Este artículo técnico describe el trabajo de Johan Ihsan Mahmood sobre el análisis del modelo de acoplamiento del estator. El propósito de este estudio es optimizar el diseño del acoplamiento del estator para aumentar la frecuencia natural del acoplamiento del estator mediante análisis de elementos finitos. Se realiza análisis de elementos finitos en el diseño y desarrollo del acoplamiento del estator utilizando el software ABAQUS. Al aumentar el tamaño del orificio central del acoplamiento e introducir nervaduras de refuerzo en las partes flexibles de la estructura, se ha aumentado la frecuencia natural del acoplamiento.
descripción general
En este estudio, se utilizó el análisis de elementos finitos para optimizar el diseño del acoplamiento del estator y aumentar su frecuencia natural. A través de la iteración y el análisis del diseño, la frecuencia natural del diseño se optimizó de 714 Hz en el diseño original a 1611 aumentando el diámetro del orificio central del acoplamiento e introduciendo nervaduras de refuerzo en las partes flexibles de la estructura.
prólogo
Un acoplamiento es un dispositivo utilizado principalmente para conectar dos ejes para transmitir potencia o rotación. En aplicaciones de control de movimiento, los acoplamientos de rotor se usan para conectar codificadores al eje del motor (parte del rotor) y los acoplamientos de estator se usan para conectar codificadores a la carcasa del motor (parte del estator). El acoplamiento del rotor gira con el eje del motor, mientras que el acoplamiento del estator permanece estático durante el funcionamiento del motor. El diseño adecuado del acoplamiento es fundamental para el correcto funcionamiento del codificador al detectar la posición y la velocidad de rotación del eje. Dado que el motor puede girar a cualquier velocidad o frecuencia de rotación, el acoplamiento utilizado en el codificador debe diseñarse con una frecuencia natural alta que supere el rango de frecuencia de funcionamiento del motor para evitar la resonancia en el sistema. La resonancia es la condición en la que la frecuencia de funcionamiento del motor coincide con la frecuencia natural del acoplamiento. Cuando esto sucede, el acoplamiento puede vibrar a altas amplitudes y, si esta amplitud aumenta, puede ocurrir una falla prematura. El objetivo principal de realizar este estudio es determinar las frecuencias naturales de los acoplamientos mediante el análisis de elementos finitos. El diseño del acoplamiento se puede optimizar y ajustar para lograr altas frecuencias naturales antes de fabricar el acoplamiento. Esto evita cambios de diseño innecesarios, ahorrando tiempo y costos de desarrollo.
Acoplamiento rotor-estator
Los acoplamientos de rotor generalmente se construyen con materiales como elastómeros, polímeros y metales, con un diseño helicoidal (similar a un resorte) (Figura 1) para mayor flexibilidad. Este acoplamiento ayuda en la alineación radial y axial del eje. También debe ser capaz de soportar los enormes pares causados por la aceleración angular del motor. Los acoplamientos del estator (Figura 2) suelen estar hechos de acero y tienen un diseño flexible para permitir la desalineación axial o radial del eje. El acoplamiento del estator transporta solo la carga estática de la masa del codificador y produce un par muy bajo debido a la fricción del rodamiento.
En la Figura 3 se muestra una configuración típica que muestra cómo se ensambla el acoplamiento rotor-estator en un sistema. Para comprender cómo interactúan los acoplamientos dentro del sistema mecánico, cree un diagrama de cuerpo libre (Figura 4). Dado que el acoplamiento del rotor gira con el eje, el problema se analiza como un sistema de grados de libertad de torsión. El momento de inercia de masa del motor es muy grande en comparación con el momento de inercia de masa (I) del codificador. El motor se puede considerar estacionario (fijo), con el eje, el acoplamiento y el codificador conectados en serie en un sistema torsional. El eje del motor es rígido a la torsión (Kt1) conectado a un eje del codificador rígido a la torsión (Kt3) a través de un acoplamiento de rotor rígido a la torsión (Kt2). Si las rigideces torsionales de ambos ejes (Kt1 y Kt3) son significativamente mayores que la rigidez torsional del acoplamiento del rotor (Kt2), entonces la frecuencia natural es la parte menos rígida del sistema, es decir, la rigidez torsional del acoplamiento del rotor (Kt2 ). .
Las frecuencias naturales de los sistemas torsionales se pueden estimar utilizando la siguiente ecuación (Eq1.): Se puede observar que cuando aumenta la rigidez del acoplamiento (Kt), también aumenta la frecuencia natural (Fn), y cuando aumenta el momento de inercia o el rotor (I), la frecuencia natural (Fn) disminuye. Debido a los grados de libertad de torsión, los acoplamientos de rotor tienen la desventaja de frecuencias naturales más bajas en comparación con los acoplamientos de estator.
Para el acoplamiento del estator, el problema se puede simplificar como un sistema de vibración de resorte-masa. El sistema consta de un resorte del eje con masa del codificador (M1) y rigidez (K1) y un resorte efectivo compuesto del acoplamiento del estator con rigidez (K2). La masa del motor es muy grande en comparación con la masa del codificador y se considera estacionaria. En este análisis solo se considera la masa del codificador. Debido a la compleja geometría de los acoplamientos del estator que pueden vibrar en múltiples grados de libertad, se utiliza el análisis computacional mediante el método de elementos finitos para resolver frecuencias naturales y formas modales. Los acoplamientos de estator son adecuados para aplicaciones altamente dinámicas debido a su estabilidad y altas frecuencias naturales. Para un rendimiento óptimo, el acoplamiento del estator debe ser lo más rígido posible para lograr altas frecuencias naturales, pero al mismo tiempo acomodar la desalineación axial y radial del eje debe ser lo suficientemente flexible para
Modelado de elementos finitos
Se realiza análisis de elementos finitos en el diseño y desarrollo del acoplamiento del estator utilizando el software ABAQUS. En la Figura 4 se muestra un diseño inicial del acoplamiento del estator. Las dimensiones externas son 50 x 50 mm y la altura es de 10 mm. La parte superior del acoplamiento está unida al codificador y la base está unida a la carcasa del motor. El acoplamiento está hecho de acero inoxidable de 0,2 mm de espesor.
En la Figura 5 se muestra un modelo de elementos finitos. La base de apoyo está completamente modelada, pero el codificador está modelado con una geometría simplificada. Se supone que la masa del codificador es una masa concentrada para simplificar el análisis, pero aún conserva la misma masa que el codificador real. Al hacer esto, puede eliminar los modos locales y sin importancia dentro del codificador que no contribuyen a los modos globales de vibración. El algoritmo Lanczos Eigensolver se utiliza para resolver frecuencias naturales y formas de modo.
Optimización del diseño de acoplamiento de alta frecuencia natural
Luego, el diseño del acoplamiento se optimiza para lograr frecuencias naturales más altas. Primero, examinamos el efecto del orificio central del acoplamiento. Al quitar el orificio central del acoplamiento, se redujo la frecuencia natural a 661 Hz (Figura 7). Aumentar el diámetro del orificio central aumenta la frecuencia natural. Se registró una frecuencia natural de 1133 Hz cuando el diámetro del orificio era de 30 mm. Las formas modales de la primera frecuencia natural de la iteración del diseño se muestran a continuación.
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