Trabajo de grado - Pregrado
Diseño de un banco de pruebas para el análisis de vibraciones en un sistema tipo rotor de Jeffcott para la aplicación del mantenimiento predictivo en el programa de ingeniería mecatrónica
Registro en:
Universidad Tecnológica de Pereira
Repositorio Institucional Universidad Tecnológica de Pereira
Autor
Serna López , Hernando
Institución
Resumen
Se propone el diseno de un banco de pruebas basado en un sistema rotor-eje apoyado sobre dos chumaceras para analizar su respuesta vibracional teniendo en cuenta que una maquina rotativa puede ser modelada matematicamente por medio del metodo de elementos finitos. En el trabajo se evidencia el diseno y la simulacion de los modos de vibración del banco de pruebas realizado en el software SOLIDWORKS considerando criterios de diseno para cada uno de los elementos del sistema (Motor, eje, rotor chumaceras y sus respectivos soportes). Tomando como base el diseño 3D, se plantea el modelado de las ecuaciones de movimiento del sistema y cada uno de sus componentes utilizando los efectos de la inercia rotativa, momentos giroscópicos, amortiguacion interna viscosa e histerica, las deformaciones por cizallamiento y el par axial. La formulación del trabajo permitirá que los estudiantes analicen diferentes escenarios de funcionamiento que permitan identificar la incidencia de la variacion del rotor a lo largo del eje y el comportamiento del sistema al modificar la separacion entre chumaceras This paper proposes the design of a test bench based on a rotor-shaft system supported on two bearings to analyze its vibrational response taking into account that a rotating machine can be modeled mathematically by means of the finite element method. The work shows the design of the test bench made in SOLIDWORKS software considering design criteria for each of the elements of the system (engine, shaft, rotor, bearings and their respective supports). Based on the 3D design, the equations of motion of the system and each of its components are modeled using the effects of rotational inertia, gyroscopic moments, viscous and hysteretic internal damping, shear deformations and axial torque.The formulation of the work will allow students to analyze different operating scenarios that will allow them to identify the incidence of the rotor variation along the shaft and the behavior of the system when modifying the bearing spacing. Pregrado Ingeniero(a) Mecatrónico(a) TABLA DE CONTENIDO
RESUMEN………………………………………………………………………………………15
ABSTRACT………………………………………………………………………………..……15
1 DEFINICIÓN DEL PROBLEMA ...............................................................................16
1.1 INTRODUCCIÓN ..............................................................................................16
1.2 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ...............................................................17
1.3 JUSTIFICACIÓN ...............................................................................................18
1.4 OBJETIVOS......................................................................................................19
1.4.1 OBJETIVO GENERAL................................................................................19
1.4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ......................................................................19
2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS PARA EL DISEÑO Y ANÁLISIS VIBRATORIO DE
UN SISTEMA TIPO ROTOR DE JEFFCOTT.................................................................20
2.1 Análisis vibracional............................................................................................20
2.1.1 ¿Qué es una vibración?..............................................................................20
2.1.2 Vibración simple .........................................................................................20
2.1.3 Vibración compuesta. .................................................................................21
2.1.4 Vibración aleatoria y golpeteos intermitentes. ............................................21
2.1.5 Tipos de medición.......................................................................................22
2.1.6 Dirección de medición ................................................................................22
2.1.7 Valores de alarma de la vibración en una máquina....................................23
2.1.8 Límites máximos de vibración.....................................................................23
2.2 Diagnóstico de máquinas ..................................................................................24
2.2.1 Desbalanceo...............................................................................................24
2.2.2 Desbalanceo estático .................................................................................25
2.2.3 Desbalanceo de par de fuerzas..................................................................25
2.2.4 Fuentes de desbalanceo ............................................................................26
2.2.5 Desalineación .............................................................................................26
2.2.6 Desalineación paralela ...............................................................................27
2.2.7 Desalineación angular ................................................................................27
2.2.8 Holgura de rodamiento ...............................................................................27
2.2.9 Soltura mecánica........................................................................................27
2.2.10 Frecuencia natural y resonancias...............................................................29
2.2.11 Análisis espectral........................................................................................29
2.3 Tipos de sensores.............................................................................................31
2.3.1 Rango de medición de los sensores de velocidad......................................31
2.3.2 Características de los acelerómetros..........................................................31
2.3.3 Acelerómetros.............................................................................................32
2.4 El método de los elementos finitos (MEF o FEM). ............................................32
3 MODELADO CAD Y ANÁLISIS FRECUANCIAL DEL SISTEMA ............................34
3.1 Antecedentes ....................................................................................................34
3.2 El rotor Jeffcott con chumacera móvil ...............................................................35
3.3 Modelamiento matemático del sistema .............................................................36
3.4 Modelamiento de los elementos del sistema.....................................................38
3.5 Establecimiento de las matrices de los elementos............................................38
3.5.1 Matriz de rigidez elástica ............................................................................39
3.5.2 Matriz de rigidez de amortiguamiento interno.............................................40
3.5.3 Matriz de masa ...........................................................................................40
3.5.4 Matriz de inercia rotacional.........................................................................41
3.5.5 Matriz de efecto giroscópico .......................................................................41
3.5.6 Matriz de masa global.................................................................................42
3.5.7 Matriz de amortiguamiento global...............................................................42
3.5.8 Matriz de rigidez global...............................................................................42
3.6 Ensamble matricial............................................................................................43
3.6.1 Ensamble global de las matrices de cada elemento...................................43
3.6.2 Ensamble de matrices de los componentes adyacentes al rotor................44
3.6.3 Disco central...............................................................................................45
3.6.4 Soportes: Cojinetes, piñón y acople al motor. ............................................46
3.7 Selección y Modelado 3D de los elementos del banco de pruebas ..................47
3.7.1 Selección del motor eléctrico......................................................................47
3.7.2 Diseño del eje.............................................................................................47
3.7.3 Diseño disco balanceador de masas..........................................................52
3.7.4 Selección de chumaceras...........................................................................52
3.7.5 Diseño del chasis del banco de pruebas ....................................................53
3.8 Simulación.........................................................................................................56
4 RESULTADOS ........................................................................................................60
4.1 Ecuaciones obtenidas en el análisis matemático ..............................................60
4.2 Cálculo del eje...................................................................................................61
4.3 Modelado 3D del banco de pruebas .................................................................61
4.4 Resultado del estudio de frecuencias en SolidWorks simulation ......................62
4.4.1 Estudio de frecuencia Forma modal 1 ........................................................62
4.4.2 Estudio de frecuencia Forma modal 2 ........................................................63
4.4.3 Estudio de frecuencia Forma modal 3 ........................................................64
4.4.4 Estudio de frecuencia Forma modal 4 ........................................................64
4.4.5 Estudio de frecuencia Forma modal 5 ........................................................65
5 CONCLUSIONES....................................................................................................67
6 RECOMENDACIONES............................................................................................68
7 BIBLIOGRAFIA........................................................................................................69