La vibración torsional es la vibración angular de un objeto (comúnmente un eje) a lo largo de su eje de rotación. La vibración torsional es a menudo una preocupación en los sistemas de transmisión de potencia que utilizan ejes o acoplamientos giratorios, donde puede causar fallas si no se controla. Un segundo efecto de las vibraciones de torsión se aplica a los turismos. Las vibraciones de torsión pueden provocar vibraciones en el asiento o ruidos a determinadas velocidades. Ambos reducen la comodidad.
En los sistemas ideales de generación (o transmisión) de energía que utilizan piezas giratorias, los pares aplicados o reaccionados son "suaves", lo que conduce a velocidades constantes, y el plano giratorio donde se genera la energía (entrada) y el plano en el que se extrae (salida) son lo mismo. En realidad, este no es el caso. Los pares generados pueden no ser suaves (por ejemplo, motores de combustión interna ) o el componente que se impulsa puede no reaccionar al par suavemente (por ejemplo, compresores alternativos ), y el plano de generación de energía normalmente está a cierta distancia del plano de toma de fuerza. Además, los componentes que transmiten el par pueden generar pares no suaves o alternos (por ejemplo, correas de transmisión elásticas, engranajes desgastados, ejes desalineados). Como ningún material puede ser infinitamente rígido, estos pares alternos aplicados a cierta distancia sobre un eje provocan una vibración de torsión alrededor del eje de rotación.
La fuente de energía puede introducir vibraciones torsionales en un tren de transmisión. Pero incluso un tren motriz con una entrada de rotación muy suave puede desarrollar vibraciones de torsión a través de los componentes internos. Las fuentes comunes son:
La vibración torsional es una preocupación en los cigüeñales de los motores de combustión interna porque podría romper el propio cigüeñal; cortar el volante; o provocar que fallen las correas impulsadas, los engranajes y los componentes adjuntos, especialmente cuando la frecuencia de la vibración coincide con la frecuencia resonante torsional del cigüeñal. Las causas de la vibración torsional se atribuyen a varios factores.
Si la vibración torsional no se controla en un cigüeñal, puede causar fallas en el cigüeñal o en cualquier accesorio impulsado por el cigüeñal (generalmente en la parte delantera del motor; la inercia del volante normalmente reduce el movimiento en la parte trasera del motor). ). Los acoplamientos convierten la energía de vibración en calor. Por ello, y para garantizar que el acoplamiento no se dañe por ello (la temperatura podría ser muy alta, dependiendo de la carga), esto se verifica mediante el cálculo de vibraciones torsionales. [3]
Esta vibración potencialmente dañina suele estar controlada por un amortiguador de torsión que se encuentra en la punta delantera del cigüeñal (en los automóviles suele estar integrado en la polea delantera). Hay dos tipos principales de amortiguadores de torsión.
Las vibraciones de torsión de los sistemas de accionamiento suelen provocar una fluctuación de la velocidad de rotación del rotor del motor eléctrico de accionamiento. Estas oscilaciones de la velocidad angular superpuestas a la velocidad de rotación media del rotor provocan perturbaciones en el flujo electromagnético, lo que conduce a oscilaciones adicionales de las corrientes eléctricas en los devanados del motor. El par electromagnético generado también se ve influenciado por interacciones electromecánicas adicionales que varían en el tiempo, lo que provoca más vibraciones torsionales del sistema de accionamiento. Según lo anterior, las vibraciones/oscilaciones mecánicas del sistema de accionamiento se acoplan con las oscilaciones eléctricas de las corrientes de los devanados del motor. Este acoplamiento suele ser no lineal y presenta una gran carga computacional.
Debido a la naturaleza altamente no lineal y acoplada de las oscilaciones electromecánicas, a menudo se utilizan aproximaciones que permiten caracterizar analíticamente dichas oscilaciones. Para simplificar la caracterización de las oscilaciones entre sistemas mecánicos y eléctricos, es común suponer que los componentes mecánicos y eléctricos están desacoplados. Luego, manteniendo el aspecto mecánico o eléctrico en estado estacionario, se puede calcular la característica del otro. Un método común es aplicar pares electromagnéticos generados por los motores eléctricos como funciones de excitación supuestas del tiempo o del deslizamiento rotor-estator, [4] [5] [6] que generalmente se basan en numerosas mediciones experimentales realizadas para un dado el comportamiento dinámico del motor eléctrico. Para ello se han desarrollado fórmulas a partir de resultados de medición, es decir empíricamente, que proporcionan buenas aproximaciones a las excitaciones electromagnéticas externas producidas por el motor eléctrico. [7] Aunque las corrientes eléctricas que fluyen en los devanados del motor eléctrico son precisas, el sistema de accionamiento mecánico normalmente se reduce a uno o rara vez a unos pocos cuerpos rígidos giratorios. [8] En muchos casos, tales simplificaciones producen resultados suficientemente útiles para aplicaciones de ingeniería, pero pueden conducir a imprecisiones ya que se descuidan muchas propiedades dinámicas cualitativas de los sistemas mecánicos, por ejemplo, su distribución de masa, flexibilidad torsional y efectos de amortiguación. Por lo tanto, la influencia del comportamiento oscilatorio de los sistemas de accionamiento sobre las fluctuaciones de la velocidad angular del rotor de la máquina eléctrica y, por tanto, sobre las oscilaciones de la corriente eléctrica en los devanados del rotor y del estator, no se puede investigar con una precisión satisfactoria, excepto mediante métodos numéricos, que pueden proporcionar una precisión arbitrariamente alta.
Las vibraciones y deformaciones mecánicas son fenómenos asociados al funcionamiento de la mayoría de estructuras de transmisión de vehículos ferroviarios. El conocimiento de las vibraciones torsionales en los sistemas de transmisión de vehículos ferroviarios es de gran importancia en el campo de la dinámica de sistemas mecánicos. [9] Las vibraciones de torsión en las transmisiones de vehículos ferroviarios son generadas por muchos mecanismos acoplados, que son muy complejos y se pueden dividir en dos partes principales:
La interacción de las fuerzas de adherencia tiene características no lineales que están relacionadas con el valor de fluencia y dependen en gran medida de las condiciones de la zona rueda-carril y de la geometría de la vía (especialmente al circular por un tramo curvo de la vía). En muchos sistemas mecánicos modernos, la deformabilidad estructural torsional juega un papel importante. A menudo se utiliza el estudio de la dinámica de los vehículos ferroviarios utilizando métodos rígidos multicuerpo sin elementos deformables por torsión [14]. Este enfoque no permite el análisis de las vibraciones autoexcitadas, que tienen una influencia importante en la interacción longitudinal rueda-carril. [15] Un modelado dinámico de los sistemas de propulsión eléctrica acoplados con elementos de una máquina accionada [16] [17] o vehículo es particularmente importante cuando el propósito de dicho modelado es obtener información sobre los fenómenos transitorios del funcionamiento del sistema, como el funcionamiento El acercamiento, el descenso y la pérdida de adherencia en la zona rueda-carril. El modelado de una interacción electromecánica entre el motor eléctrico de accionamiento y la máquina también influye en las vibraciones de torsión autoexcitadas en el sistema de accionamiento. [18] [19]
La forma más común de medir la vibración torsional es utilizar pulsos equidistantes en una revolución del eje. Los codificadores de eje dedicados, así como los transductores de captación de dientes de engranajes (inducción, efecto Hall, reluctancia variable, etc.) pueden generar estos pulsos. El tren de impulsos del codificador resultante se convierte en una lectura de rpm digital o en un voltaje proporcional a las rpm.
El uso de un láser de doble haz es otra técnica que se utiliza para medir las vibraciones torsionales. El funcionamiento del láser de doble haz se basa en la diferencia en la frecuencia de reflexión de dos haces perfectamente alineados que apuntan a diferentes puntos de un eje. A pesar de sus ventajas específicas, este método produce un rango de frecuencia limitado, requiere una línea de visión desde la pieza hasta el láser y representa múltiples láseres en caso de que sea necesario medir varios puntos de medición en paralelo.
Existen muchos paquetes de software que son capaces de resolver el sistema de ecuaciones de vibración torsional. Los códigos específicos de vibración torsional son más versátiles para fines de diseño y validación de sistemas y pueden producir datos de simulación que pueden compararse fácilmente con los estándares industriales publicados. Estos códigos facilitan la adición de ramas del sistema, datos de masa elástica, cargas en estado estacionario, perturbaciones transitorias y muchos otros elementos que sólo un experto en rotordinámica necesitaría. Códigos específicos de vibración torsional:
Bond Graphs se puede utilizar para analizar vibraciones torsionales en grupos electrógenos, como los que se utilizan a bordo de barcos. [20]
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