compresores de gas de pistón
  • Compresores de tornillo
  • Bombas centrífugas y bombas de émbolo buzo
  • Compresores centrífugos
  • Conjuntos de motor/generador

Consejos para realizar un diseño mejorado de un sistema torsional

Se debería realizar un AVT para:

  • Cualquier tipo de combinación nueva de impulsor/ equipo accionado
  • Cualquier cambio en la configuración del compresor (cilindros diferentes) o cambios significantes en las condiciones de operación (presión, carga de los cilindros)
  • Motor diferente (que sea la misma estructura no quiere decir que tenga el mismo rotor en su interior)
  • Trenes motrices que presenten fallas
  • Aplicaciones de unidades de frecuencia variable (VFD)
  • Sistemas sensibles y críticos

Nota: se recomienda realizar una evaluación in situ para confirmar si existen esfuerzos dinámicos y vibración torsional.

3 Alcance

El siguiente alcance es una norma en los estudios torsionales realizados por BETA. El alcance cumple con estudios API, entre los que se incluyen (y no solo se limita a) el 610, 613, 618, 671 y 684.

Evaluación del rendimiento:

  • Evaluar todas las condiciones dentro de los límites de operación para determinar con precisión las peores condiciones
  • Incluir casos anormales y de arranque si es aplicable

Análisis modal:

  • Generar el modelo elástico de masa para un tren motriz completo
  • Calcular las frecuencias naturales torsionales y sus formas modales.

Análisis de respuesta forzada:

  • Calcular el torque vibratorio que actúa en el sistema
  • Realizar un análisis de la respuesta forzada para evaluar las amplitudes del esfuerzo dinámico y la vibración torsional

Excitación torsional a lateral (Compresores de pistón):

  • Calcular las fuerzas laterales de la estructura inducidas por la vibración torsional del cigüeñal
  • Evaluar el riesgo basado en la magnitud de las fuerzas laterales
  • Coordinar con los análisis de la vibración mecánica de BETA para evitar cualquier resonancia mecánica

Efectos electromagnéticos del motor:

  • Calcular la rigidez y amortiguamiento a lo largo del entrehierro
  • Incluir el efecto de las frecuencias naturales torsionales y respuestas forzadas

Control de calidad y visualización de los datos:

  • Las herramientas del software DataMiner™ se utilizan para evaluar el sistema y comparar varias alternativas. Además puede visualizar los resultados de cientos de condiciones operacionales
  • Revisión técnica realizada para asegurar la validez del modelo y los datos de entrada

DataMiner™ – herramienta de análisis singular para visualizar todos los resultados de formas diferentes (por ejemplo, factor de seguridad en el diseño del eje de un motor). Esta herramienta permite al usuario evaluar los riesgos de la vibración a través de todas las condiciones de operación analizadas. El color ROJO indica las áreas que se deben evitar, de lo contrario aparecerán fallas. El color AMARILLO indica las áreas marginales y se deberían evitar. Cada círculo es una combinación única de la condición operativa y de la velocidad analizada en el estudio. DataMiner es una aplicación de uso exclusivo para nuestros clientes. 

Recomendaciones:

Para evitar resonancias torsionales y una vibración torsional excesiva, recomendamos cambios como, pero que no se limiten a:

  • Modelo, tamaño y tipo de acoplamientos
  • Instalación del volante de inercia
  • Instalación del desafinador
  • Condiciones de operación y/o velocidad limitadas
  • Cambio de los materiales de los ejes
4 Opciones
  • Análisis del cigüeñal – BETA calcula los datos de la masa elástica para el cigüeñal si esos datos no están disponibles
  • Análisis de balance – se calculan las fuerzas y momentos desequilibrados en una unidad de pistón. Si es necesario, se harán recomendaciones para cambiar los contrapesos.
  • Análisis de elementos finitos – BETA puede llevar a cabo un análisis de esfuerzos tridimensional detallado para los nuevos diseños de cigüeñal Análisis de elementos finitos (AEF)
 

Eje roto – resultado de un análisis torsional en condiciones limitadas

Modelo tridimensional de elementos finitos de un cigüeñal de un compresor de 6 cilindros – utilizado para calcular los datos de masa elástica para un análisis torsional

5 Ventajas de BETA
  • Evaluación completa de todo el rango de las condiciones de operación junto con las condiciones anormales – no solamente el que se considera que es el peor caso. Todo esto mejora la confiabilidad del sistema y evita la posibilidad de que aparezcan errores en el diseño.
  • El análisis de bandas de tolerancia de BETA mejora la precisión y minimiza el riesgo. Esta tecnología evalúa el riesgo y el impacto del diseño debido a la tolerancia de parámetros clave de entrada. El enfoque de BETA reduce el riesgo de que aparezcan fallas y evita que se tengan que implementar soluciones caras que no sean necesarias.
  • BETA tiene una extensa base de datos con información de motores, compresores y acoplamientos – dando como resultado un análisis más rápido y preciso.
  • Nuestro enfoque sistémico se focaliza en el paquete completo en el que se incluye el motor, impulsor, acoplamientos, etc. Este enfoque es más completo y preciso si se compara con los servicios que se centran principalmente en el motor (o compresor).
  • Prestamos un servicio completo en el que se incluye un diseño integrado de sistemas mecánicos, torsionales y de pulsaciones. Esto permite obtener una solución efectiva a la excitación torsional/lateral, a la coordinación entre los cambios de pulsaciones y a los impactos de la vibración torsional.
  • Herramientas del software patentado para utilizar aplicaciones más rápidas, precisas y avanzadas (Torsan™, RCA™ y DataMiner™).
  • Revisión técnica para un control de calidad mejorado. Expertos técnicos líderes en la industria están involucrados en su proyecto para evitar que aparezcan problemas o errores.
  • Un equipo de soporte en análisis torsional dedicado que proporciona diseños rápidos, eficientes y de alta calidad.
  • Los ingenieros de campo pueden ayudarle a nivel mundial proporcionándole pruebas y verificación in situ de esfuerzos y vibraciones torsionales. 
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8 Palabras clave
  • Dinámica del rotor

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