10.BALANCEAMENTO EM ROTOR RÍGIDO EM DOIS PLANOS (BALANCEAMENTO DINÂMICO) Como no balanceamento estático, o balanceamento dinâmico é obtido através da adição de massas tentativas, entretanto, devido ao efeito cruzado, sua influência deve ser medida em dois planos. A medição de fase é feita de maneira análoga ao balanceamento estático, e as vibrações são quantificadas em dois pontos da máquina, geralmente nos mancais.
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1. DEFINIÇÃO DE DESBALANCEAMENTO DESBALANCEAMENTO 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 continuar ocorrendo vibrações causadas por desalinhamentos, folgas, rolamentos defeituosos e outros problemas mecânicos. 2
1. DEFINIÇÃO DE DESBALANCEAMENTO DESBALANCEAMENTO 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 continuar ocorrendo vibrações causadas por desalinhamentos, folgas, rolamentos defeituosos e outros problemas mecânicos. 2
ÁBACO DE SEVERIDADE 100 100
1
10
100
1000 1
E
S M R ] S / M M [ E D A D I C O L E V O Ã 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 ROTATIVOS - TURBINAS , ETC..) EXCITADAS EXCITADAS POR DESBALANCEAMENTO E / OU OU DESALINHAMENTO.
AUTOR : PROF: MÁRCIO TADEU DE ALMEIDA
A
0,1
1
10
100
0, 1000
FREQUÊNCIA DEVIBRAÇÃO DEV IBRAÇÃO EM[ EM[ HZ ]
A- MÁQUINAS NOVAS - SEM DEFEITO B - MÁQUINAS COM PEQUENOS PROBLEMAS C - MÁQUINAS COM DEFEITO – CORRIGIR CORRIGIR FALHA ESTÁ PRÓXIMA PRÓXIM A - CORRIGIR COM URGÊNCIA D - A FALHA E - PERIGO - PARADA IMEDIATA
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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. 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. 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
5. TIPOS DE DESBALANCEAMENTOS Rotor Perfeitamente Balanceado
Se dividirmos um corpo em vários planos, a linha que une os centros de massa de cada plano forma o EPI
Em torno do EPI a massa está distribuída perfeitamente
Quando houver um desbalanceamento de massa no rotor, o EPI se afastará do ER.
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).
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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.
Os
módulos e direções de R1 e R2 podem ser quaisquer, iguais ou não. Desta forma pode-se imaginar duas situações características:
1o 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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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, também 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. Balanceamento com a máquina de balancear é realizado após o rotor ter sido fabricado (ou reparado) e antes de ser (re)instalado em seu local de trabalho. 11
Exemplos de Utilização de Máquinas de Balancear
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Exemplo da realização de um balanceamento de campo
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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 sua largura e também de acordo com a sua rotação: CONFIGURAÇÃO DO ROTOR
RELAÇÃO L/D
BALANCEAMENTO ESTÁTICO
DINÂMICO
< 0,5
Até 1000 rpm
Acima de 1000 rpm
> 0,5
Até 150 rpm
Acima de 150 rpm
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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, comparandose 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 consiste 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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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 0;
- A segunda medição é realizada com uma massa tentativa ou massa de teste. Mede-se o V1 , ou seja |V1| e 1;
- 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 detectada no mancal de sustentação do rotor. Essa é a informação original V0.
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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
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
rpm
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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:
V 1 V 0 V ef
Sendo que V ef representa a vibração correspondente ao efeito da massa de teste no sistema. 20
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
A magnitude de V ef é analiticamente dadas por:
V ef
V 12 V 02 2V 1V 0 cos
Calcular também a variação das fases: | Fase1 Fase0 | 5) Calcule o valor da massa final de correção pela relação: mc
| V 0 | | V ef |
mt
6) A posição angular em que deverá ser adicionada a massa de correção final (retirando-se a massa de teste) é dada por:
V 1 arcsen sen V ef * A posição angular da massa de correção ficará determinada por a partir do ponto em que se tenha fixado a massa de teste.
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Representação vetorial:
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Exemplo:
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