Velocidad de Balanceo

La falta de información acerca de las capacidades de las máquinas modernas y la falta de información sobre las características de un rotor, como el cuerpo y la elasticidad del eje o el comportamiento flexible, puede conducir al diseñador para especificar la velocidad de servicio del rotor como la velocidad del balanceo.

Esto es en la mayoría de los casos, innecesario y sólo provoca costos adicionales.

La directriz VDI 2060 y la Recomendación ISO 1940, tanto del estado como un rotor rígido que puede ser equilibrado a cualquier velocidad de rotación deseada entre cero y su velocidad de funcionamiento. Sobre esta base, la velocidad de equilibrio general no será la misma que la velocidad en funcionamiento, pero será menor que él. Principalmente por motivos económicos:

•Los tiempos de aceleración y frenada se hacen más cortos.•La unidad de energía es inferior (en particular en el caso de rotores con un peso significativo, pero también en el caso de los rotores que por su momento de inercia necesitan de una entrada de energía correspondiente a la aceleración y el frenado). • Cuanta más lenta sea la rotación del rotor se reduce considerablemente el riesgo de accidentes, y las características de seguridad (edificio, una cubierta protectora, etc.) pueden ser más simples, con esto se logra que el costo inicial y las necesidades de espacio son menores.

Es posible balancear una máquina con la mínima velocidad de rotación posible, sin embargo, es cierto que también hay límites en el extremo inferior. En primer lugar, con una velocidad de rotación igual a cero sólo es posible determinar el desequilibrio estático (por ejemplo, por medio del centro de gravedad del equilibrio) ya que el rotor está parado. Por lo tanto es necesario establecer un límite inferior de velocidad para realizar el balanceo si este es dinámico y para cada rotor será particular en relación con la sensibilidad de la máquina de equilibrio.

Balanceo a Velocidad Normal

El balanceo a velocidad normal reduce significativamente la probabilidad de un balanceo en campo costoso y prolongado.

Podemos monitorear:        

El desplazamiento en varios puntos a lo largo del rotor La vibración radial X/Y de los cojinetes (diagnóstico de vibración) con el fin

de lograr el mejor balanceo a velocidad operativa así como minimizar las amplitudes de deflexión y vibración durante la aceleración y la desaceleración o punto muerto.

El equipo operará a niveles bajos de vibración, lo cual ayuda a mantener la confiabilidad del equipo.

Beneficios del Balanceo a Alta Velocidad:

Asegura la correcta ubicación axial de las pesas (correcciones) de balanceo estático para así reducir la respuesta tanto a velocidades críticas como a velocidades de operación.

Ofrece la oportunidad de aliviar la tensión del montaje, o “aliviar tensiones” en el rotor operando bajo tensión centrífuga antes del balanceo

Descarta la necesidad de un balanceo de campo costoso

Fig. 1 Balanceo a baja velocidad

Balanceo de Alta Velocidad

Antes de iniciar el balanceo de rotores a alta velocidad, se deben considerar las condiciones por las cuales se requiere dicho balanceo. Esta técnica es apropiada para rotores que:

Han mostrado vibraciones elevadas durante sus velocidades críticas Se aceleran lentamente hasta sus velocidades críticas Operan a o cerca de la velocidad crítica Son sensibles al desbalanceo Son para equipos en servicios extremadamente críticos Están destinados a lugares de difícil acceso tales como instalaciones costa

afuera. Son flexibles y muy largos

El balanceo de alta velocidad también se utiliza en lugares en los que un rotor no puede operar en su carcasa prevista antes de la instalación.

Fig. 2 Balanceo de alta velocidad

Máquinas de Balanceo

Una Máquina Balanceadora es una máquina especialmente diseñada y construida para el balanceo de rotores rígidos en taller. Todas las máquinas balanceadoras tienen la capacidad de determinar, por alguna técnica, la cantidad y posición angular del peso de corrección requeridos en cada plano de balanceo.

Fig. 3 Máquina de balanceo dinámica

Desarrollo de la Tecnología sobre Balanceo

La primera patente de una máquina balanceadora fue en el año de 1870, fabricada por Henry Martinson en Canadá. Esta máquina consistía de un cilindro acoplado a un eje cardán, cuyo cilindro a balancear giraba sobre dos rodamientos suspendidos en resortes. El balanceo consistía en colocar contrapesos en un solo plano, hasta que la amplitud de oscilación de los resortes se reducía en forma considerable.

Esta máquina nace con la necesidad de eliminar vibraciones en cuerpos y partes giratorias, es por esto que a principios de siglo se desarrollan nuevas técnicas de balanceo y es hasta 1907, cuando aparece la primera patente de una máquina balanceadora en dos planos, diseñada por Lawaczek, la cual es modificada y construida por C. Schenck para aplicaciones industriales.

La importancia del balanceo dinámico se incrementa a medida que se desarrollan nuevos equipos, donde los componentes giratorios son parte esencial del funcionamiento tales como: turbinas, generadores, motores eléctricos, motores de combustión interna, bombas centrífugas, compresores, etc.

En la actualidad la tecnología sobre balanceo cuenta con sistemas electrónicos de medición, que proveen de gran sensibilidad en la captación de vibraciones y localización de planos de compensación. Todo esto aunado a estándares y calidades de balanceo basadas en normas internacionales, según los diferentes tipos de cuerpos giratorios y el trabajo que estos realizan.

Las máquinas balanceadoras se pueden clasificar de acuerdo a su principio de operación en:

- Máquinas Estáticas o de Gravedad.

- Máquinas Dinámicas o Centrifugas.

Fig. 4 Máquina de balanceo estática.

El primer tipo corrige solo desbalance “estático”, determinando la posición angular del centro de masa (punto pesado) por efecto de “gravedad” sin poner el eje en rotación, esto es, estáticamente. Mientras que el segundo tipo puede corregir desbalance estático y dinámico a través del efecto “dinámico” o “centrifugo” generado por el desbalance cuando el eje está rotando.

Las máquinas dinámicas se clasifican a su vez, de acuerdo a su principio de operación, en dos tipos:

- Máquinas Balanceadoras de Soporte Flexibles.

- Máquinas Balanceadoras de Soporte Rígido.

En las máquinas de soportes flexibles el efecto dinámico medido es el movimiento vibratorio de los soportes, mientras que en las de soporte rígido se mide la fuerza ejercida sobre los cojinetes. Estos dos tipos de máquinas dinámicas son capaces de procesar las señales medidas e indicar directamente, por técnicas diferentes, la

cantidad y posición angular de los pesos de corrección necesarios en uno o dos planos de balanceo.

Fig. 5 Máquina de balanceo con soportes rígidos

Fig. 6 Máquina de balanceo con soportes flexibles

Una máquina de balanceo dinámico consiste esencialmente de una placa ensamblada a la base y una consola asociada o unidad de monitoreo. Dos pedestales de soporte instrumentados que cargan al rotor que está girando a una velocidad constante, controlada mediante un motor y un sistema de transmisión. Los efectos del desbalanceo son transmitidos a los rodamientos del soporte y las señales eléctricas derivadas son transmitidas a la unidad de la consola. Ahí se analiza el estado del desbalanceo para permitir determinar los valores de corrección calibrados para que sean desplegados en el panel frontal.

La unidad de consola es el centro de control y análisis del sistema: debe dar al operario suficiente información para permitir que el desbalanceo residual sea reducido dentro de la aceptabilidad del desbalanceo de límites de tolerancia del rotor en cuestión.

En la práctica, para rotores, los planos de corrección seleccionados dependerán de la forma física y de las características de construcción de un rotor individual, por lo tanto, el intervalo de ajuste disponible para los pedestales de soporte y la forma en la cual la cantidad y el ángulo del desbalanceo desplegado estará, en gran parte, gobernando la aplicación y la utilidad de una máquina balanceadora.

Los dos pedestales que soportan los muñones necesariamente deben incorporar alguna clase de rodamiento. Los típicos en uso son los bloques en V, rodillos o rodamientos planos; alternativamente, los soportes se podrían diseñar para aceptar los propios rodamientos de los rotores. Los soportes tienen una dirección radial definida, usualmente vertical u horizontal, en la cual son hechas las mediciones para derivar la información de desbalanceo. Considerando que la masa está actuando en un rodamiento, el ensamble rotor/soporte se podría modelar como un sistema de un solo grado de libertad, donde la ecuación diferencial del movimiento se puede expresar como:

Para un movimiento senoidal, el desplazamiento x se puede escribir como:

La cual da la solución siguiente,

El movimiento del rotor en los rodamientos se puede expresar como una porción del desbalanceo específico para dar:

Esta solución indica que hay diferentes regímenes de interés, dependiendo de los valores relativos de la velocidad de operación del rotor (ω), y de la frecuencia natural de suspensión ( ωn).

Máquinas balanceadoras de soportes flexibles

El límite inferior de la capacidad de medición de este tipo de máquina está gobernado por la masa parásita (mp), la cual comprende todos los elementos móviles del soporte del pedestal, incluyendo los resortes, rodamientos y transductores, con la excepción de la masa del rotor mismo. Despreciando el término de amortiguamiento (D), la ecuación anterior se puede expresar como:

Esto se puede simplificar aún más suponiendo ωo << ω para dar:

Se puede ver que si los sensores miden el movimiento de los rodamientos (X), como representativo de la excentricidad del centro de masa (e), entonces la relación entre la masa parásita y la masa del rotor (mp/m) es aconsejable que se minimice para alcanzar su máxima sensibilidad.

En la máquina moderna de cojinetes suaves, el uso de técnicas modernas de diseño y materiales ligeros permite que la masa parásita de los elementos móviles sea minimizada para incrementar la sensibilidad. Una máquina balanceadora de soportes flexibles tendrá el intervalo de operación por arriba de su frecuencia natural.

La frecuencia natural de un sistema de suspensión suave tipo péndulo, muestra que el peso de la pieza de trabajo a ser balanceada no afecta la frecuencia natural del sistema.

Por lo tanto se puede observar en la ecuación que la frecuencia natural de la máquina balanceadora se encuentra por debajo de la frecuencia natural.

Máquina balanceadora de soportes rígidos

En donde las velocidades normales de balanceo son mucho menores que la resonancia del sistema de soportes (ω < ωn), las fuerzas de desbalanceo dentro del rotor reaccionan elásticamente en los pedestales y están en fase con el desplazamiento, mientras que el movimiento lineal está restringido a tales desplazamientos en una forma tal que los términos de la inercia y el amortiguamiento se podrían despreciar.

La ecuación de movimiento (1) se simplifica para obtener:

En esta configuración el sistema del rotor es estáticamente determinado y aplican las reglas usuales de la estática. Midiendo las fuerzas en los rodamientos, estas pueden ser referidas a cualquiera de los otros planos mediante un cálculo geométrico. Por lo tanto la máquina estará permanentemente ajustada dentro de su capacidad y su intervalo de velocidades, pero los controles del panel necesariamente serán preajustados de acuerdo a la geometría del rotor y la localización relativa de la medición y de los planos de corrección. Las dimensiones a ser ajustadas podrían incluir:

1. La distancia a partir del plano de medición izquierdo al plano derecho.

2. La distancia entre los planos de medición.

3. La distancia entre los planos de corrección.

4.-Los radios de corrección de los planos derecho e izquierdo.

Una máquina balanceadora de soportes rígidos tendrá el intervalo de operación por abajo de su frecuencia natural.

Se puede observar en la ecuación que la frecuencia natural de la máquina balanceadora depende del rotor bajo prueba, y opera por debajo de su frecuencia natural.

Efectos del no balanceo

Si una maquina no está correctamente balanceada se puede presentar alguno de los problemas siguientes:

Vibraciones periódicas del equipo. Daños en rodamientos, bujes, chumaceras, etc. Vibraciones transmitidas a otros equipos. Fatiga en soldaduras, uniones, etc. Daño a sistemas eléctricos y electrónicos. Rozamiento de rotores en cuerpos de alojamiento. Calentamiento. Ruido. Daños a cimentación de maquinaria o equipo. Perdida de precisión en maquinado de partes.

Fig. 7 Máquina correctamente balanceada