Diseño, fabricación, puesta en marcha y modelado de un sistema de simulación vibro-acústica de fallos en maquinaria rotativa

En el mundo industrial moderno existe infinidad de instrumentos y maquinaria con partes rotativas. Ejemplos significativos se pueden encontrar en la gran variedad de turbinas de generación eléctrica, en los árboles transmisión mecánica de los motores de combustión y los alternadores eléctricos, o en las grandes centrifugadoras industriales. Existe un fenómeno que se conoce como resonancia mecánica y es tremendamente influyente en los procesos de diseño o selección de máquina para procesos. Las máquinas con elementos que giran muestran un comportamiento singular alrededor de los llamados puntos o velocidades críticas de funcionamiento. A estas velocidades de operación aparecen deformaciones y vibraciones considerables en el eje que pueden llegar a ocasionar desde un paulatino deterioro hasta un fallo catastrófico, habiéndose dado casos de ejes de turbina proyectados a varios metros de distancia de la bancada de la máquina, o aerogeneradores destruidos por el calor generado por fricción (ver imagen). Es por ello que el comportamiento dinámico condiciona inmensamente la operativa de los procesos implicados, tratando de evitar en la medida de lo posible estas velocidades. Este comportamiento se ve acentuado cuando se dan circunstancias anómalas como desalineamientos entre los apoyos de un eje o desequilibrios del centro de masas, entre otras. Por tanto, la identificación de estas particularidades cobra especial importancia en el análisis dinámico de estas máquinas. Para ello, se está trabajando en un modelo que combine el análisis vibratorio que produce una máquina bajo alguna de estas circunstancias y la relación que existe con el ruido característico de cada tipo de fallo. La tarea precisa de un proceso previo de experimentación y toma de datos. El desarrollo del presente trabajo se ha hecho con la colaboración del profesor Ventura Muñoz Yi de la Universidad del Norte, en Colombia, para diseñar, fabricar y poner en marcha una instalación de simulación vibro-acústica para maquinaria rotativa. Los ensayos de vibración y acústica serán procesados para llegar al modelo combinado de vibración y ruido, y la máquina fabricada servirá para ensayos de vibración en algunas asignaturas del Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales, el Máster en Ingeniería Industrial y el Máster especialista en Ingeniería Mecánica. Por tanto, se ha llevado a cabo este proyecto con un propósito educativo, de forma que se pueda utilizar el resultado en el entorno de las asignaturas que planean incluir de forma novedosa parte de teoría de vibraciones en la carga teórica. Este trabajo de fin de grado ha tenido cuatro etapas principales, que tratan de englobar el ciclo completo de creación y puesta en marcha de una máquina. En primer lugar, se ha llevado a cabo un diseño apoyándose en las necesidades planteadas para usar el equipo en sesiones prácticas. En segundo lugar, se ha fabricado y montado la instalación en el aula de prácticas de la División de Ingeniería de Máquinas. En tercer lugar, se ha elaborado un modelo matemático con el programa de cálculo matricial MATLAB® para determinar las velocidades críticas teóricas de la instalación. Por último, se han ejecutado una serie de ensayos vibro-acústicos para validar el modelo matemático, y a su vez, obtener información de vibración y ruido de forma simultánea para el estudio del modelo combinado ya mencionado. En la imagen superior izquierda se muestra el resultado del análisis comparativo de las velocidades críticas teóricas (en azul claro) frente al perfil de amplitud de vibración experimental, obtenido por análisis de las medidas de los ensayos. Los resultados muestran que el modelo matemático se acerca con bastante fiabilidad a los resultados experimentales. Sin embargo, como parte de las líneas futuras a desarrollar, se perfeccionará este modelo ayudándose del software de simulación física COMSOL Multiphysics®, que se ha llegado a preparar para mostrar las deformadas críticas del rotor (imagen superior derecha). Por último, se muestra el resultado final de la instalación de prácticas, con los instrumentos de alimentación y adquisición de datos