Manual de alineación y balanceo básico

8/3/2019 Manual de alineación y balanceo básico

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Manual de alineación y balanceo básico


DESCRIPCIÓN DEL PROBLEMA – INTRODUCCIÓN

TIPOS DE VIBRACIONES

La razón principal para analizar y diagnosticar el estado de unamaquina es determinar las medidas necesarias para corregir lacondición de vibración - reducir el nivel de las fuerzas vibratorias nodeseadas y no necesarias.

El desbalance de la maquinaria es una de las causas más comunes dela vibración. El desbalance se debe a que el centro de gravedad de uncuerpo giratorio no coincide generalmente con su centro de rotación.Las causas son:

1. en la práctica es imposible conseguir que la masa estéuniformemente distribuida alrededor del centro geométrico del cuerpoy

2. el árbol sobre el cual gira el cuerpo se deforma flexionándose por

efecto de la carga, desplazando al centro de gravedad fuera del ejeverdadero, el cual pasa por el eje geométrico o línea central de loscojinetes. La rotación puede comenzar alrededor del eje geométrico,pero a una cierta velocidad, la fuerza centrífuga del centro degravedad desplazado será igual a las fuerzas de deformación queactúan sobre el árbol; éste con los cuerpos de que es solidario vibraráentonces violentamente, ya que la fuerza centrífuga varía endirección y sentido cuando gira el árbol. A esta velocidad se ladenomina crítica. Se alcanzan sucesivamente velocidades críticasadicionales, armónicas, más altas que la velocidad fundamental, perolas amplitudes de las vibraciones correspondientes disminuyenprogresivamente.

La excentricidad es en realidad una fuente común de desbalanceos, yse debe a un mayor peso de un lado del centro de rotación que delotro. La excentricidad en rodetes o rotores de ventiladores,sopladores, bombas y compresores puede también crear fuerzasvibratorias. En esos casos las fuerzas son el resultado de fuerzasaerodinámicas e hidráulicas desiguales que actúan contra el rotor.

Las vibraciones también pueden deberse a elementos rodantesdefectuosos, rodamientos defectuosos, aflojamiento mecánico, a

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correas de accionamiento, a problemas de engranaje o a fallaseléctricas.

BALANCEO

El balanceo es la técnica de corregir o eliminar fuerzas o momentosgeneradores de perturbaciones vibratorias. Los esfuerzos sobre elbastidor de un mecanismo, o sobre los soportes pueden variar demanera significativa durante un ciclo completo de operación yprovocar vibraciones que a veces pueden alcanzar amplitudespeligrosas. Incluso aunque no lo fueran, las vibraciones someten a loscojinetes a cargas repetidas que provocan el fallo por fatiga de laspiezas. Se hace entonces preciso eliminar o reducir las fuerzas deinercia que producen estas vibraciones.

Cualquier eslabón o elemento que se encuentre en rotación purapuede, teóricamente, estar perfectamente equilibrado estática ydinámicamente para lo que hay que eliminar todas las fuerzas ymomentos generadores de vibración. Para lograr un equilibriocompleto se requiere establecer el equilibrio dinámico; sin embargo,en algunos casos, el estático puede ser un sustituto aceptable ygeneralmente es más fácil de alcanzar.

Las variaciones debido a las tolerancias de producción de las partesen rotación hacen que haya algún pequeño desequilibrio en cada una.

Por lo tanto, en cada parte se deberá aplicar algún procedimiento debalanceo. La magnitud y localización de cualquier desequilibriopueden ser determinadas con bastante exactitud, y compensadas alagregar o quitar material en las ubicaciones correctas. El balanceo seha tornado preciso, rápido y fácil para el usuario y las ventajas derealizarlo superan ampliamente el esfuerzo y tiempo necesarios parareparar un rotor. Las turbinas son balanceadas durante el proceso demanufactura y deben ser balanceadas nuevamente después decualquier montaje o desmontaje de partes rotativas, ya sea porcausas de mantenimiento de rutina o por daños. Los resultados del

balanceo deben ser comparables, sin importar a dónde se habalanceado un módulo y quién lo ha balanceado. La calidad delbalanceo depende de tres factores: la capacidad de la máquinabalanceadora, la configuración del rotor, y el diseño de lasherramientas.

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DESEQUILIBRIO

La condición de desequilibrio estático se da cuando el eje principal deinercia del rotor se encuentra desplazado paralelamente al eje del

árbol:

Un par desbalanceado se presenta cuando el eje principal de inerciadel rotor y el eje del árbol intersecan en el centro de gravedad delrotor pero no son paralelos.

El caso más común de desequilibrio es el dinámico. Esto ocurrecuando el eje principal no es paralelo ni interseca en el centro degravedad de la pieza al eje del árbol. Este tipo de desequilibrio es unacombinación de los anteriores:

EQUILIBRADO ESTÁTICO

La configuración mostrada en la figura se compone de unacombinación de un disco y un eje, que descansa sobre rieles rígidos,de manera que el eje (que se supone perfectamente recto) puedarodar sin fricción. Se fija un sistema de referencia xyz en el disco quese mueve con él.

Para determinar si el disco está estáticamente equilibrado:

+ Se hace rodar al disco suavemente impulsándolo con la mano.

+ Se deja rodar libremente al sistema eje-disco hasta que vuelve alreposo.

+ Se marca el punto más bajo de la periferia del disco.

+ Se repite la operación siete u ocho veces (dependiendo del nivel deconfianza buscado en los resultados).

+ Si las marcas quedan dispersas al azar en lugares diferentesalrededor de la periferia de manera equiprobable, el disco seencuentra equilibrado estáticamente.

+ Si las marcas tienden a coincidir, el disco se encuentraestáticamente desequilibrado, lo que significa que el eje del árbol y elcentro de masa del disco no coinciden. Esta situación de desequilibriose puede visualizar de la siguiente manera: existe una pequeña masade desequilibrio (magnitud del desequilibrio) que se encuentra

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desalineada en relación el eje del árbol (posición angular). Esta masa,cuando se deja rodar libremente al sistema, ejercerá un momentosobre el disco que desaparece sólo si la línea de acción de su pesopasa por el eje del disco. Esto se da cuado dicha masa hipotética está

en el punto más bajo de la periferia del disco (o a 180°, pero ésta esuna situación de equilibrio inestable, por lo que es muy poco probableque ocurra). La posición de las marcas respecto al sistema xy indicala ubicación angular del desequilibrio pero no su magnitud.

Si se descubre que existe desequilibrio estático, se puede corregireliminando material mediante una perforación en las marcasseñaladas, o bien agregando masa a la periferia a 180º de la marca.Equilibrado Estático (disco fino, en un plano).Como no se conoce la magnitud del desequilibrio, estas correccionesse deberían hacer por tanteos. Pero si se introduce una masa deensayo m, se puede determinar la corrección a introducir en elsistema:

+ Sea A la marca realizada en los ensayos anteriores y A' el puntosituado a 180º, AA' es la vertical que pasa por la marca realizada endichos ensayos.

+ Colocando una masa m en la periferia del disco (de radio r) segúnuna dirección perpendicular a AA', el rotor gira un ángulo, fácil de

determinar experimentalmente.

Este ángulo está relacionado con el balance de momentos debido a lamasa del desequilibrio y a la masa de ensayo, es decir, estárelacionado con la magnitud del desequilibrio.

+ Para equilibrar el sistema habrá que colocar en A' una masa m* =m / tan?

Si se montan un disco y un eje desequilibrados sobre cojinetes, y se

hacen girar, aparecerá una fuerza centrífuga de inercia mrG?2 comose ve en la figura.

Esta fuerza actúa sobre el eje y aparecen reacciones giratorias en loscojinetes. Se establece la siguiente notación:

+ m: masa total del sistema.

+ mu: masa no equilibrada.

+ k: rigidez del eje (magnitud de la fuerza necesaria para flexionar aleje una distancia unitaria cuando se aplica en O)

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+ c: coeficiente de amortiguamiento viscoso.

Si se selecciona cualquier coordenada x normal al eje, se puede

escribir la ecuación de movimiento y hallar el movimiento del punto Oy el ángulo de fase:

Si se designa a la excentricidad e = rG , se obtiene la relación deamplitudes de la vibración del conjunto de disco y eje girando:

Volviendo a la figura, si se designa O como el centro del eje en eldisco y G como el centro de masa del disco, y no se consideraamortiguamiento, se puede llegar a conclusiones interesantes alrepresentar gráficamente esta ecuación.

En la figura también aparece la posición relativa de tres puntos, O, Gy el eje de rotación en la intersección de las líneas de centro de loscojinetes, para distintas frecuencias de giro. Se ve que la amplituddel movimiento nunca vuelve a ser cero al aumentar la velocidad deleje, sino que alcanza un valor final de -rG. En este caso el disco seencuentra girando en torno a su propio centro de gravedad queentonces coincide con la línea central de los cojinetes.

Los sistemas rotativos estáticamente desequilibrados generanvibraciones indeseables y reacciones giratorias en los cojinetes. Para

resolver este problema, se puede reducir la excentricidad rGutilizando equipos de equilibrado estático aunque será imposiblereducirla a cero.

DESEQUILIBRIO Y EQUILIBRADO DINAMICO

La figura representa un rotor en el que se podría suponer que secolocan dos masas iguales m1 y m2 en los extremos opuestos delrotor, y a distancias iguales r1 y r2 del eje de rotación.

Se puede ver que el rotor se encuentra estáticamente equilibrado. Siel rotor se hace girar a una velocidad angular aparecerán actuandolas fuerzas centrífugas m1r?2 y m2r?2 , respectivamente, en m1 ym2 sobre los extremos del rotor. Estas fuerzas 73.06 Vibraciones deEstructuras - II Cuatrimestre de 2003 Andrea Torroba - Padrón:77466 centrífugas producirán dos reacciones desiguales en loscojinetes, FA y FB, y todo el sistema de fuerzas girará con el rotor ala velocidad angular ? Se ve que, el rotor puede estar estáticamenteequilibrado y, al mismo tiempo, dinámicamente desequilibrado.

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En la figura, se presentan los dos casos de desequilibrio:

+ En la figura (a), se presenta un eje con desequilibrio estático.Cuando el rotor gira, las dos reacciones de los cojinetes están en el

mismo plano y tienen la misma dirección.

+ En la figura (b), se ve un eje balanceado estática pero nodinámicamente. Cuando el rotor gira, el desequilibrio crea un par quetiene a voltear el rotor.

En el caso más general, la distribución de la masa a lo largo del ejede la pieza depende de la configuración de la misma, pero tambiénhabrá que tomar en consideración los errores que se hayan podidoproducir al mecanizar la pieza. También puede provocar otros erroreso desequilibrios un calibrado inapropiado, la existencia de chavetas yel propio montaje. Por consiguiente, una pieza desequilibrada estarácasi siempre desequilibrada tanto estática como dinámicamente. Paraanalizar cualquier sistema giratorio, se usan las ecuaciones deequilibrio.

Para representar en forma gráfica estas ecuaciones se construye unpolígono de fuerzas, tomando la fuerza centrífuga en la direcciónradial y proporcionales al producto mr (el factor de proporcionalidades ?2). El vector mC * RC que requiere el polígono para cerrarseindica la magnitud y la dirección de la corrección.

Con respecto a la ecuación de momentos, se toma una suma demomentos de las fuerzas centrífugas con respecto a algún punto,incluyendo las correcciones, y se construye el polígono de momentos,tomando como dirección del vector la radial.

MÁQUINAS DE BALANCEO

MAQUINAS DE EQUILIBRADO ESTATICO

La máquina para balancear debe indicar, en primer lugar, si una piezaestá equilibrada. En caso de no estarlo, la máquina debe medir eldesequilibrio, indicando su magnitud y ubicación.

Las máquinas para balanceo estático se utilizan sólo para piezascuyas dimensiones axiales son pequeñas (disco delgado), como porejemplo: engranes, poleas, ruedas, levas, ventiladores, volantes eimpulsores. Reciben también el nombre de máquinas de balanceo enun solo plano. Si se deben montar varias ruedas sobre un eje que vaa girar, las piezas deberán equilibrarse estáticamente de forma

individual antes de montarlas.

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El equilibrado estático es en esencia un proceso de pesado en el quese aplica a la pieza una fuerza de gravedad o una fuerza centrífuga.

En el conjunto disco-eje ya visto, la localización del desequilibrio seencuentra con la ayuda de la fuerza de gravedad. Otro método seríahacer girar al disco a una velocidad predeterminada, pudiéndosemedir las reacciones en los cojinetes y luego utilizar sus magnitudespara indicar la magnitud del desequilibrio. Como la pieza está girandocuando se realizan las mediciones, se usa un estroboscopio paraindicar la ubicación de la corrección requerida.

Para grandes cantidades de piezas, se puede utilizar un sistema depéndulo como el de la figura, el que proporciona tanto la magnitudcomo la ubicación del desequilibrio y en el que no es necesario hacergirar la pieza. La dirección de la inclinación da la ubicación deldesequilibrio y el ángulo ? indica la magnitud. En el nivel universal,una burbuja, que se muestra en el centro, se mueve con eldesequilibrio e indica tanto la ubicación como la magnitud de lacorrección que es necesario introducir.

MÁQUINAS DE EQUILIBRADO DINÁMICO

El objetivo del balanceado dinámico es medir el par desequilibrado yagregar un nuevo par en la dirección opuesta y de la misma

magnitud. Este nuevo par se introduce mediante la adición de masasen dos planos de corrección preseleccionados, o bien, mediante laeliminación de masas (haciendo perforaciones) en dichos dos planos.Para equilibrar dinámicamente un rotor, se debe medir la magnitud yubicación angular de la masa de corrección para cada uno de los dosplanos de corrección. Para ello hay tres métodos de uso general queson: bastidor basculante, punto nodal y compensación mecánica.

BASTIDOR BASCULANTE

En la figura, se presenta un rotor a equilibrar montado sobre medioscojinetes o rodillos que están sujetos a una base soporte o bastidorbasculante. El extremo derecho del rotor se conecta a un motorimpulsor por medio de una articulación universal. Existe la posibilidadde hacer bascular el bastidor alrededor de cualquiera de los dospuntos (pivotes) que, a su vez, se ajustan para coincidir con losplanos de corrección del elemento que se va a equilibrar.

En el caso de la figura, el pivote izquierdo se muestra en la posiciónliberada, y el bastidor y el rotor a equilibrar pueden bascular

libremente en torno al pivote derecho. En cada extremo del bastidor,se sitúan resortes y amortiguadores, y el conjunto constituye un

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sistema de un solo grado de libertad. Los resortes y amortiguadoresse pueden hacer ajustables de manera que se pueda hacer coincidirla frecuencia natural del sistema con la velocidad del motor impulsor.En la figura se muestran también los indicadores de amplitud de

desplazamiento situados en cada extremo del bastidor.

Cuando los pivotes están situados en los dos planos de corrección, sepuede fijar cualquiera de ellos y tomar lecturas de la magnitud yángulo de ubicación de la corrección. Las lecturas obtenidas en unplano serán totalmente independientes de las mediciones tomadas enel otro plano de corrección, porque un desequilibrio en el plano delpivote fijado no tendrá momento alguno en torno al mismo. Enefecto, un desequilibrio con el pivote de la derecha fijo es undesequilibrio corregible en el plano izquierdo de corrección y produceuna vibración cuya amplitud se mide mediante el indicador izquierdode amplitud. Cuando se introduce (o se mide) esta corrección, selibera el pivote de la derecha, se fija el de la izquierda y se hace otroconjunto de mediciones para el plano de corrección de la derecha,empleando el indicador de amplitud de la derecha.

La relación ente la magnitud del desequilibrio y la amplitud medidaviene dada por: expresión en la que:

+ mur es el desequilibrio

+ m es la masa del conjunto formado el bastidor y el rotor

+ X es la amplitud del movimiento medida

Esta ecuación muestra que la amplitud del movimiento X esdirectamente proporcional al desequilibrio mur. Con respecto alamortiguamiento, en las máquinas balanceadoras, se introduce elamortiguamiento deliberadamente con el fin de filtrar ruidos y otrasvibraciones que pudieran afectar a los resultados. Además elamortiguamiento ayuda a mantener la calibración contra efectos de la

temperatura y otras condiciones del medio ambiente. La figuramuestra que la máquina será más sensible cerca de la resonancia ? =?n), puesto que, para un desequilibrio dado, en esta región seregistra la máxima amplitud.

En el esquema de la máquina balanceadora no se incluye ungenerador de señales armónicas (senoidales) que se puede conectaral motor impulsor. Si la onda senoidal generada se compara, con laonda establecida por uno de los indicadores de amplitud se observa ladiferencia de fase que determina la ubicación angular del

desequilibrio y que se mide con un fasímetro

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La expresión para el ángulo de fase es En el gráfico anterior elparámetro es el amortiguamiento ?. Esta curva muestra que, en la

resonancia, el desplazamiento va detrás del desequilibrio un ángulo f = 90°.

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