capitulo 7 estabilidad de los elementos...

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87 CAPITULO 7 ESTABILIDAD DE LOS ELEMENTOS LIBRES Al momento de hacer la simulación del sistema para cualquier caso dado, se puede ver que algunas veces los elementos libres compensan el desbalanceo del rotor y otras no. En ciertas circunstancias, dependiendo del diseño de las máquinas, pueden ser susceptible a la inestabilidad. Esto significa que se presentarán vibraciones ya sea que existan o no existan efectos del desbalance, y esto resulta en altos niveles de ruido, esfuerzos y reducción en la vida útil de la máquina debido a la presencia de fatiga. [14] Para tener una idea clara sobre si el sistema es capaz de autobalancearse, se debe hacer un análisis dinámico de los elementos libres en sus posiciones finales. Dicho análisis se puede hacer si se conocen las fuerzas que actuán sobre los elementos libres. Las estabilidad de las posiciones finales de los elementos libres [21] están regidas por la ecuación: 0 = - l k a ij j i P (7.1) donde ij k es el símbolo de Kronecker. Para que las posiciones finales sean estables, las raíces l de la determinante deben de tener una parte real negativa.

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87

CAPITULO 7

ESTABILIDAD DE LOS ELEMENTOS LIBRES

Al momento de hacer la simulación del sistema para cualquier caso dado, se

puede ver que algunas veces los elementos libres compensan el desbalanceo del rotor y

otras no. En ciertas circunstancias, dependiendo del diseño de las máquinas, pueden ser

susceptible a la inestabilidad. Esto significa que se presentarán vibraciones ya sea que

existan o no existan efectos del desbalance, y esto resulta en altos niveles de ruido,

esfuerzos y reducción en la vida útil de la máquina debido a la presencia de fatiga. [14]

Para tener una idea clara sobre si el sistema es capaz de autobalancearse, se debe

hacer un análisis dinámico de los elementos libres en sus posiciones finales. Dicho

análisis se puede hacer si se conocen las fuerzas que actuán sobre los elementos libres.

Las estabilidad de las posiciones finales de los elementos libres [21] están regidas

por la ecuación:

0=⋅-∂

∂lk

a ijj

iP(7.1)

donde ijk es el símbolo de Kronecker. Para que las posiciones finales sean estables, las

raíces l de la determinante deben de tener una parte real negativa.

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7.1 Análisis matemático de la estabilidad del sistema con solo dos elementos

libres (n=2; uno en cada tambor)

Para poder continuar con el análisis es necesario conocer la derivada de la fuerza

de vibración con respecto a la posición del elemento libre. Pero, como la fuerza de

vibración es función de cada una de las amplitudes es también indispensable conocer sus

derivadas con respecto a la posición del elemento libre.

Antes de expresar las derivadas debe quedar claro que cuando los elementos

libres llegan a sus posiciones finales (es decir, cuando el sistema está balanceado),

Ac( )nff aa ,...,1 = As( )nff aa ,...,1 = 0. Por lo tanto:

˙˙˙˙˙˙˙˙

˚

˘

ÍÍÍÍÍÍÍÍ

Î

È

∂-

∂-

∂+

∂+

∂-

∂-

∂-

∂-

-=∂

Q

Q

iij

s

iij

cii

j

sii

j

c

ij

syi

j

cyi

j

sxi

j

cx

iij

i

zA

senzA

senzA

zA

senAAA

senA

RmP

aa

aa

aa

aa

aa

aa

aa

aa

wa

yy

cos

cos

coscos

5.0 2 (7.2)

para i , j = 1,…,n.

A continuación es necesario conocer todos los elementos de la ecuación anterior:

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( )[ ]( ) ˜

¯ˆ

ÁËÊ ---

--=

222

22

ww

awaw

aMkBkk

senBksenkRmAs

xxzzxz

jxzzjxzjj

j

cx (7.3)

( )[ ]( ) ˜

¯ˆ

ÁËÊ ---

--=

222

22 coscos

ww

aaww

aMkBkk

zkBkRmAs

xxzzxz

jixzjxzzjj

j

sx (7.4)

( ) ˜¯ˆ

ÁËÊ ---

˙̊˘

ÍÎ

È-˜

¯ˆ

ÁËÊ -

=∂

222

22

ww

aaww

ay

MkBkk

senksenzMkRmA

sxxzzxz

jxzjis

xjj

j

c (7.5)

( ) ˜¯ˆ

ÁËÊ ---

˙̊˘

ÍÎ

Ș¯ˆ

ÁËÊ --

=∂

222

22 coscos

ww

awaw

ay

MkBkk

zMkkRmA

sxxzzxz

jis

xjxzjj

j

s (7.6)

( )[ ]( ) ˜

¯ˆ

ÁËÊ ---

--=

222

22 coscos

ww

aaww

aMkBkk

zkBkRmAs

yyzzyz

jiyzjyzzjj

j

cy (7.7)

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90

( )[ ]( ) ˜

¯ˆ

ÁËÊ ---

--=

222

22

ww

aaww

aMkBkk

senzksenBkRmAs

yyzzyz

jiyzjyzzjj

j

sy (7.8)

( ) ˜¯ˆ

ÁËÊ ---

˙̊˘

ÍÎÈ

˜¯ˆ

ÁËÊ --

=∂

∂ Q

222

22 coscos

ww

awaw

aMkBkk

zMkkRmA

syyzzyz

jis

yjyzjj

j

c (7.9)

( ) ˜¯ˆ

ÁËÊ ---

˙̊˘

ÍÎÈ

˜¯ˆ

ÁËÊ -+

=∂

∂ Q

222

22

ww

awaw

aMkBkk

senzMksenkRmA

syyzzyz

jis

yjyzjj

j

s (7.10)

La determinante para sólo dos elementos libres queda definida como:

0

2

2

1

2

2

1

1

1

=

-∂

∂-

laa

al

a

PP

PP

(7.11)

A partir de la determinante, se obtiene la ecuación característica:

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01

2

2

1

2

2

1

1

2

2

1

12 =˜˜

¯

ˆ

ÁÁ

Ë

Ê

∂-

∂+

˜˜

¯

ˆ

ÁÁ

Ë

Ê

∂-

∂-⋅+

aaaaaall

PPPPPP(7.12)

esta ecuación tiene la forma 02 =+⋅+⋅ cba ll la cual se resuelve mediante la

fórmula general.

Según la ecuación característica se puede ver que se tienen dos soluciones para l .

a

acbb

2

42 -±-=l (7.13)

7.2 Intervalos de estabilidad

Como se puede ver, l puede ser un número real con parte imaginaria (si

acb 42 - < 0)

Los intervalos para los cuales las posiciones finales de los elementos libres se

consideran estables están definidos para aquellos valores de w que den como resultado

partes reales negativas de l . Esto quiere decir que existen ciertos intervalos de

velocidades del rotor para los cuales las posiciones finales serán estables y otros

intervalos que no lo serán, causando un aumento en las vibraciones del rotor.

En la figura 7.1 se pueden ver los intervalos de estabilidad para un sistema con

n=2 y mRMe 2= , donde m es la masa de un elemento libre y R el radio del tambor. Se

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debe aclarar que debido a que n=2 el sistema sólo es capaz de eliminar un valor

específico de Me . Como ya se sabe, el hecho de tener n=4, da la posibilidad de eliminar

más de un solo valor de desbalanceo estático. Lo mismo ocurre para Md y alguna

combinación cualquiera de ambos desbalanceos.

En la figura 7.2 se puede observar los intervalos de estabilidad para el mismo

sistema anterior con amortiguamiento y sin amortiguamiento, donde mzRMd 2= . z es

el valor absoluto de la distancia del centro del rotor al centro de un elemento libre

Figura 7.1 Intervalos de estabilidad con sólo Me.

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A partir de la figura anterior se puede ver que velocidades menores a 20 rad/s no

son estables, lo que significa que cualquier vibración generada crecerá en el tiempo. A

valores mayores de 20, el rotor es estable.

Figura 7.2 Intervalos de estabilidad con sólo Md

Se puede ver que el comportamiento es sumamente parecido con el de la figura

7.1. La diferencia se encuentra justo a los 20 rad/s en donde cada una de las gráficas tiene

un diferente valor (muy pequeño, pero a fin de cuentas distinto).

Por otro lado, debido al comportamiento similar, se tienen los mismos intervalos de

estabilidad.

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Figura 7.3 Intervalos de estabilidad con sólo Me y amortiguamiento

Figura 7.4 Intervalos de estabilidad con sólo Md y amortiguamiento

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Para todas las figuras anteriores se observa un comportamiento similar, en donde

a 20 rad/s se observa un pico. De antemano se sabe que a esa frecuencia se encuentra una

de las frecuancias naturales del sistema.

7.2.1 Intervalos de estabilidad con diferente rigidez en el sistema

Para este caso, el valor de rigidez de y es 4 veces el de x.

Figura 7.5 Intervalos de estabilidad con rigidez distinta sinamortiguamiento.

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En la figura anterior se puede ver como ahora ya ha cambiado el comportamiento

del sistema. Los intervalos de estabilidad ahora son: 21-39 rad/s y 48 en adelante. Se

debe tener precaución en el valor de 48 rad/s especialmente, debido a que ahora esta

velocidad es una de sus frecuencias relativas.

Cabe mencionar el detalle de que ahora se tuvieron dos intervalos y no sólo uno

como anteriormente había sido.

Figura 7.6 Intervalos de estabilidad con rigidez distinta conamortiguamiento

En esta ocasión se tiene un comportamiento sumamente parecido a las primeras 4 figuras

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de ésta capítulo. La diferencia es que ahora 31 rad/s funciona como frecuencia natural del

sistema debido a el cambio en la rigidez y en el amortiguamiento.

7.3 Criterio de Routh – Hurwitz

El criterio de Routh – Hurwitz es un método para determinar si la ecuación de

frecuencias de un sistema dinámico contiene o no raíces con partes reales positivas. Si

existen partes reales positivas en cualquier raíz, el sistema será inestable en la velocidad

analizada, debido a cualquier perturbación en las posiciones finales de los elementos

libres producirá una respuesta que crecerá en el tiempo.

Este método es utilizado en esta tesis para poder comparar los resultados

anteriores de las gráficas con los valores a obtener por medio del método de Routh –

Hurwitz.

La manera en que se debe escribir la ecuación de frecuencias para poder llevar a

cabo el método es: [18]

0... 12

22

21

1 =+++++ --

-- o

mm

mm

mm aaaaaa lllll (7.14)

Para que no existan partes reales positivas, se deben cumplir dos condiciones:

(1) Todos los coeficientes de la ecuación de frecuencias deben de tener el mismo

signo, y

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(2) Cada miembro de la secuencia de determinantes R1, R2,…, Rn-1 que se definen

más adelante, deben de ser positivos:

R1= oa (7.15)

R2= 23

1

aa

aa o (7.16)

R3=

345

123

01 0

aaa

aaa

aa

… etc (7.17)

Ahora, que el método ha sido definido, es necesario confirmar si los valores

obtenidos en la gráfica wvslambda como estables o no estables. Para esto, primero

se deben calcular los valores de las frecuencias naturales para saber si los mínimos (o

valores extremos de las gráficas) son correctos.

s

rad

M

kxkx2021

1 =+

=w

(7.18)

s

rad

M

zkxzkx27

222

211

2 =+

=w (7.19)

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Ya que han sido obtenidas las frecuencias naturales para cuando sólo existe

desbalanceo estático ( )1w y para cuando sólo existe desbalanceo dinámico ( )2w , es

tiempo de aplicar el método.

7.3.1 Criterio de Routh – Hurwitz con sólo desbalanceo estático presente

Para llevar a cabo el método se analizaron 4 velocidades, s

rad100,40,20,10=w .

Los coeficientes na se obtienen de la ecuación:

01

2

2

1

2

2

1

1

2

2

1

12 =˜˜¯

ˆÁÁË

Ê

∂-

∂+˜

˜¯

ˆÁÁË

Ê

∂+

∂⋅-

aaaaaall

PPPPPP(7.20)

Para s

rad10=w :

(1) 2a +, 1a - y 0a +

(2) R1= oa = 0

Para s

rad20=w :

(1) 2a +, 1a + y 0a +

(2) R1= oa = 0

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100

Para s

rad40=w :

(1) 2a +, 1a + y 0a +

(2) R1= oa = 1.2656e-6

Para s

rad100=w :

(1) 2a +, 1a + y 0a +

(2) R1= oa = 3.1017e-5

Los 4 valores probados con el criterio corresponden con la figura 7.1. Se puede

ver que los 4 valores analizados al ser comparados con los valores de la figura, dan

buenos resultados, esto significa que los resultados concuerdan con los obtenidos en las

gráficas de intervalos de estabilidad.

Por lo tanto, si se buscara sólo saber si un valor específico de w es estable o no,

lo más recomendable utilizar el criterio de Routh-Hurwitz.