4. BALANCEAMENTO DE ROTORES 4.1. Definição de Desbalanceamento Desbalanceamento e Balanceamento Balanceamento 4.2. Origens do Desbalanceamento Desbalanceamento 4.3. Efeitos do Desbalanceamento Desbalanceamento 4.4. Rotor Rígido ou Flexível? 4.5. Tipos de Desbalanceamentos 4.6. Máquinas de Balancear e Balanceamento de Campo 4.7. Seleção do Tipo de Balanceamento de Rotor Rígido 4.8. Instrumentação Utilizada 4.9. Balanceamento de Rotor Rígido em 1 Plano (Balanceamento (Balanceamento Estático) 4.10. Balanceamento de Rotor Rígido em 2 Planos (Balanceamento Dinâmico) 1
4.1. DEFINIÇÃO DEFINIÇÃO DE DESBALANCEAMEN DESBALANCEAMENTO TO E BALANCEAMENTO BALANCEAMENTO O Desbalanceamento é a distribuição assimétrica de massa em torno do eixo de rotação. O desbalanceamento é a principal causa de vibrações em máquinas e equipamentos rotativos. O Balanceamento pode ser definido como a técnica de correção da distribuição de massa, através da adição ou retirada de massa.
Quando o Balanceamento deve ser feito? Quando as vibrações atingem valores acima dos limites recomendados (ver ábaco de severidade). O Balanceamento elimina todas as vibrações em uma máquina? Não. São reduzidas as vibrações causadas pelo desbalanceamento do rotor. Podem contin continuar uar ocorren ocorrendo do vibrações vibrações causadas por desalinh desalinhamen amentos, tos, fol folga gas, s, rolamentos defeituosos e outros problemas mecânicos. 2
ÁBACO DE SEVERIDADE 100
1
10
100
1000 1
E
S M R ] S / M M [ E D A D I C O L E V O Ç A R B I V E D L E V Í N
D 10
1 C
B 1
1
OBS : SEVERIDADE DE VIBRAÇÕES PARA MÁQUINAS ROTATIVAS (TAIS COMO : MOTORES ELÉTRICOS BOMBAS - VENTILADORES EXAUSTORES - COMPRESSORES ROTATIVOS - TURBINAS , ETC..) EXCITADAS POR DESBALANCEAMENTO E / OU DESALINHAMENTO.
AUTOR : PROF: MÁRCIO TADEU DE ALMEIDA
A
0,1
1
10
100
0, 1000
FREQUÊNCIADE VIBRAÇÃOEM [ HZ]
A- MÁQUINAS NOVAS - SEM DEFEITO B - MÁQUINAS COM PEQUENOS PROBLEMAS C - MÁQUINAS COM DEFEITO –CORRIGIR D - A FALHA EST ÁPRÓXIMA - CORRIGIR COM URGÊNCIA E - PERIGO - PARADA IMEDIATA
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4.2. ORIGENS DO DESBALANCEAMENTO As fontes mais comuns de desbalanceamento são: - Configuração assimétrica; - Inclusões e/ou vazios em peças forjadas ou fundidas; - Distorções permanentes térmicas ou por esforços; - Incrustações, desgaste ou corrosão. - Etc. 4.3. EFEITOS DO DESBALANCEAMENTO - Aumento do nível de vibração da máquina rotativa; - Transmissão de forças aos mancais, suportes e máquinas/estruturas vizinhas; - Redução da vida útil dos mancais; - Quebras inesperadas de eixos, transmissões e peças em geral; - Acabamento irregular do produto final - Nível de ruído elevado; - Etc. 4
* Obs: Algumas Características do Desbalanceamento: - É síncrono com a velocidade de rotação (o desbalanceamento ocorre na freqüência de rotação). A freqüência da força de desbalanceamento é a velocidade de rotação. - É radial em sua linha de ação; - Pode ser considerado como um vetor possuindo módulo, direção e sentido; - É resultado da discrepância entre a simetria geométrica e simetria de massa ao longo do rotor;
4.4. ROTOR RÍGIDO OU FLEXÍVEL? - O Rotor é considerado como rígido quando são suficientemente resistentes para não apresentarem deformações ao longo do eixo; - Nos rotores rígidos, o balanceamento satisfatório é alcançado com a utilização de no máximo dois planos para a colocação (ou retirada) das massas de correção;
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- O rotor é considerado flexível quando opera a uma velocidade de rotação maior ou igual a 70% da primeira velocidade crítica (freqüência de ressonância). Próximo a uma velocidade crítica o rotor tende a se deformar de forma similar ao modo de vibração correspondente a esta freqüência de ressonância; Rotores Flexíveis
- No balanceamento de rotores flexíveis são necessários N+2 planos de correção, sendo que N é o número de velocidades críticas pelas quais o rotor passa até atingir a sua rotação de trabalho. - Neste curso, somente sempre serão tratados os rotores considerados rígidos . 6
4.5. TIPOS DE DESBALANCEAMENTOS Rotor Perfeitamente Balanceado ü
Se dividirmos um corpo em vários planos, a linha que une os centros de massa de cada plano forma o EPI
ü
Em torno do EPI a massa está distribuída perfeitamente
ü
Quando houver um desbalanceamento de massa no rotor, o EPI se afastará do ER.
ü
O desbalanceamento pode ser caracterizado pela presença de pontos pesados ao longo do rotor. Contudo, não é possível determinar a posição exata dos pontos pesados. É possível apenas estimar as forças que o rotor exerce sobre os mancais. São as forças centrífugas devido aos pontos pesados que são transmitidas aos mancais. 7
A combinação de todas as forças dinâmicas geradas pelos pontos pesados cria em cada mancal um força resultante (ver figuras abaixo).
ü
8
As resultantes R1 e R2 que atuam sobre os mancais e representam o efeito do desbalanceamento de todo o rotor. Conceitualmente, pode-se dizer que cada resultante está na direção do desvio do EPI em relação ao ER e o módulo proporcional ao tamanho deste desvio.
ü
Os módulos e direções de R1 e R2 podem ser quaisquer, iguais ou não. Desta forma pode-se imaginar duas situações características:
ü
1 o Caso: Os pontos pesados estão distribuídos uniformemente em uma linha paralela ao eixo de rotação. O EPI estará paralelo ao ER e as duas resultantes serão iguais em módulo e direção. Este caso é o desbalanceamento estático (“Static Unbalance” ).
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2o Caso: Os pontos pesados estão divididos igualmente, metade deles concentrados em uma extremidade e a outra metade na outra extremidade, mas no lado diametralmente oposto. O EPI estará inclinado ao ER, cruzando com este exatamente no CG do rotor. As duas resultantes terão módulos iguais e direções defasadas de 180o. Este é o desbalanceamento dinâmico puro (“Couple Unbalance”).
Na prática, qualquer desbalanceamento é a combinação de uma parcela estática e outra puramente dinâmica. Este é chamado simplesmente de desbalanceamento dinâmico (“Dynamic Unbalance”).
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4.6. MÁQUINAS DE BALANCEAR E BALANCEAMENTO DE CAMPO O balanceamento de um rotor pode ser realizado em uma máquina especializada para tal tarefa – a máquina de balancear, ou então, pode ser realizado o balanceamento de campo. Balanceamento de Campo, tamb ém chamado de "Balanceamento no local" é o balanceamento feito em rotores de máquinas e equipamentos montados em seu local de serviço e em condições normais de operação. Qual é a vantagem do Balanceamento de Campo? Principalmente econômica, pois o tempo de parada e conseqüentemente a perda na produção é muito menor. Desmontar um rotor, transportar à uma oficina, balancear, retornar e montar novamente pode levar um tempo razoável, enquanto que um balanceamento no local pode, na maioria dos casos, ser feito de 2 a 3 horas.
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Exemplos de Utilização de Máquinas de Balancear
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Exemplo da realização de um balanceamento de campo
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4.7. SELEÇÃO DO TIPO DE BALANCEAMENTO NO ROTOR RÍGIDO Uma regra prática para decidir se o balanceamento no rotor rígido deva ser feito em um ou dois planos, é comparar o diâmetro com s ua largura e também de acordo com a sua rotação: CONFIGURAÇÃO DO ROTOR
RELAÇÃO L/D
BALANCEAMENTO
< 0,5
ESTÁTICO Até1000 rpm
DINÂMICO Acima de 1000 rpm
> 0,5
Até 150 rpm
Acima de 150 rpm
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4.8. INSTRUMENTAÇÃO UTILIZADA O desbalanceamento causa transmissão de forças aos mancais. Com um acelerômetro montado na caixa do rolamento, a resultante destas forças transmitida pode ser detectada, pois o nível de vibração medido é diretamente proporcional a esta resultante . A direção desta resultante pode ser detectada com precisão, comp arandose o sinal de vibração medido com um sinal periódico padrão obtido de alguma posição de referência do rotor girando. Desta forma, determina-se o ângulo de fase. Portanto, esta força resultante pode ser definida por um vetor em que a magnitude é dada pela vibração medida (pois esta é proporcional a força resultante) e a direção do vetor definida pelo ângulo de fase. A instrumentação básica para se realizar um balanceamento consis te de um sensor de vibrações (geralmente o acelerômetro), um medidor de vibrações e um meio de determinar o ângulo de fase do desbalanceamento relativo à posição de referência. 15
Abaixo está apresentado um possível aparato instrumental para realização de um balanceamento de campo. Neste aparato o transdutor magnético emite um pulso toda vez que uma chaveta, por exemplo, passa , estabelecendo, assim, uma posição de referência sobre a circunferência do rotor.
Sabe-se que a vibração proveniente de um desbalanceamento possui uma freqüência igual a rotação do rotor. Portanto, é necessário introduzir na instrumentação um filtro de banda regulável, o qual garante que as medições de vibração sejam feitas somente na freqüência de rotação, e que o medidor de fase receba um sinal de entrada limpo. 16
Da mesma forma que pode-se usar um transdutor magnético para estabelecer um sinal de referência e assim medir o ângulo de fase, pode-se também usar um sensor fotoelétrico para este fim. Este sensor fotoelétrico é fixado próximo ao rotor (ou eixo) para emitir um pulso toda vez que uma fita adesiva reflexiva, colocada no rotor, passar por ela. Também é possível identificar o ângulo de fase com o auxílio de uma lâmpada estroboscópica. Neste caso, deve-se marcar uma numeração no rotor e ter uma marca fixa de referência, que poderá ser feita, por exemplo, em qualquer parte da carcaça da máquina
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Atualmente, muito coletores de dados possuem uma entrada para trigger (transdutor magnético ou sensor fotoelétrico) e também são usados para a prática do balanceamento de campo. Alguns mais avançados, já possuem um programa computacional embutido, que após as medidas de vibração e fase já fornecem a massa de correção e sua respectiva posição no rotor. A primeira figura a baixo ilustra o uso de um coletor de dados. Em alguns medidores de vibração e coletores, ao invés dos valores do nível de vibração medido na rotação da máquina e sua respectiva fase, conforme mostrado na primeira figura, o instrumento apresenta o espectro de vibração medido. Desta forma, colocando o cursor na freqüência correspondente a rotação do rotor, o visor apresentará o valor do nível de vibração nesta freqüência, bem como sua respectiva fase, conforme a segunda figura abaixo.
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4.9. BALANCEAMENTO EM ROTOR RÍGIDO EM UM PLANO (BALANCEAMENTO ESTÁTICO) O procedimento do balanceamento em um plano requer três medições de vibração e fase: -A primeira medição é realizada na situação em que o rotor se encontra. Mede-se o V0 , ou seja |V0 | e ϕ0; r
- A segunda medição é realizada com uma massa tentativa ou massa de teste. Mede-se o V1 , ou seja |V1 | e ϕ1; r
- A terceira medição é realizada já com a massa de correção. Nesta medição verifica-se a qualidade do balanceamento.
Procedimento: 1) Coloque a máquina nas condições de operação e, com o auxílio da instrumentação, quantifique a a amplitude e a fase da vibração d etectada no mancal de sustentação do rotor. Essa é a informação original V0 . r
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2) Adicione uma massa arbitrária conhecida (mt ), que seja suficiente para provocar alteração na fase em relação a leitura original (na prática, no mínimo 30o), numa posição também arbitrária. Esta massa tentativa pode ser estimada pela seguintes equação (existem outras): mt=Massa tentativa ou massa de teste[g] M=Massa do rotor [kg] R=Raio ao qual vai ser fixada a massa de teste [mm] rpm=Rotação do rotor [rpm]
0,81 M mt = 2 rpm R 1000
3) Gire a máquina na mesma rotação que na primeira medição e registre a amplitude e a fase. Caso a fase não tenha variado o suficiente, modifique a posição da massa tentativa ou aumente seu peso. As informações obtidas geram o vetor V1 , que representa a soma do desbalanceamento inicial, representada por V0 , com o desbalanceamento provocado pela massa de teste, ou seja: r
r
r
r
r
V 1 = V 0 + V ef r
Sendo que V ef representa a vibração correspondente ao efeito da massa de teste no sistema. 20
r
4) Determine a vibração causada pela massa de teste V ef . Para calcularmos este vetor, basta executarmos a seguinte operação vetorial: V ef = V 1 − V 0 r
r
r
A magnitude de V ef é analiticamente dadas por: r
V ef = V 12 + V 02 − 2V 1V 0 cos β Calcular também a variação das fases: β =| Fase1 − Fase0 | 5) Calcule o valor da massa final de correção pela relação:
mc =
| V 0 | mt | V ef |
6) A posição angular em que deverá ser adicionada a massa de correção final (retirando-se a massa de teste) é dada por:
V α = arcsen 1 sen β V ef * A posição angular da massa de correção ficará determinada por α a partir do ponto em que se tenha fixado a massa de teste.
21
Representação vetorial:
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Exemplo:
23
