vibración del compresor
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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 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 anexadas sufrirán algún tipo de movimiento
indeseado a causa de diversas 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.
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Qué genera vibración
La vibración puede producirse por diversas condiciones, 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 los compresores, las causas más comunes son el 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.
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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. Toda 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 ocurren 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 compresores 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.
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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 producción. 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.
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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 de 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 las 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 que 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. Todos 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 que 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 separador, 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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