Laboratorio N° 3

Balanceo en un plano

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1. Objetivos

Determinar el grado de desbalanceamiento original de un rotor y compararlo con el admisible por la

Norma ISO 1940, según tipo, masa y velocidad del rotor.

Determinar la masa de prueba aplicable, de modo que el efecto producido por el desbalanceo de

prueba no cause una peligrosa vibración excesiva, pero que sea suficiente como para producir un

cambio detectable.

Aplicar los métodos de balanceamiento en un plano (analítico y gráfico) en el rotor en el ensayo,

usando el analizador de vibraciones, para la determinación de la masa y el ángulo de corrección

Comparar el desbalanceo residual con el desbalanceamiento del rotor en la vibración global y en la

frecuencia predominante.

2. Equipos e instrumentos utilizados.

Analizador de vibraciones y balanceo dinámico Mechanalysis IRD-330

Transductor inductivo de vibraciones (pick up).

Lámpara estroboscopica sincronizada con la señal de vibración.

Rotor de ensayo del laboratorio.

Balanza y masas de prueba.

3. Esquema de instalación de equipos

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4. Preparación

4.1. Preparación previa

Reconocer equipos e instrumentos a utilizar.

Revisar conexiones según esquema, seleccionar canales y escalas a usar.

Energizar equipos (osciloscopio, amplificador de carga, etc.)

Marcar el rotor detenido con tiza o pintura (marca única).

4.2. Formulación teórica

El excesivo desbalanceo dinámico de rotores es una de las causas típicas de fallas de ejes por fatiga.

Además produce disipación de energía, el deterioro prematuro de los descansos y obliga a cambios de

lubricantes más frecuentes. El desbalanceo se produce porque el eje principal de inercia del rotor no coincide

exactamente con el eje de rotación. Esto puede suceder por dos motivos: que el centro de masa del rotor no

esté en la línea central de los descansos (desbalanceo estático o en un plano), o que el eje principal esté

oblicuo respecto de la línea de los descansos (desbalanceo dinámico en dos planos). El fundamento del ensayo

es que el desbalanceo o desequilibrio del rotor por efecto de la rotación, se producen vibraciones. Luego, si se

mide la vibración (intensidad y fase), se obtendrá indirectamente una indicación del desbalanceo.

El desbalanceo se define como el producto de una masa “m” por su excentricidad “e”. Su unidad

suele ser [gr mm]

D = e x m [gr mm]

Si se conociera la relación entre la vibración y la fuerza inercial que produce (proporción y desfasamiento),

bastaría con una sola medición filtrada de la vibración para determinar el desbalanceo (masa, radio y

posición) y proceder a su corrección; pero como no se conoce la amplificación por desbalanceo ni el ángulo

de desfasamiento, porque se desconoce el factor de amortiguación y la frecuencia natural en la dirección de la

medición, se deberá recurrir a un desbalanceo de prueba para comparar su efecto con la vibración original

(producida principalmente por el desbalanceo), para determinar la corrección.

El método de balanceamiento consiste en colocar un desbalanceo de corrección adecuado (masa,

radio y ubicación o fase), que cancele el desbalanceo original

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5. Procedimiento de la experiencia

Elegir los puntos de medición (descansos más accesibles).

Se determina el descansos con mayor amplitud y vibración y la dirección en la cual se manifiesta (realizar

medición global de desplazamiento y velocidad en las direcciones x, y, z.

Obtener el espectro de frecuencia que confirme el desbalanceo. Estos espectros se comprobarán al final

cuando el problema haya sido corregido.

Elegir el plano de corrección del rotor, siendo éste el más cercano al descanso que presenta el

desbalanceo crítico.

Realizar medición filtrada de vibración con un analizador de vibraciones en posición sharp, en la

dirección y descanso escogido. Se obtiene así la amplitud y fase de la medición original A1.

Determinar la masa de prueba, en base a la recomendación que el incremento de fuerza que produzca el

desbalanceo de prueba en el descanso, no supere a la décima parte de la fuerza estática que produce el

propio peso.

Ubicar la masa de prueba en una posición conocida (ángulo arbitrario y el mayor radio de prueba posible

rp), obteniendo la amplitud y fase de la vibración de la medición A2.

Con los valores obtenidos, es posible evaluar el desbalanceo original y compararlo con el desbalanceo

admisible, según el grado de calidad recomendado por la norma ISO 1940.

Si de la comparación anterior, el desbalanceo original resulta mayor que el recomendado, se debe corregir

mediante un cálculo vectorial entregado por el método analítico, o bien realizar gráficamente la

operación, con lo que se obtiene la posición y la masa de corrección.

Se debe montar el radio para el cual se calculó (en lo posible en el radio de prueba).

Se determina el desbalanceo residual.

Se obtienen los espectros de frecuencia y se mide la vibración global en las direcciones x, y, z.

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6. Nomenclatura y formulas empleadas

6.1. Nomenclatura

A1 = Lectura original [m]

A2 = Lectura con masa de prueba [m]

Af = Lectura final [m]

G = Grado de calidad, según norma ISO 1940 [mm/s]

mp = Masa de prueba [gr]

rp = Radio de prueba [mm]

= Velocidad angular [rad/s]

Fp = Fuerza de prueba [N]

mc = Masa de corrección [gr]

M = Masa del rotor [gr]

rc = Radio de corrección [mm]

= Ángulo de corrección [°]

D.O. = Desbalanceo original [gr mm]

D.R.A. = Desbalanceo residual admisible [gr mm]

E = Efecto de masa de prueba [-]

e’ = Excentricidad de la masa total o desbalanceo especifico [gr mm/kg]

1 = Ángulo lectura original según sistema de referencia elegido [°]

2 = Ángulo lectura con masa de prueba según sistema de referencia [°]

6.2. Fórmulas

A1 = A1 1

A2 = A2 2

mp = Fp / (rp x ²)

E = (A1 - A2 )

e’ = G / = D.R.A. / M

D.O.= ( |A1| / |E| ) x mp x rp

mc = mp x ( |A1| / |E| )

D.F. = ( |Af| / |E| ) x mp x rp

= A1 1 / E

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Grado de Balanceo para Rotores Rígidos Norma ISO 1940

Calidad G E X (1) (2)

[mm/s]

Tipo de rotor (ejemplos típicos)

G 40000 40000 Cigüeñal (3) de motores Diesel marinos, lentos, con número impar de cilindros (4),

montados rígidamente.

G 1600 1600 Cigüeñal de motores grandes, de dos ciclos, montados rígidamente.

G 630 630 Cigüeñal de motores grandes, de cuatro ciclos, montados rígidamente. Cigüeñal de

motores Diesel marinos, montados elásticamente.

G 250 250 Cigüeñal de motores Diesel, rápidos, de cuatro cilindros, montados rígidamente.

G 100 100 Cigüeñal de motores Diesel, rápidos, de seis o más cilindros (4).

Motores completos Diesel o a gasolina para automóviles, camiones o locomotoras

G 40 40 Ruedas de automóviles, volante, conjunto de volantes, ejes de dirección.

Cigüeñal (3) de motores rápidos de cuatro cilindros, Diesel o a gasolina, con seis o

más cilindros, montados elásticamente (4).

Cigüeñal para motores de automóviles, camiones y locomotoras.

G 16 16 Ejes de dirección, ejes de propulsión, ejes cardán, con requerimientos especiales.

Partes de máquinas chancadoras; partes de máquinas agrícola; componentes

individuales para automóviles, camiones o locomotoras (Diesel o a gasolina).

Cigüeñal de motores con seis o más cilindros, bajo requerimientos especiales.

G 6,3 6,3 Partes de máquinas de plantas de procesos.

Engranajes principales de turbinas marinas (servicio mercante).

Tambores centrífugos, ventiladores, volantes, rodetes de bombas.

Rotores ensamblados de turbinas a gas para aviones.

Máquinas herramientas y partes en general.

Rotores de motores eléctricos pequeños.

Componentes individuales de motores bajo requerimientos especiales.

G 2,5 2,5 Turbinas de vapor y gas, turbinas principalmente marinas.

Rotores rígidos de turbogeneradores.

Rotores de turbocompresores.

Transmisión motriz de máquinas herramientas.

Rotores de motores eléctricos de tamaño mediano o grande, con requerimientos

especiales.

Rotores de motores eléctricos pequeños.

Bombas accionadas por turbinas.

G 0,4 0,4 Ejes, discos y rotores de rectificadoras de precisión.

Giróscopos.

Notas:

(1) = 2n/60 [rad/s] n/10 [rad/s], si n esta medido en r.p.m.

(2) En general, para rotores rígidos con dos planos de corrección, se debe tomar la mitad del desbalanceo

admisible para cada plano. Estos valores se aplican para cualquiera de los dos planos elegidos

arbitrariamente, pero el estado de desbalanceo puede mejorar en los descansos. Para rotores con forma de

disco, debe considerar el valor total recomendado para un plano.

(3) Se entiende por cigüeñal el conjunto que incluye las siguientes partes del motor: cigüeñal, volante,

embrague, poleas, amortiguador de vibraciones (damper), parte rotatoria de la biela, etc.

(4) Para la aplicación de esta Norma se considera máquinas Diesel lentas aquellas cuya velocidad de pistón

es inferior a 9 m/s; rápidas aquellas con velocidad de pistón superior a 9 m/s.