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.

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.

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

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.

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.

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.

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

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

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.

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).

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.

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).