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CAPTULO VIII BALANCEO BSICO DE MAQUINAS ROTATIVAS
La reduccin de fuerzas proporciona un control directo de las
vibraciones
Las fuerzas en los cojinetes, estructura, eje y acoplamientos
resultan de un desbalance1 de masas son inaceptables porque ellos a
veces llevarn a que las vibraciones causen fallas prematuras,
ruidos inaceptables y la incomodidad general a los que se
encuentran alrededor de la mquina. El desbalance de masas ocurre en
una mquina rotativa cuando el centro de masas no coincide con el
centro geomtrico. (Figura 8.1). El resultado es un punto pesado. Un
pequeo peso de balanceo (Figura 8.2) es posicionado en el lado
opuesto del punto pesado, para reducir las fuerzas por masas
desbalanceadas.
Una prueba simple para determinar el desbalance de masas a
grosso modo de un rotor, es colocando el rotor sobre dos bordes
paralelos y nivelados. Si el rotor rueda y descansa en una posicin
se identificar el punto pesado y se colocar una masa en el lado
opuestos para compensar el desbalance, esta operacin se repite con
masas diferentes hasta lograr que el rotor no ruede. Algunas causas
de masas desbalanceadas son listadas en la Tabla 8.1.
La cantidad y posicin del desbalance en cualquier mquina son en
general desconocidas y la apropiada masa de correccin en el plano
de correccin seleccionado debe ser establecido por una prueba. En
1934 E. L. Thearle [8.1] delinea un procedimiento para dos planos
de balanceo de mquinas rotativas en su operacin ambiental. Los
mismos procedimientos son usados hoy. Las mediciones vibracionales
han mejorado y las calculadoras programables y los colectores de
datos son comnmente utilizados como una caja negra accesada para
balanceo. Este captulo describe el balanceo en un solo plano que
usa el mtodo vectorial, los tipos de desbalance, verificaciones
antes de balancear, el equipo requerido para balancear, mediciones
vibracionales, terminologa, balanceo con agujeros, seleccin del
peso de prueba y la calidad de balanceo.
1 Terminologa de la International Standards Organization
Technical Committee 108.
Figura 8.1. Distribucin del Desbalance de Masas.
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8.2
Los Tipos de Desbalance La mayora de tipos de desbalances estn
clasificados en la Tabla 8.2. La Figura 8.3 muestra un desbalance
esttico puro y un par puro para un rotor rgido. La magnitud del
desbalance es dependiente de la posicin del centro de masas
(designado por la distancia entre el centro de masas y el centro
geomtrico a veces llamado excentricidad), de la masa total y del
cuadrado de la velocidad.
Tabla 8.1 Causas del Desbalance
excentricidad agujeros en la colada
chavetas y agujeros de chavetas distorsin mecnica distorsin
trmica
corrosin y desgaste formacin de depsitos
diseo asimtrico cambio de componentes (motores,
ventiladores)
Tabla 8.2. Tipos de Desbalance
esttico y par Figura 8.3 dinmico en voladizo Figura 8.4
dinmico Figura 8.5
F = me2
F = fuerza debida al desbalance de masa, libras m = W/g, masa
del rotor o del componente
e = excentricidad, pulgadas = velocidad de la mquina,
rad/seg
= 2piN/60 N = velocidad de la mquina, RPM
Figura 8.3. Desbalance Esttico y Dinmico.
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8.3
Para rotores rgidos la posicin de la excentricidad no cambia con
la velocidad. El desbalance esttico se puede aplicar a rotores que
pueden ser balanceados con uno o dos planos. El desbalance par esta
usualmente asociado con rotores de dos planos; sin embargo, los
rotores de ventilador en voladizo (Figura 8.4) a menudo exhiben un
par o una combinacin dinmica del desbalance esttico y dinmico;
ninguno es fcil de corregir con las tcnicas de balanceo en un solo
plano.
La combinacin del desbalance esttico y dinmico es llamado el
desbalance dinmico (Figura 8.5) en todo caso las tcnicas de
balanceo en dos planos o los procedimientos de ensayo error son
requeridos para la correccin.
Equipo de Balanceo El listado de la Tabla 8.3 son los equipos
requeridos para un balanceo general. El medidor debe tener un
filtro de rastreo a la velocidad sincrnica para obtener la vibracin
del componente a la velocidad de operacin asociado con la masa del
desbalance. Tambin se obtiene la amplitud de vibracin, el ngulo de
fase entre el punto de referencia del rotor (por ejemplo, la
chaveta) y la vibracin pico. El tamao y la forma del peso de prueba
de una mquina debera estar disponible. Los equipos listados en la
Tabla 8.3 pueden ser usados para calcular el peso de correccin,
pero la mayora de los colectores de datos pueden ejecutar esta
funcin, sin embargo es bueno saber el mtodo vectorial.
Figura 8.4. Ventilador en Voladizo. Figura 8.5. Desbalance
Dinmico.
Tabla 8.3. Equipos Requeridos para el Balanceo
medidor de amplitudes y ngulos de fase calculador electrnico
programa de suma y resta de vectores programa de balanceo en dos
planos
formatos de diagramas polares pesos de prueba
transportador regla graduada
juego de escuadras con regla paralela
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8.4
Verificaciones Previas al Balanceo Antes de empezar a balancear,
otras posibilidades de problemas deberan ser eliminados. Un anlisis
de vibracin completo debe llevarse a cabo para asegurar que el
desbalance de masas es el problema. En la Tabla 8.4 se listan
algunas verificaciones de rutina y anlisis que sern tiles para
aislar el problema y determinar la naturaleza del equipo a ser
balanceado.
Si el desbalance no es el nico problema, corregir cualquier cosa
errada - por ejemplo, excesiva tolerancia en los cojinetes,
soltura, resonancia, desalineamiento - antes de iniciar las pruebas
de balanceo. De otra manera, el procedimiento de balanceo fallar.
Si el rotor no est limpio y hay perdida de
material durante o despus del balanceo, los resultados no sern
satisfactorios. Si el rotor no esta estable como resultado de una
deflexin estructural, distorsin trmica, pulsacin o funcionamiento
cerca de una velocidad crtica, el ngulo cambiar continuamente. Las
lecturas de ngulo de fase deben ser exactas (+/- 7.5) si es as,
existir alguna mejora. La precisi n de las lecturas del ngulo de
fase son importantes en el balanceo. Las pruebas de arranque y
parada son usadas para determinar velocidades crticas y
resonancias; Pruebas de balanceos a estas velocidades pueden
resultar en lecturas de ngulos de fase inestables. Es importante
saber el dimetro de los anillos de balanceo para determinar las
fuerzas aplicadas.
Mediciones Se debe seleccionar los sensores que son sensibles al
balanceo (Tabla 8.5). los captadores de proximidad proporcionan
medidas ms directas. Sin embargo, la falta de redondez debe
substraerse. Los transductores de velocidad y acelermetros montados
en las carcasas proporcionan medidas indirectas de vibracin. El
sensor fotoelctrico o el captador de proximidad proporcionan las
lecturas ms exactas del ngulo de fase. Una luz estroboscpica
proporciona una visin fsica del comportamiento del eje; las
convenciones del ngulo de fase medido con la luz estroboscpica son
listadas en la Tabla 8.6.
La Figura 8.6 muestra la medicin del ngulo de fase con un
captador de proximidad. Las mediciones efectuadas con luz
estroboscpica y un transductor de velocidad se dan en la Figura
8.7. La medicin con el captador de proximidad y la seal del
Tabla 8.4 Verificaciones Antes del Balanceo. Naturaleza del
problema de desbalance
Observar si el rotor esta limpio o no Determinar la estabilidad
del rotor (estructural y trmico) Determinar las velocidades crticas
(pruebas de arranque
y parada) Localizar los pesos de balanceo instalados en el rotor
Conocer en detalle los planos o anillos de balanceo
Tabla 8.5 Sensores. Para Vibracin:
captadores de proximidad transductores de
proximidad acelermetros
Para Fase: luz estroboscpica sensor fotoelctrico
sensor de proximidad
Tabla 8.6. Convencin de la Luz Estroboscpica.
1. Transportador estacionario numerado con la rotacin ngulo de
fase positivo en la direccin de rotacin.
2. Transportador rotativo numerado a favor / contra la rotacin
ngulos de fase positivos a favor / contra la rotacin.
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8.5
disparador no tienen ningn retraso electrnico. Esto significa
que el sensor de medicin es el que protagoniza directamente el
ngulo de fase entre el sensor y el punto ms alto directamente. El
transductor de velocidad y la luz del estroboscpica tienen un
retraso del ngulo de fase electrnico (ver Figura 8.7). Ambos
sistemas tienen un retraso mecnico del ngulo de fase entre el punto
ms alto (vibracin pico) y el punto pesado (posicin del desbalance
de masas), - es decir, hay instrumentos dependientes, el
desplazamiento es la medida preferida para el balanceo an cuando se
utilizan los transductores de velocidad son usados.
Figura 8.6. Mediciones con el Sensor de Proximidad.
Figura 8.7. Mediciones con luz Estroboscpica y Transductor de
Velocidad.
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8.6
Relacin entre el Desbalance de Masas y el Angulo de Fase La
posicin angular de la masa de desbalance del rotor es determinado
desde una marca conocida (ver Figura 8.6). Esta masa de desbalance
(punto pesado) genera una fuerza que induce la vibracin
pico (punto ms alto) en 0 y 180, dependiendo de la posicin de la
velocidad de operacin con respecto a la velocidad crtica. Esto es
llamado retraso de fase mecnico; es decir, la vibracin esta
retrasada con respecto a la fuerza que lo causa (Figura 8.8).
Cuando la posicin de un peso de prueba se selecciona, la
vibracin pico puede estar relacionada al punto pesado en el eje, si
el retraso del ngulo mecnico y electrnico es conocido. El retraso
electrnico de la fase es proporcionado por el fabricante del
instrumento de medicin que est utilizando. Los captadores de
proximidad, acelermetros y transductores fotoelctricos no tienen
retraso electrnico del ngulo de fase.
La posicin relativa de la velocidad de operacin con respecto a
la velocidad crtica y la medicin del retraso del ngulo de fase
mecnico puede obtenerse; midiendo la amplitud y el ngulo de fase
durante una prueba de parada. Por supuesto, si la velocidad crtica
de la mquina es conocida, no es necesario efectuar la prueba. Un
rotor que opera a una velocidad menor de 50% de la velocidad crtica
est en un modo rgido y el punto pesado est cerca de la medida del
punto ms alto y es alterado ligeramente por la amortiguacin
Figura 8.8. Relacin Entre el Punto Pesado y el Punto ms Alto
Retraso Mecnico del Angulo de Fase.
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8.7
(ver Figura 8.8). Cuando la primera velocidad crtica esta cerca,
el ngulo de retraso del punto ms alto al punto pesado es cada vez
mayor, hasta llegar a 90 en la velocidad crtica. Despus de pasar a
la primera velocidad crtica, el retraso del ngulo de fase aumenta
hasta alcanzar los 180. Por consiguiente, s la velocidad de
operacin esta debajo de la velocidad crtica, el peso de prueba se
pone opuesto a la medicin del punto ms alto. S la velocidad de
operacin esta encima de la velocidad crtica, el peso de prueba se
pone en el lado de la medicin del punto ms alto.
Seleccin del Peso de Prueba La apropiada seleccin del peso de
prueba puede ahorrar tiempo as como una mquina. Jackson
[5.2] ha sugerido que el peso de prueba debe producir una fuerza
de no ms de un dcimo (10%) del peso esttico del rotor que usa la
mquina. El peso de prueba puede ser calculado por una frmula. El
peso de prueba ms pequeo posible debera ser usado. Si ninguna
respuesta de vibracin es obtenida, entonces o
el peso de prueba es demasiado pequeo o el problema no es
desbalance de masas.
Errores de Balanceo En la Tabla 8.7 se listan varios errores en
el proceso de balanceo. Algunos de ellos son obvios. Errores en los
datos son muy comunes cuando la sensibilidad trmica es un problema.
Si hay problemas trmicos, puede ser necesario efectuar pruebas que
involucran muchas horas de funcionamiento de mquina para obtener
datos aceptables. Puede ser necesario sacar fuera de servicio la
mquina.
Mtodo Vectorial con Peso de Prueba El procedimiento de balanceo
en un solo plano esta resumido en la Tabla 8.8. El motor opera a
una velocidad seleccionada, la amplitud y el ngulo de fase son
medidos. El punto ms alto (a en la Figura 8.9) es marcado y su
amplitud oa est graficado a escala. La amortiguacin, rigidez y la
masa causarn el retraso del ngulo de fase del vector oa, a una
posicin desconocida del punto pesado.
El peso de prueba WT es localizado en una posicin seleccionada,
el rotor opera a la misma velocidad como antes y el nuevo punto
pesado b es identificado. La nueva amplitud
del vector ob representa el efecto de ambos, del desbalance
original y el desbalance agregado por el peso de prueba WT. El
vector diferencia ab = ob - oa es el efecto solo de WT.
WT = 53,375.5 (W/N2e) WT = peso de prueba en onzas
e = excentricidad del peso de prueba en pulgadas
W = peso esttico del rotor, libras N = velocidad de rotacin,
RPM
Tabla 8.7 Errores de Balanceo Sndrome de Balanceo
Error original de balanceo Balanceo a bajas velocidades
Datos inexactos Sensibilidad trmica
Rotor sucio Resonancia a velocidades crticas
Rotor suelto Soportes sueltos
Pesos de prueba quitados
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8.8
Mover el WT en la misma direccin y un ngulo como es requerido
para hacer ab paralelo y en sentido opuesto a oa. El peso de prueba
se aumenta o disminuye en la proporcin oa/ab para igualar al
desbalance original. Si ab es ms pequeo que oa, el peso de prueba
debera incrementarse. El procedimiento es mostrado en la Figura
8.10. La Tabla 8.9 es un procedimiento para usar un diagrama
vectorial para balanceo en un solo plano.
Tabla 8.8 Mtodo Vectorial con Peso
de Prueba
Medicin y registro de la seal Instalacin del peso de prueba
Medicin y registro de la corrida de prueba
Clculo de vectores Correccin con pesos de
prueba Medicin y registro de la
corrida de prueba
Figura 8.9. Balanceo en un Solo Plano.
Tabla 8.9. Procedimiento para Construir un Diagrama Vectorial
Para Balanceo en un Solo Plano. 1. Marcar la direccin de rotacin
del rotor en el grfico. 2. Marcar la direccin de ngulo de la fase
positivo. 3. Establecer una escala numrica de mils por divisin para
que los vectores grandes no puedan
exceder el grfico. 4. La vibracin original O (5 mils a 19 en la
Figura 8.10) es trazado en el grfico. 5. La posicin del peso de
prueba (WT) es trazado (30) y su tamao (75 gramos) es anotado en el
grfico.6. Graficar la vibracin (O + T) que se obtuvo despus de que
el peso de prueba se agreg al rotor. El
rotor debe ser operado a la misma velocidad, como cuando el dato
original (O) fue adquirido. 7. La diferencia entre (O) y (O + T) es
el efecto del peso de prueba. 8. El efecto del peso de prueba es
obtenido dibujando una lnea entre (O) y (O + T). 9. (O) + (T) debe
ser igual que (O + T). Por consiguiente, la flecha en (T) debe
apuntar a (O + T). 10. (T) es ahora reposicionado con su cola en el
origen movindose en paralelo y manteniendo la
misma longitud. 11. Dibujar una lnea opuesta (O) desde el
origen. 12. La meta del balanceo es agregar un peso de prueba que
crear un vector (T) directamente
opuesto e iguala a (O). 13. El ngulo entre (T) y la lnea opuesto
(O) es 36 determina que lejano y en que direccin el
peso de prueba debe moverse (ver la Figura 8.10). 14. El peso de
prueba es multiplicado por la proporcin de la vibracin original al
efecto del peso de
prueba (5/3.4) para determinar el peso de balanceo. 75 g (5/3.4)
= 110 grs
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8.9
Fraccionamiento del Peso y la Combinacin La Figura 8.11 y la
Figura 8.12 son ejemplos de fraccionamiento de peso y
combinaciones. Las posiciones decididas para los pesos a y b son
seleccionadas. La posicin actual del peso y su magnitud son
marcados en el grfico polar (ver Figura 8.11). Una regla paralela
se usa para determinar grficamente las magnitudes de los pesos de a
y b por las longitudes de los vectores. La combinacin de pesos es
el procedimiento inverso (ver Figura 8.12).
Niveles Aceptables de Vibracin Para el balanceo en el campo, la
Figura 5.4 es usada para obtener la vibracin residual aceptable en
la caja de cojinetes como resultado de un desbalance de masas. La
Figura 5.2 es usado en el campo para las mediciones por captadores
de proximidad.
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8.10
Resumen de Balanceo Bsico de Maquinas Rotativas
El desbalance de masas de un rotor resulta cuando el centro de
masas no est en la misma posicin que el centro geomtrico.
La Masa de desbalance causa una fuerza rotativa a la frecuencia
de la velocidad del eje. La cantidad de fuerza por la masa del
desbalance depende de la posicin del centro de masas al
centro geomtrico, el peso de objeto y al cuadrado de la
velocidad. El balanceo es un procedimiento en el cual el peso de
desbalance puede crear una fuerza igual al
desbalance de las masas y se pone en la posicin opuesta a la
posicin del desbalance de masas.
El punto pesado es la posicin angular del desbalance de masas en
un rotor. El punto ms alto es la posicin angular del pico de
vibracin (desplazamiento).
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8.11
El punto ms alto es medido durante el proceso de balanceo; sin
embargo, el peso de balanceo debe ser posicionado opuesto al punto
pesado. Pueden medirse en desplazamiento, velocidad o aceleracin;
sin embargo, el desplazamiento es el preferido. El retraso del
punto ms alto al punto pesado es como resultado del retraso
electrnico
(instrumento) y el mecnico. El balanceo no debera ser ejecutado
hasta que sea evidente que el desalineamiento, la excesiva
tolerancia en el cojinete, la soltura y la distorsin no sean las
causas de la vibracin a la velocidad de operacin.
El rotor debe estar limpio y estructuralmente compacto antes de
balancear. Los pesos de prueba o de calibracin son usados para
obtener el retraso mecnico. Una regla simple para seleccionar un
peso de prueba es aquel que debera crear una fuerza no
mayor que el 10% del peso del rotor.
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8.12
El mtodo vectorial es usado para determinar el tamao y la
posicin del peso de correccin. La vibracin es medida en la mquina
con o sin peso de prueba. La diferencia vectorial es
determinada para fijar el efecto del peso de prueba, el peso de
prueba es movido relativamente para afectar al vector para que sea
opuesto al vector de desbalance original. El tamao del peso de
prueba se ajusta para que el efecto del vector sea de la misma
longitud como el vector de desbalance original.
Los valores de desbalance permisible en el campo son obtenidos
de los niveles de severidad de las vibraciones ISO 2372 (rms), ver
la Tabla 5.3 y la cartilla (pico) de Blake, ver la Figura 5.4.
Referencias
8.1. Thearle, E.L., "Dynamic Balancing of Rotating Machinery in
the Field," Trans. ASME, 56, pp 745-753 (Oct 1934).
8.2. Eisenmann, Sr. R.C. and Eisenmann, Jr. R.C., Machinery
Malfuncton Diagnosis and Correction, Prentice Hall PRT (1998).