BALANCEO DE ROTORES

1. INTRODUCCION.-

El carcter informativo de las vibraciones producidas por las maquinas rotatorias en relacin con el estado tcnico de estas, posee un sin nmero de aplicaciones en el mundo industrializado, si se tiene en cuenta que desde hace poco, ms de cuatro dcadas ha sido demostrada la veracidad y la utilidad de la informacin aportada por los registros de vibraciones. Cada uno de los elementos que componen la maquina posee caractersticas que los identifican en cuanto a diseo y velocidad de operacin, de aqu que cada uno de ellos vibre a frecuencias caractersticas. Esto implica que, antes de intentar identificar problemas en una maquina partiendo de la informacin brindada por las vibraciones, sea necesario determinar las frecuencias de diagnostico de cada uno de los elementos que componen la misma.

Es imprescindible tener en cuenta que en general, las fuerzas entre los elementos en contacto en una mquina durante su funcionamiento, determinan la vida til de estos. Sin embargo, lo que se mide no es la magnitud de estas fuerzas, sino las vibraciones en la maquinaria. Ahora bien, es posible estar seguro que dos maquinas sueltamente en igual estado tcnico, generen niveles de vibraciones similares? La respuesta es negativa pudindose emitir el siguiente postulado:

Si cambia la sujecin o el estado mecnico del pedestal de una maquina, o si dos maquinas difieren solo en sus condiciones de sujecin, entonces a cierta frecuencia la amplitud de la fuerza dinmica podr ser la misma en ambas maquinas pero no as la amplitud de la vibraciones medidas en estas.

La clave del Mantenimiento predictivo radica en Vigilar como evolucin cada una de las componentes identificadas a medida que se efectan mediciones peridicas. Este seguimiento no es nada sencillo, si se tiene en cuenta que el comportamiento dinmico de las maquinas esta caracterizado por el hecho de que:

Diferentes registros temporales pueden producir espectros similares. Para algunas frecuencias, sus correspondientes amplitudes pueden ser aceptables, no siendo as para otras frecuencias pertenecientes al mismo espectro. Ms de un problema puede manifestarse a la misma frecuencia .Por ejemplo el desbalance, la flexin de un eje, el desalineamiento o alguna resonancia, se pueden manifestar a la misma frecuencia. De igual forma, puede darse el caso de que en una maquina se registre de una frecuencia causada por alguno de los problemas antes mencionados, pero que se propiedad de otra mquina acoplada a esta y no de la maquina donde se est midiendo. El anlisis proceso de un problema a una frecuencia dada en muchos casos, depende de la presencia de una o ms frecuencias relacionadas con esta. Si durante el monitoreado de la condicin de la maquina se lleva a cabo un diagnostico de fallos, entonces se podrn detectar problemas potenciales antes de que se produzca la rotura catastrfica.

2. FUNDAMENTO TEORICO.-

El empleo de las normas de severidad se da a una buena gua para comenzar un acercamiento a lo que representa una condicin normal de la maquina lo constituyen las normas, tales como la ISO 2372 la cual especifica diferentes limites en la condicin mecnica de la mquina de acuerdo con la potencia de esta y el tipo de soporte. Estos indicadores contemplan la medicin del NIVEL TOTAL de Velocidad RMS dentro de un rango de frecuencias de entre 10 Hz y 1000 Hz. Por ejemplo, en forma general se aprecia que segn estas normas, incremento de los niveles de vibraciones en 2.5 veces (8dB) indican un cambio en la condicin mecnica de la maquina .Sin embargo, incrementos de 10 veces (20dB) constituyen un cambio alarmante ya que esta es la proporcin que guarda la condicin anormal respecto a la condicin normal.

De aqu que como gua general se pueda emplear la estrategia mostrada en la figura relacionando los espectros medidos con el ESPECTRO DE REFERENCIA. En otras palabras, se estima que el mejor indicador de la condicin mecnica de la maquina viene dado por los cambios relativos que sufren los niveles de vibraciones con respecto a los espectros de referencia de la propia maquina.

Grafico N1 Severidad de Desbalance

2.1 EL DESBALANCE DE MASA.-

Constituye una de las fuentes ms comunes en los problemas de vibraciones en maquinarias, siendo la causa principal en aproximadamente el 40% de los casos de vibraciones excesivas. La presencia del desbalance cono nico problema en la maquina se refleja en los espectros de las vibraciones medidas en los cojinetes de apoyo del rotor, como una componente definida claramente a la frecuencia de rotacin del elemento desbalanceado. Como muestra la figura.

El desbalance se manifiesta a una frecuencia igual a 1*RPM del elemento rotatorio desbalanceado.

Grafico N2 Apariencia espectral del desbalanceEl desbalance puede ser definido sobre la base de la no coincidencia del eje de rotacin y el eje longitudinal principal de inercia del rotor. Este eje, une todos los centros de gravedad de cada una de las infinitas secciones transversales que componen al rotor, que al no coincidir con el eje de rotacin podrn inducir cuatro tipos de desbalances, en virtud de los cuales habr que decidir como balancear el rotor.

2.2. MODELOS PARA EL DESBALANCE.-

Realmente, para decidir qu modelo se tomara para efectuar el balanceo, no es estrictamente necesario reconocer o identificar qu tipo de desbalance presenta el rotor, De igual forma, con lo estudiado hasta el momento es evidente que los tipos de desbalances identificados como par, casi-esttico y dinmico solo pueden ser corregidos en al menos dos secciones transversales planos del rotor.

Por ello, resulta de inestimable valor prctico el empleo de alguna recomendaciones como por ejemplo, las de la firma IRD mechanalysis para decidir, en funcin de la relacin L/D cual es el modelo apropiado para ser utilizado durante el ejercicio de balanceo.La experiencia del autor en la ejecucin y asesora de trabajos de balanceo indica que la tabla mostrada deber ser utilizada solo como una gua, ya que en ocasiones hay que recurrir al balanceo en dos o ms planos aun cuando la tabla indique el empleo del modelo de un solo plano y viceversa.

Modelo de Balanceo: MODELO

ROTORRELACIONL/DUN PLANODOS PLANOSMULTIPLES PLANOS

Menor que0.5Hasta 1000RPMSuperior a1000 RPMNO

Mayor que 0.5

Y menor que 2Hasta150 RPM150 2000 RPM Superior a 70% Vel. Critica.Superior a2000 RPMSuperior a 70% Vel. Critica

Mayor que2Hasta 100 RPMSuperior a 100 RPM y Hasta el 70 % Vel. CriticaSuperior a70% Vel. critica

2.3. UNIDADES PARA EXPRESAR EL DESBALANCE.-

La cantidad del desbalance en elementos rotatorios se pifien segn la filosofa del rotor equivalente. En el lector puede reconocer un rotor en forma de disco con cierto desbalance, esto quiere decir que el rotor posee un exceso de masa md a una distancia r del centro de rotacin. Este rotor opera a velocidad angular constante w.Por otro lado, muestra un rotor excntrico cuya masa es M, de la excentricidad es e y opera a una velocidad angular w igual a la del rotor.

En resumen, si se asume que el efecto del desbalance es el mismo en ambos rotores, entonces se podr asumir que las fuerzas dinmicas son iguales por lo que:

md*r = M*e

De manera que el producto md*r Se lo denomina CANTIDAD DE DESBALANCE y segn el Sistema Internacional de Unidades y la Norma ISO 1940 debe ser expresado en gramos- milmetros, [g-mm]

Ud = md*r

Desde luego, este producto pudiera no ser muy convincente ya que por ejemplo, una masa desbalanceada de 2 gramos ubicada a 100 milmetros del centro de rotacin produce una cantidad de desbalance de 200 [gr. mm], lo cual no implicara igual preocupacin en un rotor de 100 Kg. de masa que en uno de media tonelada. Por ello, es una prctica habitual expresar la cantidad de desbalance en unidades relativas a la masa del rotor.

2.4. BALANCEO EN UN PLANO.-

Cuando se habla de balancear en un plano, se est haciendo referencia a la accin de efectuar las correcciones solo en una cara del rotor. El lector puede remitirse a la tabla anterior como gua para la seleccin del modelo. Para llevar a cabo el balanceo en un plano se pueden emplear diferentes tcnicas, de acuerdo con la instrumentacin disponible en la planta.

2.4.1 BALANCEO EN UN PLANO SIN MEDICIN DE FASE.-

Como quiera que no siempre se disponga de un instrumento para medir fase o por determinadas razones se hace prcticamente imposible la medicin de este.

Del tratamiento vectorial de estas magnitudes medidas se podr obtener con resultado la amplitud de las vibraciones Vt provocadas por el efecto nico de la masa de pruebas as como el ngulo de posicin del desbalance original Vo respecto a la sucesin anterior, segn se muestra a continuacin.

Ahora el problema radica en analizar en qu sentido, horario u anti horario, se deber recorrer alfa subcero para identificar la posicin del desbalance original, representado por Vo. Para ello ser necesario ejecutar la cuarta prueba, moviendo la masa de pruebas desde la posicin 2 hacia la posicin 3. Segn la nueva lectura V3 se evidenciara en qu sentido recorrer al ngulo alfa subcero.

Las lecturas de vibraciones debidas a problemas de desbalance guardan igual proporcin que las masas desbalanceadas que los provocan lo cual se puede calcular la masa de correccin Mc a partir de:

2.4.2 BALANCEO EN UN PLANO CON MEDICIN DE FASE.-

Realmente, en la actualidad no es difcil encontrar en la industria algunos modelos de instrumentos para la medicin de vibraciones que permitan medir tambin la fase. Por ello es que se ha decidido incluir tambin la descripcin de los aspectos terminales de la tecnologa de balanceo en un plano, empleando adems de la lectura de amplitud de las vibraciones, la lectura de fase de estas. Para efectuar la medicin de fase es muy frecuente emplear un instrumento dotado de una lmpara estroboscpica, la cual emite un destello por cada vuelta del rotor, lo que a la vez produce una ilusin ptica que permite observar detenida una marca de referencia. De esta forma, la primera medicin se ejecutara con el rotor en condiciones normales, obtenindose la lectura original de amplitud y fase del desbalance, Vo y alfa subcero respectivamente.

Posteriormente, se fija una masa de prueba en la misma posicin de la marca de referencia que fuera realizada previamente en el rotor y se mide nuevamente, obtenindose las lecturas de amplitud de fase V1 y alfa subuno respectivamente, asociadas al efecto conjunto de la masa desbalanceada y de la masa de pruebas.Vectorialmente el problema se resuelve de la siguiente forma:

Al igual que en el mtodo de balanceo explicado anteriormente, la masa de correccin Mc podr ser calculada segn la siguiente expresin:

Y el ngulo de ubicacin de la masa de correccin, ser medido respecto a la posicin en la que fue fijada la masa de prueba y calculado segn:

3. OBJETIVOS-

3.1 OBJETIVO GENERAL.-

Utilizar el vibrmetro para la deteccin y estudio del desbalanceo en un rotor.

3.2 OBJETIVO ESPECIFICO.-

Realizar el diagnostico de vibraciones para un rotor de ventilador. Analizar los espectros de vibracin de un rotor de ventilador.

4. MATERIALES Y EQUIPOS

Ventilador (Exhaustor) Modelo 25CM-5Q, 220V, Frec. 50 Hz, 40W, 1130 rpm. Analizador de vibraciones (vibrmetro) NK100 (Teknikao). Balanza de precisin Masa de prueba (0.28 g.) Ordenador (Computadora) Masa de correccin

5. PROCEDIMIENTO

Colocar fijamente el ventilador (exhaustor) sobre la mesa de trabajo, y antes de realizar las mediciones correspondientes de sus vibraciones, tomar nota de todos sus datos tcnicos (potencia, revoluciones del rotor, frecuencia, voltaje, medidas) adems del peso del rotor y el radio del rotor, datos que nos servirn para calcular la masa de prueba para medir si existe desbalanceo.

Dividir y marcar los labes del rotor con grados angulares en sentido anti horario, con el objeto de conocer la posicin donde se colocar la masa de prueba, para la medicin vibracional de desbalance.

Instalar el instrumento analizador de vibraciones (vibrmetro) debidamente conectado a la computadora ms sus accesorios a utilizar (sensor de vibraciones y luz estroboscpica).

Conectar el sensor del vibrmetro en posicin vertical sobre la carcaza del rotor para tomar la primera lectura de amplitud vibracional en condiciones normales de funcionamiento.

Configurar el vibrmetro de la siguiente manera:

Presionar el botn KCPM y fijar su valor en 2 Fijar el valor RANGE en 200. Presionar UNIT hasta fijar en (mm/s) El Botn STROB debe encontrarse en Auto. Para determinar el canal de entrada de datos del sensor, seleccionamos en CHANN la opcin 1. Seleccionar la Opcin RMS en STAND. Presionar el botn PLOT.

Tomar la primera medicin y observar inmediatamente en la pantalla de la computadora el comportamiento de la grfica, y verificar el dato de la amplitud de la vibracin de la pantalla del instrumento.

Luego, con la ayuda de la luz estroboscpica, determinar si se diferencia una fase de desbalance en algn sector marcado con la graduacin, y en caso de existir, apuntar el valor observado.

Comparar los valores obtenidos con la Tabla de severidad del desbalance

Calcular la masa de prueba y colocarla en el sector marcado con 0 grados.

Luego, de la misma manera que los pasos anteriores, medir la amplitud (vibrmetro) y el grado de fase del desbalance (luz estroboscpica) provocado por la masa de prueba, y observar el espectro obtenido en la computadora.

Comparar los valores obtenidos con la Tabla de severidad del desbalance.

Finalmente, una vez determinada la existencia del desbalance de masa en el rotor, procederemos a calcular la masa de correccin tomando en cuenta los valores obtenidos anteriormente (amplitud y fase) de las mediciones sin masa de prueba y con masa de prueba, con la ayuda del software Balance1 (adjunto al equipo Teknikao). Este software nos indicar (previa introduccin de los datos) automticamente, la cantidad de masa de correccin a adicionar en un ngulo determinado.

Colocar la masa de correccin en el ngulo determinado por los clculos del software Balance 1.

Como ltimo paso, tomar las mediciones respectivas (verificar espectros) para determinar si la correccin del desbalance en el rotor ha sido satisfactoria, y corroborar los resultados con las normas (ISO 1940) y con la Tabla de severidad del desbalance.

6. OBTENCIN DE DATOS Y CLCULO.-

Datos del Exhaustor:

Potencia = 40 WN de alabes = 6 Frecuencia = 50 HzPeso del rotor = 119.54 gr.Voltaje = 220 V.Radio del rotor = 12.5 cm.Tamao = 250 mm.n = 1130 rpm

Datos del Rotor:

Rotor sin masa de prueba:

Angulo de prueba

Amplitud Rotor con masa de prueba:

Angulo de prueba

Amplitud Tratamiento de los Datos

Para A < 0

Calculo de la masa de correccin :

Masa de prueba

Calculo de la masa de correccin y el ngulo de ubicacin mediante el programa Teknikao:

Los clculos realizados analticamente nos muestran los resultados de la masa de correccin (Mc) y el ngulo de ubicacin (c) de la masa de correccin, estos valores hallados concuerdan con los resultados obtenidos mediante el programa de Teknikao lo cual colabora que los resultados obtenidos son los correctos para realizar el balanceo con la masa de correccin de Mc = 0.37 gr y un ngulo de c = 292.5 el cual ser medido respecto a la posicin en la que fue fijada la masa de prueba.

Aadiendo la Mc y c en el rotor desbalanceado se lograr disminuir las vibraciones generadas en el exaustor, el cual reducir los daos en el rotor y aumentar la vida til de este.

7. DIAGNOSTICO E INTERPRETACION DE LOS ESPECTROS.-

A continuacin se presenta las graficas de los espectros del rotor del exhaustor sin problemas, con problemas de desequilibrio y finalmente el balance residual.

Posteriormente de la tabla VI.5 Grado de calidad del balanceo segn ISO 1940/1 (Elemento de medicin y anlisis de vibracin en maquinas rotatorias, Dr. Evelio Palomino Marin).

Grado de Calidad del Balanceo segn ISO 1940/1

De la anterior tabla podemos observar que la calidad de balanceo para un ventilador se encuentra en G6.3, con ello podemos calcular ahora la excentricidad permisible, que ser:

Reemplazando W:

8. CONCLUSIONES.-

En el presente laboratorio se puedo corregir con balanceo en un plano el cual con la ayuda del software teknikao con el cual se pudo hallar la masa de correccin y la ubicacin en la cual se va adicionar tambin se puede ver la calidad de balanceo del ventilador se clasifica dentro del grado de calidad G6.3 con velocidad 1130 rpm Sera necesario realizar el desbalanceo en el rotor porque sino con el tiempo de trabajo del rotor va ver desgaste del rodamiento como del eje del rotor el cual ocasionara muchas perdidas y paros de trabajo.

ANEXOS

OTRAS PRUEBAS REALIZADAS

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