Vibración del compresor
Por qué preocuparse por la vibración Qué genera vibración De qué modo la vibración afecta a los compresores Desbalanceo - El motivo principal de vibración en los compresores De qué modo el diseño de d e Ariel minimiza el desbalanceo Cómo evitar fallas relacionadas con la vibración
Por qué preocuparse por la vibración Todas las máquinas vibran al operar. Independientemente de lo firme que esté montada una máquina, esa unidad y todas las estructuras anexa das sufrirán algún tipo de movimiento indeseado a causa de diversas div ersas fuerzas. Esas fuerzas suelen estar relacionadas con el movimiento de distintas piezas internas de la máquina. Si el movimiento originado por la vibración es muy marcado, la máquina se dañará. Volver arriba
Qué genera vibración La vibración puede producirse por diversas condi ciones, que incluyen ejes torcidos, desequilibrio en las piezas giratorias, engranajes torcidos o gastados, cojinetes dañados, cojinetes o acoplamientos desalineados, fuerzas electromagnéticas, etc. Sin embargo, en el caso de d e los compresores, las causas más comunes son e l desequilibrio en las piezas giratorias y fuerzas aerodinámicas anormales. Ariel presta especial atención a los procesos de diseño y fabricación para evitar que estas condiciones estén presentes. Volver arriba
De qué modo la vibración afecta a los compresores Al analizar el origen de la vibración en un compresor, debe tener en cuenta la unidad de compresión y todos los equipos periféricos anexados. Las unidades de compresión, los secadores, los interenfriadores, las tuberías, etc, se combinan para formar un sistema mecánico complejo que transmite energía de vibración. Frecuencia natural - Vibración del diapasón
Este sistema mecánico forma una estructura que tiene una o más frecuencias naturales. El ejemplo más claro de una frecuencia natural se logra golpeando un diapasón. El diapasón emitirá un sonido en su frecuencia natural. Tod a estructura tiene una frecuencia natural. Cuando una fuerza externa (por ejemplo, el golpe de un martillo) excita una estructura, vibrará en su frecuencia natural hasta que las fuerzas de amortiguación de la estructura detengan la vibración. Los diapasones vibrarán mucho tiempo pero en algún momento se detendrán. Las estructuras mecánicas, que deben estar diseñadas para que no vibren fácilmente, no lo harán por mucho tiempo, excepto que la fuerza de excitación sea continua. En máquinas reales, cuando una estructura tiene resonancia (cuando vibra con su frecuencia natural), las amplitudes de vibración se magnifican. Las averías oc urren a una tasa acelerada. Los compresores Ariel están diseñados para que las frecuencias naturales del sistema estén alejadas de las frecuencias de vibración presentes normalmente. Tipos de vibración en sistemas de compresión
Los dos tipos de vibración predominantes en los c ompresores son las vibraciones traslacionales (laterales) y rotacionales (de torsión). Un ejemplo de vibración traslacional es el movimiento de las tuberías externas a causa de la resonancia. Cuando la vibración de las tuberías externas es excesiva, lo más probable es que la causa sea alguna vibración del sistema generada en una frecuencia cercana a la frecuencia natural de la estructura de las tuberías. Una instancia común de vibración rotacional es una vibración extrema en el cigüeñal, cuya frecuencia es la misma que la velocidad del eje. Este tipo de vibración suele deberse a fuerzas en desequilibrio que actúan sobre el cigüeñal y que están generadas por pesos desiguales en los pares de pistones. Volver arriba
Desbalanceo - El motivo principal de vibración en los compresores La mayoría de los problemas de vibración en los compresores está relacionada con el desequilibrio. Un nivel alto de vibración puede estar directamente relacionado con una fuerza rotacional o una fuerza traslacional causada por una condición de desbalanceo. Qué es el desbalanceo
Existen dos tipos básicos de desbalanceo. Una fuerza desbalanceada es una fuerza que intenta impulsar al compresor y su base primero en una dirección y luego tira en la dirección opuesta. Un par en desbalanceo es un torque que intenta impulsar la máquina alrededor de un eje de rotación como la línea central del cigüeñal. Si bien estos dos tipos de
desbalanceo son similares en cuanto al efecto que tienen, para evitarlos es necesario comprender cómo se generan y evitan. Peso reciprocante
Analicemos más en detalle una fuerza en desequilibrio. Esta fuerza intenta impulsar al compresor y a su base con un desplazamiento de avance y retroceso a lo largo de un plano de movimiento único. Esta fuerza es generada como resultado de pesos reciprocantes desiguales (pesos del ensamble del par de pistones) y fuerzas de compresión aerodinámicas entre pares de pistones. Suponiendo que las fuerzas aerodinámicas están comprendidas en la capacidad de los ensambles de vástagos del diseño (en funcionamiento normal), debemos analizar el problema del peso reciprocante.
El peso reciprocante se define como el peso del ensamble del pistón, la tuerca de balanceo, el ensamble de la cruceta, el vástago de pistón, y el "extremo pequeño" del vástago de pistón. Esta es la porción del ensamble del compresor que se desplaza hacia adelante y hacia atrás en cada cilindro. Cuando la diferencia entre los pesos reciprocantes de un par de pistones es amplia, se genera una fuerza desbalanceada suficiente para comenzar a provocar problemas. Ariel, como parte de nuestra certificación ISO9001, hace un seguimiento cuidadoso de los pesos reciprocantes de todas las unidades de p roducción. Se conserva un registro completo sobre el balanceo de cada máquina nueva en la fábrica. Nuestras tolerancias están en el rango de 1 libra fuerza para las carcasas utilizadas hasta los modelos JG/A/M/P/N/Q/R/W/J, 2 libras fuerza para carcasas más grandes que JGH/E/K/T/C/D y 5 libras fuerza para carcasas más grandes que los modelos JGB/V/U/Z. Para una carcasa de 1000 HP, esta tolerancia equivale a una diferencia menor al 0,33% entre pesos reciprocantes en un par de pistones, lo que representa una norma de precisión sumamente alta. Las cifras sobre tolerancia exactas de cada compresor Ariel están disponibles en el compendio de hojas de datos de la unidad. Peso giratorio
El peso giratorio se define como el peso del cigüeñal y de las estructuras anexadas (deflector de aceite, accionamiento del lado auxiliar, etc.) y el "extremo grande" de la biela. Cuando hay variaciones en cualquiera de estos ensambles o piezas fundidas, se generará
una fuerza que intentará impulsar a toda la unidad alrededor del eje de rotación del cigüeñal. La dirección de la fuerza, o la tracción, será hacia donde está ubicado el "punto pesado" a medida que se mueve alrededor de la línea central del cigüeñal. Volver arriba
De qué modo el diseño de Ariel minimiza el desequilibrio Para comprender de qué modo la filosofía del diseño de Ariel reduce los problemas de desequilibrio en un compresor, debemos ver más a fondo las fuerzas que afectan los ensambles internos del compresor. Fuerzas horizontales primarias y secundarias
La fuerza horizontal primaria (HPF) es la fuerza del peso reciprocante d e un ensamble de pistón que intenta impulsar el cigüeñal hacia el cilindro a medida que el pistón entra en el cilindro.
Esta fuerza se puede compensar utilizando un contrapeso en oposición al ensamble del pistón durante la rotación. La fuerza horizontal secundaria (HSF), que es mucho menor que la fuerza primaria, se debe al movimiento de la biela alrededor de la línea central del cigüeñal.
Par vertical primario
Sin embargo, al utilizar un contrapeso, se agrega una nueva fuerza cuando la rotación está en el punto medio de la carrera del pistón. En este punto de la rotación, el contrapeso se propulsa hacia una dirección perpendicular al movimiento del pistón y toda la masa del contrapeso se convierte en una fuerza vertical (par vertical primario, VPC) que impulsa la máquina hacia arriba (o hacia abajo en la otra mitad del ciclo).
Ariel minimiza la necesidad de aplicar contrapesos utilizando únicamente diseños de carcasa con cilindros opuestos, de pares. Ahora l as fuerzas reciprocantes están balanceadas gracias a los cilindros opuestos. Ya que se aplica un contrapeso mucho menor, el par vertical primario (VPC) se reduce a niveles insignificantes.
Dado que los pares de pistones no se pueden oponer directamente y deben tener una desviación horizontal, se crea cierto grado de fuerza de torsión. Estas fuerzas se denominan par horizontal primario (HPC) y par horizontal secundario (HSC). La fuerza relativa qu e se crea está determinada por la distancia de la desviación "D" entre las líneas centrales de las carreras opuestas.
La mayoría de los fabricantes de compresores colocan los contrapesos directamente en los brazos del pasador del cigüeñal para reducir el HPC pero con esto no se reduce el HSC.
Ariel coloca los contrapesos en el lado externo de los cojinetes principales. Así se reduce el tamaño de los pesos necesarios y se contribuye a reducir tanto el HPC como el HSC.
Ariel cree firmemente que nuestro diseño de pistones opuestos le ofrece una ventaja mecánica máxima en cuanto a la vida útil y la fiabilidad del sistema. Cada uno de nuestros diseños de 2, 4 y 6 cilindros ofrece diversos grados de relación de fuerza. T odos los diseños están creados para tener una vida útil prolongada pero al aumentar la cantidad de cilindros se llega a las relaciones de fuerza que se definen en la tabla a continuación: Fuerza o par
2 carreras
4 carreras
6 carreras
Fuerza horizontal primaria
Pequeña
Pequeña
Ninguna
Par horizontal primario
Significativo
Significativo
Ninguno
Par vertical primario
Significativo
Significativo
Ninguno
Fuerza secundaria horizontal
Pequeña
Pequeña
Ninguna
Par horizontal secundario
Significativo
Ninguno
Ninguno
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Cómo evitar fallas relacionadas con la vibración Si bien no tendrá que balancear una unidad Ariel cambiando el peso de los componentes internos, se deben tomar algunas medidas preventivas. A esta altura, ya está muy claro que se ejercen muchas fuerzas en un compresor en condiciones de funcionamiento normales. Mantenimiento de los pernos de anclaje
Los sujetadores y las piezas fundidas de la unidad Ariel están diseñados para soportar todas las fuerzas de torque y vibración presentes normalmente. Lo qu e Ariel no puede controlar es el mantenimiento de los pernos del montaje que mantienen la unidad fija. Ariel recomienda enfáticamente llevar a cabo un programa de mantenimiento de los pernos de anclaje. Hemos encontrado muchas unidades con fallas en el campo cuyo único problema era un montaje flojo. Proponemos el siguiente cronograma:
Mantenimiento inicial : Los pernos de anclaje se ajustan y liberan tres veces, cuya tensión final se establece en el tercer intento de ajuste.
Después de 7 días de funcionamiento: Con el equipo aún con una temperatura similar a la de operación, controle que exista la tensión adecuada, sin aflojar los pernos. Después de 30 días de funcionamiento: Con el equipo aún con una temperatura similar a la de operación, controle que exista la tensión adecuada. Cada 6 meses, a partir del sexto mes posterior a la instalación: Con el equipo aún con una temperatura similar a la de operación, controle que exista la tensión adecuada. Corrección de problemas de resonancia en estructuras externas
Antes planteamos que todos los sistemas tienen una frecuencia natural, o más. Si hay excitación en una de estas frecuencias, un sistema estructural tenderá a vibrar. Los niveles de vibración existentes aumentarán y se dañará la máquina en presencia a una tasa acelerada. Si nota que alguna parte de la estructura de la máquina tiene resonancia, puede tomar varias medidas para corregir este problema. Asegúrese de que los pernos de montaje y demás piezas de anclaje estén bien ceñidos. Los montajes flojos suelen causar una situación de holgura general, similar en apariencia a la resonancia.
Modifique la velocidad de operación de la unidad para cambiar las frecuencias de las fuerzas de excitación. Agregue peso a la estructura que presenta resonancia. Al cambiar la masa de las estructuras también se cambian sus frecuencias naturales. Apuntale los sectores del sistema con mayor movimiento. Así no sólo se cambian las frecuencias naturales, sino que también se ofrece más rigidez a las estructuras implicadas. La vibración en las tuberías también se puede eliminar agregando un apuntalamiento en la parte superior del separado r, volviendo a montar las tuberías del sistema en un plano diferente (con mayor rigidez) o bien construyendo un bastidor de concreto e inyectando lechada en los puntos de anclaje.
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