Hiperestáticos y Deformaciones debidas a la Flexión

1. Hiperestáticos y Deformaciones debidas a la FlexiónAlineación Racional de Ejes Propulsores Marinos Curso de Estabilidad IIb Ing. Gabriel Pujol Para las carreas de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Naval y Mecánica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires

2. …minimiza las solicitaciones de los ejes o partes rotantes sobre los puntos de apoyo (descansos, cojinetes, chumaceras, casquillos), los acoplamientos y los elementos de empuje. Para conseguir los objetivos de alineación, se requiere conocer perfectamente los equipos, además de realizar los cálculos necesarios y utilizar las adecuadas herramientas de medición. La línea de ejes del buque es el elemento responsable de transmitir la potencia del motor (maquinaria propulsora) a la hélice, por lo que está sometida a importantes esfuerzos axiales y de torsión, así como también a pares vibratorios y fluctuaciones en las cargas que pueden generar problemas de fatiga. Desde un punto de vista dinámico, una “buena” alineación es aquella que… La Alineación Racional de ejes está basado en el análisis del sistema de ejes como una viga continua, soportada por múltiples apoyos.

3. …una correcta alineación de ejes, no es aquella en la cual todos los cojinetes de apoyo de la instalación son colineales. Realizar un cálculo de alineación racional, es aquel mediante el cual se determinan las posiciones adecuadas de los cojinetes con el objetivo de alcanzar: • Cargas inferiores a las admisibles en todas las condiciones de trabajo, en todos los cojinetes • Carga vertical y hacia abajo en todos los apoyos • Esfuerzos aceptables a lo largo de toda la línea de ejes • Distribución aceptable de cargas en los cojinetes del reductor Estas condiciones deben ser verificadas en las condiciones de operación de la instalación, teniendo muy presente aspectos tales como: En contra de lo que pueda parecer a primera vista… • Fuerzas hidrodinámicas generadas por la hélice • Expansión térmica de los componentes debido al incremento de temperatura • Fuerzas sobre la corona del reductor originadas por el contacto entre dientes

4. Tubo de Bocina: El tubo de bocina es el punto de inicio de la alineación de la línea de propulsión de un buque. Motor Principal: Planta propulsora. Chumaceras o apoyos: Cuando la distancia entre el mamparo de popa de la cámara de máquinas y la caja reductora es suficientemente grande, y si las vibraciones laterales lo hacen aconsejable, se instala un apoyo intermedio (chumacera de apoyo) para distribuir la carga del eje, evitando fenómenos no deseados. Los componentes principales de una línea de propulsión son: Hélice marina: es el elemento de propulsión usado en casi todas las embarcaciones navales. Caja reductora: La caja reductora transforma la velocidad y el par motor en la velocidad de la hélice, para obtener un rendimiento óptimo en la propulsión, e incorpora la chumacera de empuje que transfiere el empuje de la hélice al casco del buque.

5. Efectos térmicos: Como la primera alineación de la línea de ejes tiene que efectuarse en frío, es esencial disponer de una precisión fiable de la magnitud de la diferencia de temperatura en condiciones normales de funcionamiento. En este caso, es necesario realizar un cálculo de desalineación “en frío” para que se alineen cuando alcanzan la temperatura de operación. Calado: Como la alineación de los ejes se realiza en condiciones de muy poco calado o incluso en el dique de construcción, es evidente que cualquier influencia importante sobre la alineación, debida a cambios en las deformaciones del doble fondo en diversas condiciones normales de carga del buque deben documentarse con el mayor cuidado. Además, al ser la hélice propulsora un elemento voluminoso, al pasar el buque a la posición de “buque flotando” el propulsor recibirá un empuje del agua (no despreciable) que contrarrestará en parte el peso propio del mismo generando una variación en el momento flexor actuante en el extremo de la línea de ejes. Factores que influyen sobre la alineación del eje son:

6. Empuje: Las fuerzas de empuje excéntricas de la hélice introducen un momento flector (flexión compuesta) en el extremo de popa de la línea de ejes que disminuye gradualmente hacia el extremo de proa. La magnitud y dirección de esta flexión, depende en gran parte de la geometría de la estela y de la hélice y pueden determinarse por pruebas con modelos. La posición media del centro de empuje cambia con el calado y las condiciones de funcionamiento. Factores que influyen sobre la alineación del eje son: El momento flector debido al empuje influirá principalmente sobre las reacciones de los cojinetes de la parte de popa de la línea de ejes.

7. El descanso de empuje y su asiento pueden deformarse o inclinarse debido a la fuerza de empuje. La inclinación del descanso de empuje puede dar lugar a una distribución no uniforme de empuje, lo cual induce un momento flector externo adicional en la línea de ejes aplicadas en el cojinete de empuje. Factores que influyen sobre la alineación del eje son:

8. Asegurar que todos los apoyos (descansos) de la línea de ejes en todas las condiciones de servicio tengan reacciones positivas, es decir, que la línea de ejes se apoye siempre en la parte baja de su cojinete (para favorecer la lubricación por cuña de aceite). Al aparecer una reacción negativa en cualquier condición de servicio, significaría que el eje estaría levantando el descanso, lo cual induciría un deterioro de este (calentamiento por falta de lubricación) y aparición de vibraciones que podrían conducir a la rotura de elementos por fatiga de material. Los objetivos que debe conseguir una alineación aceptable son: A medida que el eje rota, una cuña de aceite se forma entre las superficies, la cual genera suficiente presión para mantenerlas separadas y soportar la carga del eje.

9. Se debe conseguir que la carga sobre los descansos del tubo codaste (bocina) sea lo más distribuida posible en todas las condiciones de servicio. Los objetivos que debe conseguir una alineación aceptable son:

10. Asegurar que en todas las condiciones de servicio el efecto de la línea de ejes sobre el motor, es decir, la fuerza cortante y el momento flector transmitido a través del acoplamiento, sean totalmente aceptables para el fabricante del motor. Esto se logra haciendo que las diferencias de las reacciones de los descansos de proa y popa del engranaje del reductor sean mínimas. Los objetivos que debe conseguir una alineación aceptable son: Las condiciones descritas en los puntos precedentes se pueden imponer a la línea de ejes, variando la altura relativa de los descansos.

11. …está basado en el análisis del sistema de ejes como una viga continua soportada en múltiples puntos, los que representan los descansos, en una línea recta base, que es considerada como la línea central del sistema. El análisis racional del sistema de ejes, suele ser largo y trabajoso, lo que implica que normalmente se utilice el auxilio de un sistema informatizado. De dicho análisis se obtiene la carga que soporta cada uno de los descansos y la variación de esta carga, al levantar o bajar cualquier de ellos desde la línea base. El método de alineamiento racional…

12. Bibliografía • Ingeniería en el mantenimiento de sistemas propulsivos (http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2002/bmfcif6341i/doc/bmfcif6341i.pdf) • Determinación de la Deflexión y Desalineación en una línea de Ejes de Embarcaciones Pesqueras según Método Racional (http://www.ipinamericas.org/sites/ba_viejo/downloads/XXI/179_PALACIOS_ARANDA_MIERWEN.pdf)

13. Muchas Gracias