Tecnicas Alineamiento y Balanceo x Ciro Martínez

TÉCNICAS DE ALINEAMIENTO Y BALANCEO

Autor:

Ciro Martínez Martín ez T., P.E. P.E . Gerente de Vibro Technology S.R.L.

Técnicas de Alineamiento y Balanceo Índice Técnicas de Alineamiento Introducción

8

1.

Cuatro Formas Teóricas de Desalineamiento

8

2.

Consecuencias del Desalineamiento

9

3.

Incidencia en las Fallas de las Máquinas

10

4.

Trabajos Preliminares Antes de Realizar el Alineamiento

10

5.

Facilidades para Mover la Máquina

11

6.

Juegos del Eje y del Acoplamiento

11

7.

Juego del Rodamiento en el Eje

11

8.

Pata Coja

13

9.

Corrección Vertical con Lainas

14

10. Beneficios del Correcto Alineamiento

14

11. Comparación de los Métodos de Alineamiento

15

12. Alineamiento con Diales Comparadores

15

12.1 Método de Alineamiento Midiendo la Excentricidad y el Paralelismo 17 12.2 Método de Alineamiento Alineamiento por el Método Método del Dial Invertido por Planos 19 13. Alineamiento con Rayos láser

20

13.1 Principios de Medición con un Rayo Láser y un Reflector

21

13.2 Principios de Medición con Doble Rayo Láser – Reflector

22

13.3 Principios de Medición con un Rayo Láser y un Receptor Especial

23

El Láser de ROTALIGN ® PRO

24

El receptor del ROTALIGN® PRO

26

Detectores de medición del ROTALIGN ® PRO

27

¿Cómo mide el ROTALIGN ® PRO desplazamiento y angularidad?

27

14. Calculo de la Compensación Térmica

28

15. Tolerancias de Alineamiento

30

16. Alineamiento de Máquinas Embridadas

30

17. Alineamiento de Ejes con Acoples Tipo Cardán

31

18. Ejercicios de Alineamiento

32

Bibliografía

33

Técnicas de Balanceo Dinámico Introducción

34

1.

Balanceo de Rotores en Un Plano

37

1.1 Selección del Peso de Prueba

38

1.2 Cálculo de la Fuerza Centrífuga

38

1.3 Corrección del Desbalance en Un Plano (Método Gráfico)

40

1.4 Práctica de Cálculo e Instalación de Pesos de Corrección Durante el Proceso de Balanceo

2.

44

•

Puntos Disponibles

44

•

Suma de Pesos de Corrección

46

Balanceo de Rotores en Voladizo

49

2.1

49

Selección del Peso de Prueba

2.2

Cálculo de la Fuerza Centrífuga

50

2.3

Corrección del Desbalance Estático

51

2.4

Corrección del Par Dinámico

52

3.

Balanceo Multiplanar

54

4.

Normas de Calidad de Balanceo

60

5.

Ejercicios de Balanceo

62

Bibliografía

63

Técnicas de Alineamiento y Balanceo PREFACIO El autor agradece la contribución de Rick Carlisle de Rockwell Automation, Gerardo Urrich de PRUFTECHNIK AG - Alemania y César Chaca de Corporación Gamma S. A. Representantes de Pruftechnik en el Perú, para la realización de este manual; así mismo aprecia el trabajo de diseño, diagramación y corrección de Teresa Condado Vega Analista de Sistemas de Vibro Technology SRL. Lima, Perú Enero, 2004

Ciro Martínez Trinidad

Técnicas de Alineamiento y Balanceo OBJETIVOS Al final de este curso los participantes lograrán un entrenamiento integral desde la teoría básica del Alineamiento hasta la aplicación de las diversas técnicas tradicionales y con instrumentos electrónicos avanzados para resolver problemas de alta vibración por desalineamiento.

Técnicas de Alineamiento Introducción El alineamiento es el perfecto arreglo geométrico de todos los ejes rotativos y rotores, en todas las posiciones donde se juntan los ejes, por ejemplo en el punto de transferencia de potencia de un eje al siguiente, los ejes deben rotar cerca al mismo centro para minimizar los esfuerzos y el desgaste de rodamientos. Con excepción de los acoplamientos tipo cardán que requieren cierto desalineamiento para la lubricación.

1.

Cuatro Formas Teóricas de Desalineamiento Teóricamente hay cuatro posibles formas de desalineamiento, pero en realidad se presenta en simultáneo como una combinación de ellas y con diferentes intensidades: •

Desalineamiento horizontal

•

Desalineamiento Vertical

•

Desalineamiento Angular horizontal

•

Desalineamiento Angula Vertical

Figura A1. Cuatro Formas de Desalineamiento

2.

Consecuencias del Desalineamiento Las consecuencias pueden manifestarse como: 2.1 Vibración de la máquina, el desalineamiento se detecta y se cuantifica usando el análisis de las vibraciones, es característica que las elevadas lecturas de vibración en el espectro de frecuencias se presenten en el sentido radial y axial a la frecuencia de rotación y sus múltiplos. 2.2 El desalineamiento causa excesiva carga en los apoyos de las máquinas, aún al utilizar acoples “flexibles”. El incremento de las cargas en los rodamientos reduce su vida útil y puede medirse usando el método de impulsos de choque para el monitoreo de los rodamientos. La termografía infrarroja nos muestra el incremento de la carga en los acoples debido a desalineamiento: Cuanto más caliente el elemento de maquina, más brillante aparece en el termograma.

Figura A2. El Desalineamiento Eleva la Temperatura del Acople y Rodamientos 2.3 Otros componentes de la máquina, susceptibles al daño por desalineamiento son el eje y el sello del eje, un ligero desalineamiento permite el ingreso de contaminantes al sello causando su falla prematura.

3.

Incidencia en las Fallas de las Máquinas Hasta el 50% o más de todas las fallas prematuras de las máquinas se le puede atribuir al mal alineamiento. Las máquinas modernas deben funcionar a velocidades cada vez más altas, bajo cargas más elevadas y sus construcciones son cada vez más ligeras, entonces las máquinas son más vulnerables al desalineamiento. Los daños en el acople por desalineamiento pueden ser realmente mínimos, ya que los acoples son diseñados para tolerar cierta cantidad de desalineamiento. Los esfuerzos generados por desalineamiento, sin embargo, sobrecargan los rodamientos y sellos, causando también alta vibración.

4.

Trabajos Preliminares Antes de Realizar el Alineamiento 4.1 Desacoplar e inspeccionar lo siguiente: Acople; pernos, tuercas, bocinas, cubos y cambiar los que se encuentran deteriorados. 4.2 Verificar la perpendicularidad de los cubos con respecto al eje; No deben ser mayores que 0.002 pulgadas TIR, corregir si fuera necesario. 4.3 Verificar la redondez de los cubos, principalmente en el área de medición; no deben ser mayores que 0.002 pulgadas TIR, corregir si fuera necesario. 4.4 Verificar los juegos axiales de la máquina motriz y de la máquina accionada, corregir si fuera necesario, comparar con el juego axial que puede absorber el acoplamiento y ajustar la distancia entre los cubos para evitar los esfuerzos axiales. 4.5 Eliminar las patas cojas de las máquinas, según el siguiente procedimiento: •

•

•

•

•

•

Dejar la máquina accionada libre de esfuerzos de tuberías. Aflojar los pernos de sujeción al patín. Colocar el dial comparador en posición vertical en el apoyo 1, fijar el cero, ajustar el perno hasta aproximadamente 40 lbs - pie y registrar la lectura del dial. Seguir el mismo procedimiento en los demás apoyos. Compensar con lainas las diferencias de medidas, hasta lograr lecturas similares en cada uno de los apoyos. Seguir el mismo procedimiento en la máquina motriz.

4.6 Nivelar cada una de las máquinas utilizando lainas y un nivel de precisión de mecánico, teniendo cuidado de no causar patas cojas. 4.7 Instalar un dial en los sentidos horizontal y vertical del cubo de la maquina accionada y ajustar los pernos de las tuberías. Si el dial varía en 0.001 pulgadas hay problemas de esfuerzos en las tuberías que deben ser eliminados. 4.8 Si no se ha podido eliminar alguno de los problemas anteriormente descritos, existirá distorsión en la máquina y no se podrá lograr un alineamiento de precisión.

5.

Facilidades para Mover la Máquina 5.1 La movilidad vertical, se logra usando tecles o “gatas hidráulicas”. 5.2 La movilidad horizontal, se logra usando pernos laterales o gatas hidráulicas, ambos permiten un control fino del movimiento de manera lenta y continua. Los métodos bruscos, como los martillazos, hacen que el posicionamiento sea más difícil y las maquinas se dañen.

6.

Juegos del Eje y del Acoplamiento El método de dial invertido en la cual se usan dos diales comparadores, que se montan en lados opuestos del acople, es insensible al movimiento axial de los ejes durante la rotación. Ya que realmente miden desplazamiento radial durante la rotación de los ejes, los movimientos axiales tendrán poca o ningún efecto practico en la medición del desalineamiento. El método de la excentricidad y el paralelismo, en el cual se usan dos diales comparadores, uno para medir el desplazamiento radial y el otro para medir la perpendicularidad o sea que el dial se monta paralelo al eje entonces el movimiento axial sí afecta causando errores en la medición de la perpendicularidad.

7.

Juego del Rodamiento en el Eje Cuando dos o más mediciones consecutivas del desalineamiento son diferentes, pueden ser causados por el excesivo juego del rodamiento, debido a que el eje se sitúa en diferentes posiciones cada vez. Esto puede causar desalineamiento.

Figura A3. Juego Axial y Torsional del Acople

Figura A4. Juego del Rodamiento en el Eje

8.

Pata Coja Es difícil alinear cuando hay alguna pata coja, la máquina toma una posición diferente cada vez que se alinea y se ajustan sus pernos a la base, la pata coja causa distorsión de la carcasa de la máquina. Existen cuatro tipos de pata coja: 8.1

Pata coja paralela, significa que la base y las patas de la máquina están paralelas, lo cual permite que la corrección sea simple agregando o removiendo la cantidad correcta de lainas.

8.2

Pata coja angular , es cuando la base y las patas forman un ángulo, entonces se deben usar lainas tipo cuña o escalonadas. Las posibles soluciones incluyen el desmontaje de la máquina para corregir el ángulo de las patas maquinándolos.

8.3

La “pata rugosa”, son superficies dañadas o corroídas. Esto es evidenciado por el movimiento del eje cuando se suelta un perno y luego no se puede insertar una gauge de lámina debajo de la pata.

8.4

La pata coja puede causada por fuerzas externas, son los esfuerzos en las tuberías o los desalineamientos severos combinado con un acople rígido.

Figura A5. Tipos de Pata Coja

9.

Corrección Vertical con Lainas La corrección vertical es la primera a llevarse a cabo ( a menos que los valores horizontales sean considerablemente mayores que los verticales). No se debe usar más de tres o cuatro lainas debajo de cada pata ya que un mayor numero de lainas actuarían como un resorte y la maquina puede rebotar.

Figura A6. Laina de Diversas Medidas 10. Beneficios del Correcto Alineamiento Un correcto alineamiento brinda los siguientes beneficios: a.

b.

Se incrementa el tiempo promedio entre fallas. •

Reducción de costos por repuestos.

•

Reducción del inventario de repuestos.

•

Reducción de los costos laborales.

•

Incremento de la disponibilidad de la máquina.

Se ahorra energía debido a la reducción de consumo de potencia.

Figura A7. Beneficios del Correcto Alineamiento 11. Comparación de los Métodos de Alineamiento a.

Alineamiento con regla, ha sido usada y continúa siendo usada para el alineamiento. Sin embargo, ya que la resolución del ojo humano es limitada 1/10mm (0.004"), la exactitud del alineamiento es por lo tanto limitada. Este método no es recomendable por ser muy impreciso.

b.

Alineamiento con diales comparadores, tienen una precisión de 1/100 mm (0.0004"), es decir 10 veces la de la regla. El cálculo de los valores de corrección en los apoyos se realiza con una calculadora electrónica o por medio de un gráfico a escala.

c.

Alineamiento con láser, tal como el Rotalign Pro, tiene una precisión de 1/1000 mm o 0.00004". La computadora calcula automáticamente los valores de corrección en los apoyos.

12. Alineamiento con Diales Comparadores La precisión de los diales comparadores es afectada por los siguientes factores. •

Deflexión del soporte del comparador (SAG): debe medirse siempre antes de que se realicen las lecturas de alineamiento: Sí se calibra CERO a la lectura superior entonces sumar 2xSAG a la lectura inferior.

Sí se calibra CERO a la lectura inferior entonces restar 2xSAG a la lectura superior. •

•

•

•

•

•

Fricción interna / histéresis : Algunas veces el dial debe golpearse para que la aguja indique su valor final (el cual puede no ser el correcto). Resolución 1/100 mm: hasta 0.005mm (0.2 mils) de error puede darse en cada lectura. Errores de lectura: errores humanos simples pueden ocurrir con frecuencia cuando los diales compradores son leídos bajo condiciones de estrechez, cansancio y condiciones severas de trabajo. Juego en las uniones mecánicas: las solturas pequeñas no se notan, pero producen grandes errores en los resultados. Inclinación del dial: Al no haber sido montado perpendicular a la superficie de medición, parte de la lectura del desplazamiento no es medida. Juego axial del eje: puede afectar las lecturas en la cara del acople tomadas para medir angularidad a no ser que se monten dos diales axialmente.

Figura A8. Factores que Afectan la Precisión de las Lecturas con Diales Comparadores

12.1 Método de Alineamiento Midiendo la Excentricidad y el Paralelismo La medición de la excentricidad y el paralelismo con diales comparadores deben ser en superficies limpias libres de grasa, pintura, herrumbre o polvo, porque afectan a la precisión de las lecturas. •

Medir los SAG´s en una barra recta, en el caso de la figura A9 el SAGr: 0.03 mm en el sentido radial y el SAGa: 0.01 en el sentido axial.

•

Definir la máquina FIJA y la máquina MOVIL.

•

Montar la base y el dial comparador en la máquina FIJA.

•

•

•

Montar dos diales comparadores uno en la parte superior para medir la excentricidad y otro paralelo al eje para medir el paralelismo. Calibrarlos ambos en CERO, tal como se muestra en la Figura A9. Girar ambos rotores a 90° en el sentido de las agujas del reloj, visto desde la máquina MOVIL, tomar las lecturas de los diales. En la figura A9 se han obtenido 0.15 mm en el radial y 0.07 mm en el axial. La influencia de los SAG´s en este punto es insignificante. Girar ambos rotores a 180° en el sentido de las agujas del reloj, visto desde la máquina MOVIL, tomar las lecturas de los diales. En la figura A9 se han obtenido: En el radial 0.3 mm, ( 0.3 + 2 x SAGr = 0.3 + 2 x 0.03 = 0.36 mm ), o sea la medida real radial es de 0.36 mm. En el axial - 0.11 mm, (- 0.11 - 2 x SAGa = -0.11 - 2 x 0.01 = -0.13 mm), o sea la medida real axial es de 0.13 mm.

•

Girar ambos rotores a 270° en el sentido de las agujas del reloj, visto desde la máquina MOVIL, tomar las lecturas de los diales. En la figura A9 se han obtenido 0.15 mm en el radial y 0.08 mm en el axial. La influencia de los SAG´s en este punto es insignificante.

•

•

Figura A9. Método de la Excentricidad y el Paralelismo Sí las lecturas antes de ser corregidas por efecto de los SAG´s son consistentes, entonces la suma de las medidas horizontales debe ser igual a la suma de las medidas verticales (+/- 0.05 mm). Si las lecturas son consistentes, entonces graficar a escala; El paralelismo y la excentricidad de la máquina móvil en el plano vertical, tal como se muestra en la figura A10, proyectar el eje y por semejanza de triángulos determinar la cantidad a mover los apoyos de la máquina móvil para lograr alinear con el eje de la máquina fija.

Figura A10. Calculo de la Corrección por Semejanza de Triángulos

•

Del mismo modo corregir el desalineamiento en el plano horizontal con las lecturas a 90° y 270°, en este ejemplo el alineamiento horizontal es correcto.

12.2 Método de Alineamiento por el Método del Dial Invertido por Planos Alineamiento en Frío por el “Método del Dial Invertido por Planos”: Descripción del Método: El método que se va ha describir es una variante del “Método por Dial Invertido Fundamental” y su procedimiento es el siguiente (Ver Figura A11): •

•

•

Las medidas realizadas con el dial deben ser tomadas mirando desde la máquina móvil. PLANO VERTICAL: Se fija el cero del dial en la parte inferior y se gira ambos ejes 180° y se toma la medida de la parte superior. PLANO HORIZONTAL: Se fija el cero del dial en la parte derecha y se gira ambos ejes 180° y se toma la medida de la parte izquierda.

Figura A11. Método del Dial Invertido por Planos •

Los pasos anteriores deben realizarse tanto en la máquina móvil como en la fija.

•

VENTAJAS: Se disminuye el porcentaje de errores de lectura realizadas utilizando el “método de dial invertido fundamental”.

Figura A12. Calculo de la Corrección por Semejanza de Triángulos 13. Alineamiento con Rayos Láser El sistema de alineamiento láser es más rápido, preciso y fácil, algunos fabricantes han adicionado funciones expertas para alinear trenes de maquinas, acoples tipo cardán, maquinas con ejes que no giran y también tiene un programa especial para la medición de la planitud. El sistema completo consiste de lo siguiente: •

computadora

•

emisor de láser

•

receptor de láser

•

cable de conexión de la computadora al receptor

•

soportes compactos tipo cadena

Figura A13. Alineador láser de Última Generación 13.1 Principios de Medición con un Rayo Láser y un Reflector

Figura A14. Medición del Desalineamiento Angular con un Rayo Láser y un Reflector

Figura A15. Medición del Desalineamiento Paralelo con un Rayo Láser y un Reflector Con esta tecnología de un único rayo láser reflejado, se mide cuatro (4) veces el desalineamiento angular o el paralelismo real entre ejes.

13.2 Principios de Medición con Doble Rayo Láser – Reflector

Figura A16. Medición del Desalineamiento Paralelo con Doble Rayo Láser Reflector Con esta tecnología de un doble rayo láser, se mide dos (2) veces el paralelismo real entre los ejes.

Figura A17. Medición del Desalineamiento Angular con Doble Rayo Láser Reflector Con esta tecnología de doble rayo láser reflejado, se mide dos (2) veces el ángulo real entre los ejes.

13.3 Principios de Medición con un Rayo Láser y un Receptor Especial •

El rayo láser usado para medir alineamiento sale del emisor (en el grafico se muestra montado en la maquina de la izquierda).

•

El rayo rojo brillante pasa por encima de las bridas del acople.

•

El rayo entra en el receptor , donde encuentra un sistema de posición.

•

•

•

•

•

Este componente descarga las medidas del alineamiento real a la computadora en términos de coordenadas del rayo. El receptor también mide y reporta el ángulo de giro de los ejes asociado con cada grupo de mediciones tomadas. Cuando se giran los ejes, cualquier desalineamiento provoca que el rayo láser se mueva ligeramente con respecto al receptor. La computadora usa el desplazamiento exacto para calcular la condición del alineamiento entre ejes. Al introducir las dimensiones entre apoyos y entre ejes de la maquina la computadora puede calcular los desplazamientos necesarios de los apoyos de las maquinas para lograr un correcto alineamiento.

Figura A18. Medición del Desalineamiento con un Rayo láser y un Receptor Especial El Láser de ROTALIGN ® PRO 1.

El emisor de láser del ROTALIGN PRO es alimentado por una batería simple de 9V.

2.

El semiconductor de láser usado emite una luz en el rango de rojo (longitud de onda 670nm) y tiene una energía de menos de 1mW.

3.

El láser opera por pulsos, bajo un patrón aleatorio, lo cual es indicado por el LED de control ubicado en la parte frontal del transductor.

4.

La única precaución de seguridad que debe tomarse en cuenta con el láser Clase II es evitar verlo directamente.

Figura A19. Partes del Alineador láser Rotalign Pro

Figura A20. Emisión por Pulsos del Alineador láser

El receptor del ROTALIGN ® PRO 1.

El receptor contiene dos detectores de posición de láser, ubicados uno detrás del otro, los cuales miden la posición exacta del rayo láser a medida que los ejes son rotados.

2.

Los detectores son biaxiales, análogos, detectores fotoeléctricos de posición con resolución de 1µm (1/1000mm o 0.04 mils) y un área de 18 x 18 mm (0.7 x 0.7 in.) Cada uno, de los cuales el rango linearizado mide 10 x 10 mm (0.4 x 0.4 in.). Además, el receptor contiene un inclinómetro electrónico con precisión menor a 2° para medir el ángulo de rotación de los ejes.

3.

El receptor también tiene 2 LED's en su parte frontal, uno verde y el otro rojo, para indicar el ajuste del rayo. El receptor es alimentado por la computadora del ROTALIGN PRO vía el cable por el que pasan los datos de medición. También se puede usar una conexión infrarroja.

4.

Tenga cuidado en mantener siempre el lente del receptor limpio todo el tiempo, ya que el polvo y las huellas digitales pueden provocar resultados erróneos de medición. Usar la tela fina que viene con el equipo para limpiar los lentes.

Figura A21. Receptor Especial del Alineador láser Rotalign Pro

Figura A22. Vista de Corte del Receptor Mostrando los Dos Detectores Detectores de medición del ROTALIGN ® PRO Cuando el rayo incide en este sistema con un ángulo, las coordenadas del rayo del primer detector difieren de las del segundo detector. Esta diferencia es medida y usada por la computadora para determinar el ángulo del rayo láser.

¿Cómo mide el ROTALIGN ® PRO desplazamiento y angularidad? El grafico ayuda a entender como se determinan los valores de alineamiento. Superior izquierdo: Cualquier desplazamiento entre Los dos ejes causarán un cambio igual de los valores en el eje Y1 y en y2 a medida que los ejes son rotados, esto es, para cualquier posición del eje: Offset = Y

1 (o Y2)

Figura A23. Como Calcula el Alineador Láser Rotalign Pro, el Desalineamiento Paralelo y Angular Superior derecho: Cualquier angularidad relativa entre los ejes puede determinarse por diferencia entre los valores Y1 e Y2, esto es para cualquier posición del eje: Angularidad = Y

1 - Y2

14. Calculo de la Compensación Térmica Algunas máquinas operan a temperaturas lo suficientemente altas para causar una dilatación o expansión térmica de la carcasa, que causa el desplazamiento relativo entre los ejes desde su posición estacionaria en “frió”. Si se conocen la dirección y el valor de la dilatación, entonces las maquinas pueden ser desalineadas a propósito, para que cuando trabajen a su temperatura normal de operación, los ejes se encuentren bien alineados. Las especificaciones de desalineamiento en frió, generalmente son dados por los fabricantes de la máquina y están expresados en términos de lecturas de diales comparadores.


Figura A24. La Expansión Térmica

Figura A25. Programa de Cálculo de la Expansión Térmica


15. Tolerancias de Alineamiento

Figura A26. Tabla de Tolerancias de Alineamiento 16. Alineamiento de Máquinas Embridadas Estas maquinas pueden ser verticales u horizontales, en cualquiera de los dos casos las correcciones del alineamiento se hacen directamente en la brida. La angularidad se corrige insertando o quitando lainas entre las bridas y el paralelismo se corrige moviendo la brida en forma lateral.


Figura A27. Alineamiento de Máquinas Embridadas 17. Alineamiento de Ejes con Acoples Tipo Cardán Alinear maquinas acopladas con cardán requiere el uso de brackets (soportes) especiales. Los ejes cardan están normalmente instalados con ejes espaciadores a un ángulo considerable (usualmente 4° a 6°) para asegurar suficiente circulación del lubricante, que a su vez previene que las uniones universales se agarroten. Excesivo desalineamiento en tal configuración causa una rápida fluctuación de los RPM del eje conducido durante operación, que causan graves particulares consecuencias a los motores AC síncronos y asíncronos electrónicamente controlados. El alineamiento preciso reduce las irregularidades rotacionales del eje cardán al mínimo, de tal forma que las cargas en los rodamientos durante la rotación del cardan son minimizadas, el tiempo de vida de los componentes mejora y las fallas inesperadas en la maquina se reduce.


Figura A28. Alineamiento de Cardanes 18. Ejercicios de Alineamiento 18.1 Hallar los valores de corrección del desalineamiento Vertical y Horizontal, utilizando el Método de la Excentricidad y el Paralelismo (Ver Figura A29).

Figura A29. Medidas de la Excentricidad y el Paralelismo TÉCNICAS DE ALINEAMIENTO Y BALANCEO

18.2 Hallar los valores de corrección del desalineamiento Vertical y Horizontal, utilizando el Método del Dial Invertido por Planos (Ver Figura A30).

Figura A30. Medidas del Desalineamiento Radial

Bibliografía: 1. Pruftechnik Alignment, Training Participant Handbook of Edition July 2000. VIB 9.639G.

Rotalign Pro,

2. Martínez, Ciro; Análisis Vibracional en Equipos Rotativos y el Mantenimiento Predictivo. ASME International, New York USA. 2da Edición 2003.


TÉCNICAS DE BALANCEO DINÁMICO Introducción El desbalance es una condición que existe en un rotor cuando una fuerza o movimiento vibratorio es transmitido a sus cojinetes como resultado de las fuerzas centrífugas, esta fuerza dependerá de la velocidad de rotación y de la cantidad de desbalance. Fuerza Centrífuga (Kg) = 111.786x10 -10 (m.g.R) (RPM) 2 F = 111.786x10-10 W.R (RPM) 2

(1)

m g = W = Peso en gramos (gr). R = Radio (cm)

Figura B1, Las Fuerzas por Desbalance de un Rotor son Equivalentes a una Fuerza Estática y a un Par Dinámico La cantidad de desbalance se expresa con el producto m R (gr masa - cm), puede convertirse a otro radio variando la masa de acuerdo a la siguiente ecuación. TÉCNICAS DE ALINEAMIENTO Y BALANCEO

Desbalance = m1 R1 = m 2 R2 =........= m 1 R1

(2)

En las ecuaciones (1) y (2) se observa que la fuerza centrífuga es función del cuadrado de la velocidad de rotación del rotor y directamente proporcional al desbalance. La sumatoria de todas las fuerzas radiales producto de una distribución desigual del peso del rotor con respecto a su centro de rotación es igual a una fuerza resultante (FR= Estático) y a un momento (par dinámico). La fuerza estática (F R) se transmite a los apoyos A y B, en la misma dirección y sentido, el par dinámico se transmite también a los apoyos A y B con fuerzas de igual magnitud pero de sentido contrario. La sumatoria de las dos fuerzas por efecto estático y por efecto dinámico tanto en el apoyo A como en el B, causan vibraciones, tal como se indica en la figura B1.

Figura B2, Descomposición de las Vibraciones en los Apoyos A y B en una Vibración Estática y un Par Dinámico Al graficar en un diagrama polar las vibraciones V A y V B podemos descomponer en: Una vibración (V estática); por efecto de la fuerza estática F R. Dos vibraciones (PAR A y PARB), por efecto del par dinámico (ver figura B2) En este gráfico polar, considerando las magnitudes de las vibraciones estática y dinámica, podemos determinar que tipo de desbalance es el más importante; si el TÉCNICAS DE ALINEAMIENTO Y BALANCEO

par dinámico es despreciable entonces el desbalance estático es el más importante y el rotor puede ser balanceando utilizando el procedimiento de balanceo para un solo plano y si ambos son importantes entonces el rotor debería ser balanceado en dos planos.

Figura B3, Eliminación de las Fuerzas Estática y Dinámica con Adición de Masas El desbalance estático puede ser eliminado instalando dos pesos de corrección en los planos I y II (son iguales si están ubicadas a un mismo radio), tal como se indica en la figura B3, que ambas generan una fuerza centrífuga igual y opuesta a la fuerza estática (FR). El desbalance dinámico puede ser eliminado instalando dos masas ubicadas una de otra a 180° en los planos I y II, que producen un momento o par opuesto al par dinámico. TÉCNICAS DE ALINEAMIENTO Y BALANCEO

1.

Balanceo de Rotores en Un Plano Este tipo de rotores es común en; engranajes, bombas, poleas, volantes, turbinas, etc., para balancear estos rotores hay que seguir el siguiente procedimiento:

Figura B4, Rotor con dos Apoyos y dos Planos para Balancear Las amplitudes y ángulos de fase de las vibraciones iniciales del rotor son: V AO: 12 a 25°

VBO: 27°

12,3

a

Para decidir en cuantos planos balancear, es necesario graficar las vibraciones de ambos apoyos en un diagrama polar, en la figura B5 se observa que el desbalance estático es más significativo que el par dinámico; por lo tanto, se debe balancear en un solo plano.


Figura B5, Gráfico Polar de las Vibraciones 1.1 Selección del Peso de Prueba Para calcular el peso de prueba, se considera que; cada apoyo soporta 50% del peso del rotor o sea W = 15 Kg, entonces el peso de prueba debe ser seleccionado de tal manera que genere una fuerza centrífuga igual al 20% de su carga estática, Peso de Prueba = PP (gr) = 35782656 W / ( RPM2 D) Peso de Prueba = 35782656 x 15 / (950 2 x 60) = 9.91 gr Peso de Prueba = 9.91 gr

1.2 Cálculo de la Fuerza Centrífuga Para comprobar, si es correcto el peso de prueba calculado; es necesario calcular la fuerza centrífuga que genera dicho peso y debe ser igual o menor que el 20% de la carga que soporta el apoyo. Fuerza Centrífuga = 55.893x10-10 (PP) D RPM 2 Fuerza Centrífuga = 55.893x10-10 x 9.91 x 60 x 950 2 = 3 Kg Fuerza Centrífuga = 3 Kg TÉCNICAS DE ALINEAMIENTO Y BALANCEO

Como 3 Kg es igual al 20% del peso que soporta el apoyo (15 Kg); entonces el peso de prueba seleccionado es correcto y no existirá ningún riesgo de alta vibración en el equipo por error en la selección del peso de prueba. Antes de proceder a efectuar las pruebas de balanceo se debe escoger un punto de referencia, para el rotor; el técnico balanceador siempre observará del lado derecho, tal como se indica en la figura B6.

Figura B6, Punto de Referencia del Balanceador con Respecto al Rotor Las coordenadas polares fijas al rotor, para cada uno de los planos es la siguiente:


Figura B7, Coordenadas Polares Fijas al Rotor, Visto desde el Punto de Referencia 1.3 Corrección del Desbalance en Un Plano (Método Gráfico) Eliminar el desbalance en un solo plano, significa calcular el peso de corrección a partir de las lecturas de uno de los apoyos, por ejemplo el B y se corrige en el plano más conveniente por ejemplo el Plano II (PL:II). •

Tomar la vibración inicial en B y graficar a escala en coordenadas polares, tal como se indica en la figura B8: VBO: 12.3 a 27°


Figura B8, Gráfico a Escala de la Lectura Inicial VBO en un Diagrama Polar •

Colocar un peso de prueba en el Plano II (PL:II). PPII: 9.91 gr a 0°

•

Tomar la vibración en B, con el peso de prueba y graficar a escala en las coordenadas polares, tal como se indica en la figura B9: VBO+TII: 15 a 225°


Figura B9, Gráfico a Escala de la Lectura de la Primera Prueba VBO+TII en un Diagrama Polar •

Cálculo del Peso de Corrección del desbalance, se traza un vector del extremo del vector V BO al extremo del vector V BO +TII y se le llamará vector VTII, tal como se indica en la siguiente figura B10: a.

Magnitud de VTII: 26.97

b.

Cálculo del peso de corrección: Peso de Corrección (P.C.) = PP II VBO / V TII Peso de Corrección (P.C.) = 9.91 x 12.3 / 26.97 P.C.: 4.52 gr

•

Medir el ángulo entre los vectores V BO y V TII: 9.9°


•

Aplicar la Regla de Ubicación del Peso de Corrección: VBO ha variado por efecto del peso de prueba a VBO+TII y el giro del vector ha sido antihorario; entonces el ángulo de corrección de 9.9° será en sentido horario (siempre es en sentido contrario) a partir de la posición del peso de prueba y visto desde el punto de referencia del balanceador.

Figura B10, Método Gráfico para Hallar la Magnitud y Orientación Relativa del Vector Producto del Peso de Prueba •

Toma de vibraciones de comprobación; Sí las vibraciones en el apoyo B no han disminuido apreciablemente, afinar el balanceo considerando; VBO: 12.3 a 27° PPII: 4.52 gr. A 9.9° VBO+TII: Toma de comprobación


1.4 Práctica de Cálculo e Instalación de Pesos de Corrección Durante el Proceso de Balanceo •

Puntos Disponibles Cuando se tiene un rotor, por ejemplo un acoplamiento con 6 pernos ubicados a 60° cada uno y se desea colocar un Peso de Corrección de 20 gramos a un ángulo de 75°, tal como se indican en la figura B11, es necesario descomponer el Peso de Corrección en dos pesos ubicados en los puntos disponibles más cercanos. Hay calculadoras programadas para descomponer un vector resultante en dos componentes ubicados en ángulos disponibles si no se tiene se puede solucionar gráficamente, tal como se indica en las figuras B12, B13 y B14.

Figura B11, Gráfico Polar, se Indica las Seis Posiciones Disponibles para Ubicar los Pesos de Corrección.


Figura B12, Peso de Corrección Representado por un Vector Resultante (magnitud y ángulo)

Figura B13, Trazar un Paralelogramo a Partir del Extremo del Vector Resultante


Figura B14, Medición de los Componentes Ubicados en las Posiciones Disponibles •

Suma de Pesos de Corrección Al afinar el balanceo de un rotor es común tener mas de dos pesos en un mismo plano, si es una turbina hay que quitar peso y la calidad del trabajo se observa en la presentación de la corrección si hay varios puntos donde se ha quitado peso el trabajo es de mala calidad; por lo tanto es deseable tener un solo peso de corrección equivalente. Por ejemplo, se tienen los siguientes pesos de corrección; 20 gramos a 0°, 10 gramos a 30° y 5 gramos a 45°, tal como se indican en la figura B15, es necesario hallar el Peso de Corrección resultante y su posición angular. Hay calculadoras programadas para hallar el vector resultante; si no se tiene, se puede solucionar gráficamente, tal como se indican en las figuras B16, B17 y B18.


Figura B15, Tres Pesos de Corrección que Serán Combinados en un Equivalente

Figura B16, Trazar el Primer Peso de Corrección 20 Gramos a 0° Como un Vector a Escala


Figura B17, Trazar el Segundo Peso de Corrección 10 Gramos a 30° como un Vector a Escala y a Partir del Extremo del Primer Peso de Corrección

Figura B18, Trazar el Tercer Peso de Corrección 5 Gramos a 45° Como un Vector a Escala, a Partir del Extremo del Segundo Peso de Corrección y Trazar el Vector Resultante “R” TÉCNICAS DE ALINEAMIENTO Y BALANCEO

2.

Balanceo de Rotores en Voladizo Este tipo de rotores es común en; ventiladores y bombas. Ha veces es difícil balancear este tipo de rotores debido al efecto cruzado, para balancear estos rotores ha que seguir el siguiente procedimiento:

Figura B19, Rotor en Voladizo con dos Apoyos y dos Planos para Balancear Nota: El diámetro D es medido en el perímetro donde se van ha instalar o quitar los pesos de corrección y el peso del rotor es total incluido el eje. Por ejemplo, las vibraciones iniciales de un rotor en voladizo que deseamos balancear son las siguientes: V AO: 15 a 25°

VBO: 20 a 145°

2.1 Selección del Peso de Prueba Para calcular el peso de prueba se considera el apoyo más cargado, en rotores en voladizo, el apoyo B es el que soporta todo el peso del rotor, entonces el peso de prueba debe ser seleccionado de tal manera que genere una fuerza centrífuga igual al 20% de su carga estática. Peso de Prueba = PP (gr) = 35782656 W / (RPM2 D) Peso de Prueba = 35782656 x 50 / (1726.8 2 x 60) gr Peso de Prueba = 10 gr TÉCNICAS DE ALINEAMIENTO Y BALANCEO

2.2 Cálculo de la Fuerza Centrífuga Para comprobar, si es correcto el peso de prueba calculado; es necesario calcular la fuerza centrifuga que genera dicho peso y debe ser igual o menor que el 20% de la carga que soporta el apoyo más cargado. Fuerza Centrífuga = 55.893x10-10 (PP) D RPM 2 Kg Fuerza Centrífuga = 55.893x10-10 x 10 x 60 x 1726.8 2 = 10 Kg Fuerza Centrífuga = 10 Kg Como 10 Kg es igual al 20% del peso que soporta el apoyo B (50 Kg); entonces el peso de prueba seleccionado es correcto y no existirá ningún riesgo de alta vibración en el equipo por error en la selección del peso de prueba. Antes de proceder a efectuar las pruebas de balanceo se debe escoger un punto de referencia, para el rotor en voladizo; el técnico balanceador siempre observará el lado derecho, tal como se indica en la figura B20.

Figura B20, Punto de Referencia del Balanceador con Respecto al Rotor Las coordenadas polares fijas al rotor, en cada uno de los planos son las siguientes:


Figura B21, Coordenadas Polares Fijas al Rotor en los Planos I y II Visto desde el Punto de Referencia 2.3 Corrección del Desbalance Estático Eliminar el desbalance estático (un solo peso) en rotores en voladizo, significa calcular según el procedimiento de balanceo en un plano, los pesos de corrección a partir de las lecturas del apoyo B y se corrigen en el plano más cercano (PL:I). •

Colocar un peso de prueba en el plano (PL:I). PPI: 10 gr a 0°

•

Toma de vibraciones en el apoyo B. VBO+TI: 18 a 270°

•

Cálculo del Peso de Corrección del desbalance estático. P.C.(PL:I): 5,93 gr a 334.07°

•

Toma de vibraciones de comprobación; Sí las vibraciones en el apoyo B no han disminuido apreciablemente, afinar el balanceo considerando; VBO: 20 a 145°


PCI: 5,93 gr a 334.07° VBO+TI: Toma de comprobación

2.4 Corrección del Par Dinámico Eliminar el par dinámico (un par de pesos) en rotores en voladizo, significan calcular según el procedimiento de balanceo en un plano, los pesos de corrección a partir de las lecturas del apoyo A, se corrigen en el plano más alejado (PL:II) y para no variar el balanceo estático se coloca otro peso igual en el plano más cercano (PL:I) pero a 180° . •

Las vibraciones iniciales luego de haber minimizado las vibraciones en B, son las siguientes: V AO: 15 a 25°

•

VBO: Valores bajos

Colocar un peso de prueba en el plano (PL:II) y otro peso igual en el plano (PL:I) a 180°. PPII: 10 gr a 0°

PPI: 10 gr a 180°

Notar que ahora la referencia es el PL:II •

Toma de vibraciones en el apoyo A. V AO+TII : 35 a 60°

•

VBO: Valores bajos

Cálculo del Peso de Corrección del par dinámico (Ver Figura B22). P.C.(PL:II): 6,18 gr a 235.75°

P.C.(PL:I): 6,18 gr a 55.75°

Nota: El ángulo de ubicación de los pesos de corrección en ambos planos, se mide desde el punto de referencia, que es la posición del peso de prueba de 10 gr instalado a 0° en el plano II


Figura B22, Ubicación de los Pesos de Corrección en los Planos I y II •

Cálculo del Peso Equivalente de Corrección en el Plano I

Figura B23, Magnitud y Posición del Peso Equivalente en el Plano I •

Toma de vibraciones finales V A: Valores bajos


VB: Valores bajos

3.

Balanceo Multiplanar El desbalance de los rotores se dividen en dos tipos; el estático (una sola fuerza) y el dinámico (un par de fuerzas), para balancear rotores multiplanares se realizan por el Método de la Derivación del Par. Por ejemplo, para balancear un rotor de cinco planos de balanceo (ver Figura B24), en una balanceadora universal, se sigue el siguiente procedimiento:

Figura B24, Rotor con Cinco Planos de Balanceo 3.1 Lecturas Iniciales LADO IQUIERDO

O I : 7 a 10º

LADO DERECHO

OD : 6 a 120º

Al graficar los vectores OI y OD (ver figura B25), podemos derivar los vectores de los desbalances; estático (E O) y el par dinámico (P I, PD) EO = 3.8 a 59º PI = 5.4 a 338º PD = 5.4 a 158º


Figura B25, Diagrama Polar del Desbalance Inicial y Derivación de los Desbalances; Estático y par Dinámico Como los desbalances estático y dinámico no se afectan mutuamente entonces se pueden balancear ambos simultáneamente, con la finalidad de comprender el procedimiento empezaremos a balancear primero el desbalance estático. 3.2 Instalación del Peso de Prueba – Desbalance Estático Colocar un Peso de Prueba de 50 gramos, divididos en pesos de 10 gramos e instalados a igual radio y en la misma posición angular para los cinco planos de balanceo (o sea, agregamos un desbalance estático). Si no es posible instalar a igual radio se debe colocar el mismo desbalance en cada plano aplicando la siguiente fórmula de conversión; m1.r1.= m2.r2. 3.3 Lecturas con Peso de Prueba Los cinco pesos de prueba están instalados en 0°, el mismo ángulo para cada plano y generan un desbalance que solamente influye en el desbalance estático y no en el par dinámico: LADO IZQUIERDO:

(O+T) I : 8 a 346°

LADO DERECHO:

(O+T) D : 3 a 136°

EO+T = 2.8 a 2° TÉCNICAS DE ALINEAMIENTO Y BALANCEO

PI

= 5.4 a 338°

PD

= 5.4 a 158°

Podemos observar en la figura B26, que los vectores del par dinámico P I y PD permanecen iguales.

Figura B26, Diagrama Polar del Desbalance Inicial más el Desbalance Estático de Prueba 3.4 Corrección del Desbalance Estático En el diagrama polar de la figura B27, son graficados los desbalances estáticos EO y EO+T, luego se calculan el peso y el ángulo de corrección por los métodos tradicionales. Al agregar los pesos de prueba en los cinco planos el vector EO varió en sentido antihorario y llegó a ser E O+T; entonces la posición del peso de corrección será de 46° y en sentido horario. EO

= 3.8 a 59°

EO+T = 2.8 a 2° ET

= 3.25 a 285°

Peso de Corrección = Peso de Prueba EO ÷ ET ×


Peso de Corrección = 50 gramos 3.8 ÷ 3.25 = 58.46 gramos ×

Peso de Corrección por Plano = 58.46 gramos ÷ 5 planos = 11.69 gr

Figura B27, Diagrama Polar; Solución del Desbalance Estático Colocar 11.69 gramos en cada plano de corrección, al mismo radio y a 46° medidos a partir de la ubicación inicial del peso de prueba y en sentido horario, con ésta adición de pesos se habrá eliminado el desbalance estático y quedará solamente el par dinámico, si no se ha logrado disminuir el desbalance estático repetir el procedimiento hasta minimizar sus valores. 3.5 Corrección del Par Dinámico Para corregir el par dinámico será necesario instalar en los planos de corrección 1 y 5, un par de pesos opuestos (a 180° ), para éste ejemplo se toma como referencia el plano 1, o sea la ubicación del peso de prueba en este plano es a 0° y las correcciones se calcularan con las lecturas del apoyo izquierdo. Al eliminarse el desbalance estático las lecturas iniciales son: LADO IZQUIERDO:

PI = 5.4 a 338°

LADO DERECHO:

PD = 5.4 a 158°


•

•

•

Colocar un Peso de Prueba de 10 gramos a 0° en el plano 1 y otro de 10 gramos a 180° en el plano 5, conservando el mismo radio o el mismo desbalance. Lecturas con el Par de Pesos de Prueba: LADO IZQUIERDO:

PI+T = 6 a 300°

LADO DERECHO :

PD+T = 6 a 120 º

Cálculos de corrección del par dinámico, en un diagrama polar son graficados los pares dinámicos P I y PI+T, luego se calcula el peso y ángulo de corrección por los métodos tradicionales PI

= 5.4 a 338º

PI+T = 6 a 300° PT = 3.75 a 237°

Figura B28, Diagrama Polar; Solución del par Dinámico •

Al agregar un par de pesos de prueba (10 gramos a 0° en el plano 1 y 10 gramos a 180° en el plano 5) P I varió en sentido antihorario y


llegó a ser PI+T (ver figura B28); entonces con respecto al plano 1, la posición del peso de corrección será a 79° y en sentido horario. Peso de Corrección = Peso de Prueba PI ÷ PT ×

Peso de Corrección = 10 gramos 5.4 ÷ 3.75 = 14.4 gramos ×

Colocar 14.4 gramos a 79° y en sentido horario en el plano 1. Colocar 14.4 gramos a 259° y en sentido horario en el plano 5. Conservar el mismo radio o desbalance, no olvidar que los ángulos se miden a partir de la ubicación inicial del peso de prueba en el plano 1; con la adición de los pesos de corrección se habrá eliminado el par dinámico. •

Pesos de Corrección por cada plano Plano 1:

11.69 g a 46° + 14.4 g a 79° = 25.03 g a 64.26°

Plano 2, 3 y 4: 11.69 g a 46° Plano 5:

11.69 g a 46° + 14.4 g a 259° = 7.85 g a 313.18°


4.

Normas de Calidad de Balanceo


Tabla 13. Clasificación de Rotores Clasificación del Rotor (Calidad del balanceo) G 40 G 16 G 6.3

G 2.5

G1 Balanceo de Precisión

G 0.4 Balanceo de Ultra Precisión

Descripción del Rotor (Ejemplos de tipos generales) Aro y Llantas de un carro de pasajeros Eje automotor Partes de maquinaría trituradoras y agrícolas. Ejes con requerimientos especiales Rotores de maquinaria de procesos. Tazones centrífugos, ventiladores. Volantes, bombas centrífugas. Maquinaria en general y partes de maquinas herramientas. Armaduras estándar de motores eléctricos. Turbinas a gas y a vapor. Sopladores, Rotores de Turbinas. Turbogeneradores. Accionamientos de máquinas herramientas. Armaduras de motores eléctricos grandes y medianas con requerimientos especiales. Armaduras de motores con HP fraccionados con requerimientos especiales. Accionamientos de bombas y turbinas. Rotores de turbinas de jets y de supercargueros. Accionamientos de grabadoras y de fonógrafos. Accionamiento de máquinas de molienda. Armaduras de motores con HP fraccionados con requerimientos especiales. Armaduras, ejes y volantes de máquinas trituradoras de precisión.


5.

Ejercicios 5.1 Un rotor de un motor eléctrico gira a 1780 RPM, pesa 50 kilos, un diámetro de 60 cm y tiene las siguientes vibraciones filtradas a las RPM del rotor: V1: 16 a 340° y V2: 17 a 343° a.

En cuantos planos se debe balancear y por qué.

b.

Calcular el peso de prueba.

c.

Al colocar el peso de prueba, se obtienen las siguientes vibraciones filtradas a las RPM del rotor; V1: 12 a 220° y V2: 12 a 217°

d.

Calcular los pesos de corrección y su ubicación.

e.

Calcular los pesos de corrección y su ubicación si el rotor tiene 8 puntos disponibles donde colocar los pesos.

5.2 Un rotor de un ventilador en voladizo gira a 3575 RPM, pesa 75 kilos, un diámetro de 50 cm y tiene las siguientes vibraciones filtradas a las RPM del rotor: V1 (lado del ventilador): 10 a 220° y V2 (lado libre): 14 a 330° 5.3 Calcular el peso de prueba. 5.4 Al colocar el peso de prueba en el ventilador en el lado más cercano del apoyo 1, se obtienen las siguientes vibraciones filtradas a las RPM del rotor; V1 (lado del ventilador): 4 a 145° Calcular los pesos de corrección y su ubicación del plano más cercano al apoyo 1. 5.5 Al colocar el peso de prueba en el ventilador en el lado más alejado y otro opuesto a 180° en el lado más cercano del apoyo 1, se obtienen las siguientes vibraciones filtradas a las RPM del rotor; V2 (lado libre): 18 a 120° TÉCNICAS DE ALINEAMIENTO Y BALANCEO

Tecnicas Alineamiento y Balanceo x Ciro Martínez

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