Instituto Tecnológico de CuliacánTrabajo balanceo de rotores Vibraciones mecánicas Ing. Everd Cazares Dominguez Aula Ua. 05 de 4:00 - 5:00 Solis Amparo Eder Osvaldo No. De control 11171077 Culiacan Sinaloa a 2 de junio del 2014 Balanceo de rotores y elementos rotativos El desbalanceo mecánico en elementos rotatorios se ha convertido en un problema importante en el desarrollo de maquinaria moderna, especialmente en donde altas velocidades y la confiabilidad son de extrema importancia. El desbalanceo mecánico es la fuente de vibración más común en sistemas con elementos rotativos, todo rotor mantiene un nivel de desbalanceo residual, el hecho de que estos generen vibraciones o no, dependen básicamente de que estos operen dentro de las tolerancias de calidad establecidas en las normas para las características y velocidades del rotor en cuestión. En resumen el desbalance se debe a que el centro de rotación no coincide con el centro de gravedad. Matemáticamente representado como Dónde: = masa desbalanceada = distancia de la masa que causa el desbalance Patrón vibraciones del desbalance Forma de onda típica del desbalance El desbalance genera una onda pura sinusoidal, por igualarse a la frecuencia fundamental de rotación. Síntomas: Vibración Radial @ 1x rpm dominante Vibración axial con niveles muy bajos, de otra forma se debe resolver o determinar si hay otro problema Forma de onda sinusoidal casi perfecta. La forma de onda nos muestra claramente que existe una sola fuerza que es causante del nivel global de vibración, que es el desbalance de masa Tipos de desbalance La localización del centro de masa y el eje principal de inercia se determina de acuerdo con la distribución de los distintos elementos diferenciales de masa que componen el cuerpo. Sin embargo, cualquier condición de desbalance puede ser corregida aplicando o removiendo peso en un radio y ángulo particulares, de hecho la cantidad de desbalance, P, puede ser definida correctamente como una masa m, en un radio r. P=m.r Desbalance estático: Identificado también como desbalance de fuerzas, se define como aquella condición para lo cual: El eje longitudinal principal de inercia del rotor está desplazado paralelamente con respecto al eje de rotación. Desbalance Par: Es el desbalance en un solo plano de acción y corrección. Siendo que los centros de gravedad y geométrico solamente se cruzan en dos dimensiones Desbalance casi- estático: El eje longitudinal principal de inercia del rotor intercepta al eje de rotación en un punto arbitrario o sea, un punto que no coincide con el centro de masas del propio rotor Desbalance Dinámico: Es desbalance que ocurre en más de un plano, siendo que los ejes geométrico y de gravedad no están desfasados tridimensionalmente Rotores. Un rotor es un cuerpo capaz de rotar en torno a un punto determinado, generalmente está provisto de un eje, el que se sostiene por medio de descansos. Rotor rígido: Son los rotores que normalmente giran a velocidades por debajo de la primera velocidad crítica. Por lo general este tipo de rotores gira en el orden del 80% de la velocidad crítica. Normalmente el 99% de los rotores industriales son rígidos, en especial los de motores eléctricos, bombas, entre otros que giren a 500, 1000, 1500 RPM. Pero son peligrosamente fronterizos los ventiladores pues su estructura caracterizada por su esbeltez y liviandad les da una relación ancho diámetro y volumen peso, sugerentemente alta. Por lo tanto los rotores rígidos son más fáciles de balancear, ya que el punto pesado coincide con el sentido de la vibración más alta. Rotor flexible: Son aquellos cuya velocidad de giro está por sobre la primera frecuencia resonante crítica, lo cual significa que: • En partidas y paradas se pasa necesariamente por una de velocidad crítica, la que debe ser reconocida para evitar permanecer en este rango. • Al pasar por la velocidad crítica se produce un cambio en la manera de vibrar y forma de la flecha del eje del rotor. Por ende la fase de la frecuencia fundamental cambia en 180º. • Por lo tanto el punto de balanceo ya no coincide con el sentido de mayor vibración En general muchos rotores de ventiladores, y turbo-maquinaria son flexibles si giran a más de 1000-1200 rpm los primeros y 1500 rpm las segundas. Causas del desbalance en rotores Rechupes o defectos ocasionados en la fundición. Excentricidad radial y axial Mala aplicación de chavetas y chaveteros. Distorsión del metal ocasionado por la conformación o fatiga. Tolerancias en los cojinetes o rodamientos Corrosión y desgaste. Acumulación de depósitos (incrustaciones). Balanceo: El balanceo es la técnica de corregir o eliminar fuerzas y momentos de inercia indeseables mediante compensar y redistribuir masas, por el efecto producido por descompensación de las masas producidas por errores en la fabricación o el maquinado en máquinas rotativas. Estas fuerzas pueden provocar vibraciones que a veces pueden alcanzar amplitudes peligrosas. Incluso aunque no lo fueran, las vibraciones aumentan los esfuerzos y someten a los cojinetes a cargas repetidas que provocan la falla prematura por fatiga de las piezas. Por lo tanto, en el diseño de maquinaria no basta simplemente con evitar la operación cercana a las velocidades críticas; también es preciso eliminar, o por lo menos reducir, en primera instancia, las fuerzas de inercia que producen estas vibraciones. Un mecanismo o una máquina se consideran equilibrados, si durante su funcionamiento la resultante de todas las fuerzas, que actúan sobre los apoyos del soporte (bancada, cimiento), y el momento resultante de esas fuerzas, son de magnitud y dirección constante. Existen una gran diversidad de algoritmos matemáticos que se utilizan para la corrección del desbalanceo residual, la aplicación de estos depende de las características propias del elemento a ser balanceado, y el lugar en donde se efectuará dicha corrección. Balanceo estático Es una condición que existe cuando el centro de masa no está sobre el eje de rotación, puede ser también explicada como la condición cuando el eje principal de inercia es paralelo al eje de rotación. Es el desbalance en un solo plano de acción y corrección. Siendo que los centros de gravedad y geométrico solamente se cruzan en dos dimensiones. Para corregir el desbalance estático se requiere solo una masa de corrección. La cantidad de desbalance es el producto del peso por el radio. Este tipo de desbalance es un vector, y por eso, debe ser corregido con un peso conocido en un ángulo particular. Fuerza de desbalance es otro nombre para el desbalance estático. Figura 10.2 desbalance estático La figura 10.2 representa un ejemplo de desbalance estático. Puede ser detectado ubicando el rotor sobre dos apoyos prismáticos. La parte más pesada tenderá a ubicarse siempre por debajo del eje de rotación o lo que es lo mismo, el eje longitudinal de inercia quedará por debajo del eje de rotación. Este tipo de desbalance puede identificarse también comparando las mediciones de amplitud y fase en los extremos del rotor. Rotores simétricos soportados por cojinetes idénticos exhibirán idénticos valores de amplitud y fase de las vibraciones filtradas a la frecuencia de rotación, si el desbalance es de tipo ESTÁTICO. Ejemplo Si un eje (figura 10.3) rota a una velocidad angular de y posee una sola masa cuyo centro de gravedad está en desde el eje de rotación, el eje experimentará una fuerza centrífuga de magnitud . Esta fuerza, que está cambiando continuamente de dirección, causa que el eje ejerza fuerzas sobre los apoyos, y estas fuerzas serán transmitidas al bastidor y a las bases de la máquina. Los efectos de la fuerza centrífuga ocasionada por la masa en rotación pueden ser eliminados (minimizados) adicionando una masa cuyo centro de gravedad se encuentre en el plano diametral de , pero en sentido opuesto a una distancia desde el eje de rotación de tal modo que se cumpla: Balance en un plano Se puede notar que para las dos masas en el mismo plano, el eje se encuentra en balanceo tanto estático como dinámico. El centro de gravedad se encuentra en el eje del árbol y permanece allí en una posición fija con respecto al bastidor de la máquina sin importar si se encuentra en reposo o en movimiento. Balanceo Dinámico. Es una suma vectorial de desbalance estático y desbalance de acoplamientos (condición específica que existe cuando el centro de masa se encuentra sobre el eje de rotación y el eje principal de inercia no es paralelo con el mismo) para corregir es necesario tener dos planos de balanceo y se requiere dos pesos de corrección, uno en cada plano en dos ángulos no relacionados. La especificación de desbalance solamente es completa si se conoce el lugar del eje axial del plano de corrección. El desbalance dinámico o desbalance en dos planos especifica todo el desbalance que presenta una pieza de trabajo. Este tipo de desbalance puede solo ser medido en un balanceador giratorio el cual detecta la fuerza centrífuga debida al componente de acoplo de desbalance. El siguiente dibujo representa un ejemplo de desbalance dinámico. Desbalance dinámico Método de las masas de prueba (coeficientes de influencia) El método de las masas de prueba se ha desarrollado para contrarrestar el fenómeno del efecto cruzado, en este método se incluye la influencia real en el plano de medición que producirá el colocar un peso de prueba sobre otro plano independiente. Es por ello que se deben encontrar los coeficientes de influencia, que es la razón entre la medida de la vibración en el plano de medición (donde estará ubicado el sensor) y el desbalance que genera un plano independiente a lo largo del rotor (donde se ubica la masa de prueba). Una vez encontrado los coeficientes de influencia de un rotor, se puede encontrar un conjunto de fuerzas que anulen las vibraciones producidas por las perturbaciones en los planos de medición. El método será aplicable a ensayos cuyo número de planos de corrección sea igual al número de planos de medición. El desarrollo del método de las masas de prueba estará dado por la solución de un sistema de ecuaciones, obteniéndose con ello los respectivos pesos de las masas correctoras. Para luego descomponerlas en sus componentes cartesianas y llevar luego las expresiones a una representación matricial. Cabe destacar que con el apoyo de una calculadora programable es posible realizar este procedimiento en un tiempo bastante reducido Desarrollo del método: • Se mide la vibración original V0B en el plano A y V0B en el plano B • Se marcan las posiciones angulares en ambos planos del rotor • Se coloca una masa de prueba wA en el plano A y se mide la vibración resultante V1A en el plano A y V1B en el plano B. • Se retira la masa de prueba wA • Se coloca una masa de prueba wB en el plano B y se mide la vibración resultante V2B en el plano A y V2B en el plano B. • Se retira la masa de prueba wB. • Se calculan las masas correctivas w’A y w’B a colocar en los planos A y B respectivamente. 1) se mide la vibración original: V0A en el plano A V0B en el plano B 2) Se coloca la masa de prueba wA en el plano A y se mide la vibración resultante: V1A en el plano A V1B en el plano B 3) Como el procedimiento indica que se bebe colocar una masa de prueba en cada plano de balanceo, se coloca una masa wB en el plano B y se debe medir la vibración resultante en ambos planos, análogo a lo descrito anteriormente: V2A en el plano A V2B en el plano B Obteniéndose del desarrollo anterior, las siguientes ecuaciones: 4) el paso siguiente es colocar ambas masas wA y wB en los planos A y B respectivamente, obteniéndose: VRA en el plano A VRB en el plano B Los valores de VRA y VRB son distintos de cero, ya que wA y wB, corresponden a los valores obtenidos con las masas de prueba y no a las masas correctivas. 5) Para solucionar el problema se debe colocar simultáneamente w’A = σwA en el plano A y w’B=γwB en el plano B, para obtener: VRA = 0 en el plano A VRB = 0 en el plano B Tolerancias desbalance. La manera de cómo se lleve a cabo el balanceo depende netamente de las condiciones físicas del rotor (flexible o rígido). Pero más allá de estas condiciones, el procedimiento de balanceo es esencial, ya sea en la ubicación de los puntos de muestreo, como en la corrección misma. Dado que el problema del desbalanceo es solucionado estableciéndose un determinado límite de amplitud, velocidad o aceleración para una frecuencia de vibración determinada. Como el nivel de tolerancia no es más que un criterio basado en experiencias, no se debe descartar la posibilidad de una falla antes de alcanzar tales niveles de vibración. Antiguamente, la vibración de las máquinas era medida en términos de la amplitud en μm o mils. Actualmente, mediante un acuerdo internacional se estableció la medida del valor eficaz (RMS) usada en la medición y análisis de vibración es la velocidad VRMS. A este parámetro se le conoce como severidad o gravedad de vibración y puede ser medido en mm/s o in/s. Se ha creado una diversa gama de normas estándar y recomendaciones, para especificar el requerimiento operacional de los rotores, entre las cuales se destacan las siguientes: ISO : “International Standards for Organization” ANSI : “American National Standards Institute” BS : “BRITISH Standards” VDI : “German Standards Institution” API : “American Petroleum Institute”, NCH : “Norma chilena”, etc. • ISO 1925 “Vibraciones Mecánicas – vocabulario, balanceando” • ISO 1940/1 - VDI 2060 (Anexo I) “Recomendación para evaluación de vibraciones mecánicas de máquinas” • ISO 2372 - VDI 2056 (Anexo II) “Vibraciones mecánicas de máquinas con una velocidad de funcionamiento comprendida entre 600 y 1200 rpm”. • ISO - DIN 2373 (Anexo III) “Vibraciones mecánicas de máquinas rotativas eléctricas con altura al eje entre 80 y 400 mm” • ISO 3945 (Anexo IV) “Vibraciones mecánicas de máquinas rotativas grandes con rangos de velocidades entre 10 y 200 rev/s”. • ISO 10816 (Anexo V) “Vibración Mecánica - Evaluación de máquinas por medición en partes no rotatorias”. • ISO 11342 “Vibración Mecánica – Métodos y criterios para el balanceo mecánico de rotores flexibles” • ISO 7919. (Anexo VI) “Vibración mecánica de máquinas no alternativas – Medidas y evaluación en ejes rotativos” • ISO 2631 (Anexo VII) “Evaluación de la exposición del cuerpo humano a las vibraciones” • ISO 20806 “Balanceo de rotores in-situ” • ISO 2631 “Evaluación de la exposición del cuerpo humano a las vibraciones” • BRITISH STANDARD 4675 “Una base para evaluación comparativa de vibración en maquinarias” Ejemplo practico Balanceo de un rodete de un VTI en planta Viacha – Soboce S.A. Potencia: 1250 Kw Problema: Desbalance del rodete del ventilador por fatiga de un sector de los álabes y encostramiento (pegadura de material en discos y álabes) Espectro y Forma de Onda Real del ventilador de la foto Análisis Orbital Contrapesos colocados en el balanceo Espectro y forma de onda después de balancear dinámicamente Análisis Orbital