Alineamiento de ejes

Alineación Racional de Ejes Propulsores Marinos

Complemento Teórico de la Guía de Trabajos Prácticos

El presente trabajo es un sumario de conceptos teóricos aplicados de la materia Estabilidad IIb (64.12) correspondiente a las carreras de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Naval y Mecánica.

Ing. Gabriel Pujol

Año de edición 2016

Alineación Racional de Ejes (Complemento Teórico)

Estabilidad IIB – 64.12 hoja 1 Curso: Ing. Gabriel Pujol

Tabla de contenido

COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA LÍNEA DE PROPULSIÓN 3

ALINEACIÓN DE LA LÍNEA DE EJES 4

ALINEACIÓN RACIONAL 5

FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LA ALINEACIÓN DEL EJE 5 OBJETIVOS QUE DEBE CONSEGUIR UNA ALINEACIÓN ACEPTABLE 6 MÉTODO DE ALINEAMIENTO RACIONAL 7

BIBLIOGRAFÍA DE BASE (RECOMENDADA) 9


Curso: Ing. Gabriel Pujol hoja 2 Estabilidad IIB – 64.12



Componentes Principales de una Línea de Propulsión

Relación de los principales componentes de una línea de propulsión: tubo de la bocina; ejes; apoyos y chumaceras; caja reductora, motor principal y PTO/PTI.

Tubo de Bocina: El tubo de bocina es el punto de inicio de la alineación de la línea de propulsión de un buque, pudiendo considerarse dos tipos: el que emplea dos o más casquillos independientes y el que utiliza dos o más casquillos montados en un eurotubo (tubo enterizo en el cual van insertados los casquillos).

Línea de ejes: La línea de ejes a considerar en este caso es para una hélice de paso variable y con dos tramos de ejes (eje de cola y eje intermedio).

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.

Caja reductora: La caja reductora es un elemento imprescindible en este tipo de configuración donde se monta uno o dos motores de 4 tiempos (normalmente entre 500 y 1.800 r.p.m.). La caja reductora transforma la velocidad y el par motor en la velocidad de la hélice, para obtener un rendimiento óptimo en la propulsión. A su vez, la caja incorpora la chumacera de empuje que transfiere el empuje de la hélice al casco del buque.

Motor Principal (MP): Planta propulsora.

PTO/PTI: Los acrónimos significan Power Take Off y Power Take In. El PTO puede estar conectado (toma de fuerza) al motor o al reductor. En el caso del PTI, siempre está conectado al reductor.

Hélice marina: es el elemento de propulsión usado en casi todas las embarcaciones navales. El empuje desarrollado en la hélice se transmite a la estructura del barco por el eje principal por la presión del empuje desarrollado. El eje principal se extiende del eje del engrane de reducción principal a la reducción de la hélice. Se apoya en alineación por los cojinetes de suspensión, los cojinetes de retención a popa y



los cojinetes de apoyo. El empuje, actuando en el eje de propulsión como un resultado del efecto del empuje de la hélice, se transmite a la estructura de la embarcación por el buje de empuje principal. En la mayoría de las embarcaciones, se localiza al final del eje principal dentro de la caja de reducción principal. En algunos grandes barcos, sin embargo, el buje del eje principal se localiza más lejos a popa en un espacio de maquinaria o en un claro del eje.

El diseño de alineación contempla la alineación racional, la alineación de la bocina y la alineación entre equipos. La primera, alineación racional, es el cálculo de la deformada del eje, considerando todos los apoyos (cojinetes de bocina, chumaceras, cojinete de salida del reductor). Habitualmente este cálculo cae bajo la responsabilidad del suministrador de la línea.

La alineación de la bocina depende de la experiencia y el criterio del suministrador de la línea de ejes. Si es una sola línea, los cuatro centros de los casquillos deben estar alineados y, en determinados casos, el casquillo de popa tendría una cierta “caída” con respecto a los demás. La alineación entre equipos involucra a la alineación entre el motor principal y la caja reductora, entre la caja reductora y el PTO o entre el motor y el PTO. Se trata del caso menos crítico y se deberá tener en cuenta el comportamiento en operación de las máquinas que se van a alinear, considerando la rotación, la expansión térmica de las maquinas, de sus polines y de los tanques inferiores de aceite si existiesen.

Alineación de la Línea de Ejes

En este apartado se revisan algunos de los factores externos más dominantes que influyen en la alineación de la línea de ejes propulsores de buques en servicio.



Podemos definir como alineación, el proceso de montaje de dos elementos móviles de tal modo que sus ejes de simetría presenten continuidad dentro de ciertos parámetros (tolerancias) preestablecidos. Un trabajo de suma importancia en la instalación del sistema propulsor lo constituye el alineamiento de ejes, en donde debemos considerar cuatro posibles formas de alineamiento, las cuales son:

1. Método de alineamiento racional (etapa de proyecto y diseño).

2. Método de alineamiento óptico y de alineamiento con cuerda (etapa de construcción).

3. Método de alineamiento mecánico (con el buque a flote)

Estos cálculos son sometidos de forma habitual a la aprobación de las principales Sociedades de Clasificación, las cuales establecen, en general, que la alineación del eje, tiene que proporcionar reacciones admisibles en los cojinetes y momentos flectores en el eje, las cuales deben mantenerse en todas las condiciones de funcionamiento de la nave en servicio.

Alineación Racional

Factores que influyen sobre la Alineación del Eje

1. 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 de

cojinetes de la caja reductora con relación a los cojinetes de la chumacera, en condiciones

normales de funcionamiento. Los datos del comportamiento de las máquinas son facilitados por

los fabricantes de los equipos. En este caso, es necesario realizar un cálculo de desalineación “en

frío” para que se alineen cuando alcanzan la temperatura de operación. Con ello se conseguiría

que los equipos se mantengan dentro de unas tolerancias predefinidas.

2. Calado: En general la rigidez de la línea de ejes ha aumentado, y la del doble fondo se ha

reducido, esto significa que la línea de ejes principal, especialmente en buques de gran tamaño,

se ha hecho más sensible que antes a los cambios de calado y a la mar gruesa.

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, con el fin de obtener:

a. Las correcciones necesarias de la curva de alineación en la condición de armamento

(carga del buque)

b. Las modificaciones necesarias posibles de la disposición del eje (por ejemplo, distancia

de los cojinetes, o la rigidez de la estructura del doble fondo)

Cuando la alineación se realiza con el buque fuera de agua deberá considerarse que, 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.

3. 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, especialmente en los grandes petroleros con diferencia de calado considerable entre las condiciones de carga y lastre, la magnitud y también en algunos casos la dirección del momento flector (M.F) puede variar considerablemente.

El momento flector debido al empuje influirá principalmente sobre las reacciones de los cojinetes de la parte de popa de la línea de ejes. Especialmente la distribución de presión en el casquillo de la bocina puede variar con la condición de funcionamiento.

El descanso de empuje y su asiento pueden deformarse o inclinarse debido a la fuerza de empuje. Una inclinación similar del descanso de empuje, se produce en la mayoría de los casos durante la carga del buque, la inclinación del descanso de empuje puede dar lugar a una distribución no uniforme de empuje entre los segmentos de empuje de los cojinetes, lo cual induce un momento flector externo adicional en la línea de ejes aplicadas en el collarín de empuje.

Objetivos que debe conseguir una Alineación aceptable

De lo expuesto anteriormente se desprende que el alineamiento que se selecciona debe cumplir con las siguientes condiciones.



1. 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 cuya 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.

2. Se debe conseguir que la carga sobre los descansos del tubo codaste (bocina) sea lo más distribuida

posible en todas las condiciones de servicio.

3. 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.

Las condiciones descritas en los puntos precedentes se pueden imponer a la línea de ejes, variando la altura relativa de los descansos.

Método de Alineamiento Racional

Se entiende por alineamiento racional a la realización de un estudio más o menos complejo, ya que incluye considerar las deformaciones del casco. Este estudio debe permitir determinar la posición más adecuada de los descansos, elementos motores, etc.

Este método 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.



La línea relativa de los descansos respecto a la línea base puede ser usada como dato de entrada para el cálculo de:

- Deflexiones.

- Pendientes

- Fuerza de corte

- Momento flector en puntos específicos del sistema.

El alineamiento racional deberá ser tal que satisfaga las siguientes condiciones:

- Que se consiga una buena distribución de carga en los descansos.

- Que las reacciones de todos los descansos sean en lo posible positivas.

- Que tanto la carga como el momento flector no sean inferiores a los niveles aceptados.

- Que la diferencia de reacciones entre los descansos del engranaje reductor tengan un valor

aceptable, determinado por el fabricante del reductor.

El cálculo para este tipo de alineamiento se realiza en la etapa de proyecto de la embarcación, se sabe que por resistencia de materiales se puede obtener la reacción de cada uno de los apoyos de la línea de ejes.

Se debe siempre considerar que se desea obtener una curva suave de desplazamiento, para la determinada variación de descansos, ya que al variar la altura de los apoyos se produce una variación en los momentos a lo largo de toda la línea de ejes, lo que nos lleva a una variación en las reacciones en los descansos, y así estos desplazamientos llevan al material a esfuerzos que estén dentro del campo elástico.

Supóngase que se tiene una línea de ejes de “n” descansos y que el descanso “i ésimo” sufre un desplazamiento unitario, este desplazamiento traerá como consecuencia una variación en la reacción de un descanso cualquiera “k”, de este modo se definirá un factor Sik como coeficiente de influencia que multiplicado por el facto de desplazamiento ∆i dará el valor de la reacción Rik en el descanso “k” motivado por dicho desplazamiento.

Para esto se considera que el coeficiente de influencia se calcula con el peso propio del eje y la carga de la hélice, obteniéndose una flecha o desplazamiento en sus apoyos, luego se procede a desplazar la posición de los descansos, la cual multiplicada por el coeficiente de influencia, da como resultado las reacciones correspondientes.

Imagínese ahora que todos los descansos tendrán un desplazamiento ∆, luego las reacciones en los descansos será la sumatoria de la variación producida por cada desplazamiento ∆i en cada uno de los “n” descansos, de esta manera podemos escribir la matriz de los números de influencia.

Si consideramos una línea de eje, en que la distancia entre el propulsor y el eje porta-hélice oscila entre 8-10 m, es evidente que no solamente las deformaciones de la viga buque influirán en las reacciones de los apoyos de la línea de eje, sino que también estarán presentes las deformaciones de la estructura del doble fondo, ya que es sobre esta estructura en la que se apoyan los descansos, que soportan la parte de la línea de ejes que se encuentra a proa del propulsor, zona de sala de máquinas. En definitiva se trata de



prever la distribución racional de las reacciones, y la elástica de la parte de popa de la línea de ejes y porta-hélice.

Una vez efectuado el alineamiento racional, se procede a verificar la carga que está soportando cada descanso. Para esto, se utiliza una gata hidráulica con indicador de carga.

Bibliografía de Base (recomendada)

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)

http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2002/bmfcif6341i/doc/bmfcif6341i.pdf

http://www.ipinamericas.org/sites/ba_viejo/downloads/XXI/179_PALACIOS_ARANDA_MIERWEN.pdf



Education

Alineamiento de ejes