VIBRACIONES MECÁNICAS EN MOTORES DE …

1 VIBRACIONES MEC NICAS EN MOTORES DE COMBUSTI N. INTERNA. Autor: Ing. Ra l Isa as Maderna Trabajo final del Curso de Postgrado de Metodolog a de la Investigaci n Cient fica. ABSTRACTO. Conocer el porque de la existencia de VIBRACIONES en los MOTORES de combusti n, es el primer paso para lograr su compensaci n o la eliminaci n de los efectos que las produ- cen. Por ello el trabajo consisti en hacer un estudio de las masas en movimiento, des- cribiendo su desplazamiento instant neo y analizando las variaciones de velocidades y aceleraciones que sufren durante su funcionamiento. Determinando las fuerzas y los momentos de inercia, como tambi n los efectos de la combusti n de la mezcla sobre la m quina en estudio. Conociendo de esta manera como reaccionar n los materiales que componen los distintos elementos del motor y el efecto de las VIBRACIONES torsionales que afectan al cig e al.

2 Palabras Claves: VIBRACIONES , fuerzas, momentos de inercia, torsionales INTRODUCCI N. Fue a trav s de la experiencia propia lograda a lo largo de tantos a os en mi actividad profesional; especialmente en lo que hace a montaje de ascensores a tracci n e hidr uli- cos y su mantenimiento posterior, como tambi n por la observaci n directa de los efec- tos producidos por las VIBRACIONES en los diferentes componentes mec nicos de las m - quinas, lo que hizo que me incentivara la necesidad de investigar sobre este fen meno que aparec a en toda pieza dise ada por la ingenier a. La aparici n del fen meno de vibraci n en m quinas es un problema que muchas veces resulta de dif cil soluci n para el ingeniero y/o dise ador. Estos problemas suceden tanto en la fase de proyecto como en la fase de uso normal. En la fase de proyecto, el dise ador y/o ingeniero debe tener en cuenta de c mo se po- dr reducir eliminar este fen meno.

3 En cambio en la fase de uso normal de una m quina, el problema de las VIBRACIONES podr aparecer por muchos motivos. Para ello se puede dar los siguientes ejemplos de acuerdo a la intensidad de las vibra- ciones y cual puede ser el resultado final sobre el sistema sobre el cual se produce: Por da o total en un motor el ctrico, producido en su bobinado por desgaste de los bujes soportes del rotor y los extremos del eje del mismo. En este caso, al no haber contado con un correcto mantenimiento preventivo, y al haber- se producido un notable desgaste, el rotor del motor comienza a vibrar produciendo ro- zamientos contra el bobinado del estator. Dicho rozamiento fue generando un aumento de temperatura del bobinado, hasta valores que superaba las posibilidades de evacuaci n del calor calculadas para dicha m quina. Como dato final, el bobinado se termin quemando, con la consiguiente detenci n del motor.

4 En otro caso y debido a la calibraci n no adecuada de las zapatas de freno del grupo motor, se generaban VIBRACIONES que eran transmitidas a la cabina, las que eran percibi- das por los usuarios del ascensor. En este caso no se lleg a la falla por rotura de la m quina, pero produc a molestias a los pasajeros durante el viaje. Todo esto se complet con la lectura de muchos casos reales investigados por otros pro- fesionales, lo que despert mi inter s en conocer m s del tema. Al principio, la idea de hacer investigaci n en esta rea fue desechada por mi ya que no ten a claro cual era la especialidad que yo quer a emprender en ingenier a mec nica. Luego de analizar diferentes sistemas mec nicos simples y complejos, tom la decisi n de abocarme al mbito que m s conozco: el de los MOTORES de combusti n interna. Por que los MOTORES de combusti n interna? Por que considero que la investigaci n a desarrollar puede ser un aporte a la ense anza y did ctica de la ingenier a, tan imprescindible en los estudiantes de mec nica.

5 Para dar inicio a este trabajo, considero de relevancia plantear el problema y la metodo- log a que se utilizar para abordarlo. El problema planteado es estudiar los efectos producidos por las VIBRACIONES mec nicas generadas por esfuerzos torsionales en el motor de combusti n interna. La metodolog a propuesta es la siguiente: Generar una falla, que se traduzca en un est mulo generador de pulsos de vibraci n so- bre el eje cig e al, efecto que se pueda detectar por los transductores de se ales y se realice una lectura de los resultados. OBJETIVOS. Realizar el estudio te rico del funcionamiento de las partes en movimiento de un motor. Determinar los esfuerzos que soporta la m quina, especialmente en aquellos elemen- tos sujetos a rotaci n y/o traslaci n. Generar o simular una falla, la que puede ser: Debido a desgaste por funcionamiento normal Debido a mal montaje de las piezas.

6 Debido a desequilibrio est tico o din mico por p rdida de material y tambi n por desalineaci n de piezas. ACTIVIDAD. Confecci n de planillas de c lculo y gr ficos de los distintos sucesos. HIPOTESIS. C mo se pueden detectar las VIBRACIONES producidas en los elementos mec nicos suje- tos a movimientos de rotaci n y traslaci n y que aparecen por est mulos externos cir- cunstanciales? Cu l es la importancia de poder detectar las VIBRACIONES en dichos elementos y a su vez conocer la respuesta a esos est mulos? Se podr a evitar da os permanentes en los mis- mos? En un motor en estudio Cu l ser la ubicaci n m s adecuada para poder colocar los sensores a fin de realizar la obtenci n de datos, los cuales ser n tenidos en cuenta para un an lisis posterior de prevenci n? DESARROLLO. BASE TE RICA. VIBRACIONES mec nicas. Se sabe que todo cuerpo o sistema que tiene masa y elasticidad, es capaz de vibrar a una o m s de las frecuencias naturales del mismo, en este caso se dice que el sistema tiene o experimenta una vibraci n libre (o natural) y que la misma se produce sin que existan est mulos externos aplicados a l.

7 Esto considerando que es m nima o nula la amorti- guaci n. Las frecuencias naturales son parte de las propiedades del sistema din mico y dependen de su distribuci n de masa y de su rigidez. Ahora bien, si dicho sistema recibe un est mulo, como una fuerza o trabajo exterior, del tipo oscilatorio, entonces el mismo ser obligado a vibrar a la frecuencia de excitaci n, por lo tanto se dice que el sistema est bajo el efecto de una vibraci n forzada. Si la frecuencia de excitaci n coincide con alguna de las frecuencias naturales del sis- tema en cuesti n, la amplitud de la primera se sumar a la amplitud de la segunda, dan- do lugar a una amplitud a n mayor. Cuando sucede esto, se dice que el sistema se encuentra en un estado de resonancia, dando lugar a oscilaciones elevadas en amplitud, las que pueden ser muy peligrosas para las condiciones estructurales o de vida til de las m quinas.

8 Como se define una vibraci n? La vibraci n, en general, se trata de un movimiento ondulatorio peri dico. Esto quiere decir que dicho movimiento se repite con todas sus caracter sticas despu s de un cierto intervalo de tiempo, al que se denomina per odo de la vibraci n. La vibraci n puede ser representada por medio de una gr fica desarrollada en un par de ejes X e Y. Sobre el eje Y se representa el desplazamiento de la vibraci n, y sobre el eje X el tiempo o per odo con que se repite la misma. Por otro lado un cuerpo o sistema puede poseer, en su estado oscilatorio, un grado de libertad, dos grados de libertad o n grados de libertad. Cuando, un cuerpo tiene un grado de libertad, significa que se puede describir su posi- ci n geom tricamente, en cualquier instante, por una sola coordenada. Si el cuerpo tiene dos grados de libertad, se puede describir su movimiento en dos di- recciones o en un par de ejes.

9 En la medida que el movimiento oscilatorio tenga m s grados de libertad, su estudio ser m s complejo, desde el punto de vista matem tico. Pero las VIBRACIONES en m quinas pueden llegar a estudiarse considerando el o los sis- temas con un solo grado de libertad, lo cual simplifica el an lisis correspondiente. Adelant ndonos un poco al trabajo a desarrollar, podemos decir que a trav s del estudio de las VIBRACIONES , se puede determinar cu les ser an las partes de una m quina que de- ber an ser investigadas para reducir los efectos de las mismas sobre todo el conjunto en general y sobre los usuarios en particular. Luego de esta breve introducci n al tema, el paso siguiente es desarrollar el estudio de las VIBRACIONES que se producen en el motor de combusti n interna. Para ello nos hacemos la siguiente pregunta: El estudio que se llevar a cabo, ser sobre un motor fijo o no?

10 Un motor fijo es utilizado para mover una m quina que est en un lugar determinado. Por ejemplo: un motor de combusti n interna que mueve un generador de energ a el c- trica. El caso contrario ser , por ejemplo, el de un autom vil. En ambas situaciones, los MOTORES sufren VIBRACIONES importantes. Pero en este trabajo se enfocar la atenci n en MOTORES utilizados en diferentes tipos de veh culos y bajo diferentes exigencias de trabajo. Hay que tener en cuenta que esta amplitud en el rango de velocidades, complica a n m s la reducci n y/o eliminaci n del efecto de las VIBRACIONES , justamente por la varia- ci n de la carga aplicada. An lisis de VIBRACIONES en el motor Al analizar los problemas inherentes a los MOTORES de combusti n interna, podemos definir dos grupos dentro del fen meno de las VIBRACIONES , los cuales son: La transmisi n de VIBRACIONES del motor a la base como un todo.