Que es Balanceo - Como apareció - Fundamentos

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El primer esfuerzo de balanceo de masas fue probablemente la distribución de masa en las embarcaciones marinas para evitar que se volcaran. Casi nada se conoce de los primeros intentos en el desarrollo de esta tecnología pero sabemos que fueron seguros como lo recuerda la historia. Los antepasados navegaban en alta mar con barcos muy cargados y pesados sin voltearse excepto en las tormentas más severas. La situación hoy es la misma solo que el acero ha reemplazado la madera como material estructural.

Los parámetros que ellos debían de entender y controlar para un viaje exitoso a través del agua fueron:

 -         Peso total

-         Posición del centro de gravedad

-         Momento de inercia

           Es de hacer notar, que estos mismos parámetros deben ser controlados para los viajes aeroespaciales exitosos en la actualidad.

          El primer tipo de balanceo fue una labor de diseño que aseguraba una distribución simétrica de masas. El siguiente evento en la historia que necesitó de balanceo fue  probablemente la rueda, la redondez de la circunferencia exterior de la rueda fue controlada para un transporte estable sin mucha vibración; estas fueron hechas en algunos tipos de máquinas rotativas o posicionadores y poseía una forma redonda precisa. Este mismo posicionador para el giro de las ruedas podía ser fácilmente adaptado en el balanceo estático.

          El primer tipo de máquina balanceadora debió haber sido una de balanceo estático. La calidad de balanceo es dependiente de la fricción en los cojinetes de la máquina balanceadora. El desarrollo de los cojinetes y la necesidad para el balanceo son dos tecnologías que tiene su dependencia entre sí a través de la historia.

          Los antepasados no estudiaron un cuarto parámetro que debe ser conocido y controlado; el producto de inercia, o desbalance de par de fuerzas. Este parámetro llegó a ser  significante, y comparable al desbalance estático cuando el tamaño y velocidad de los rotores se incrementaron durante la revolución industrial.

            A través del desarrollo de la tecnología y la necesidad de velocidades de operación cada vez más altas; se ha tenido que perfeccionar los sistemas de estabilización en el funcionamiento de maquinas rotativas, para lograr  minimizar los efectos producidos por las vibraciones debido a que los materiales estructurales no son de densidad constante en todos sus puntos.

          El propósito fundamental del balanceo es encontrar la cantidad y localización de las masas equivalentes desequilibradas en cada uno de los planos de estudio elegidos; y así calcular el valor y la situación de las masas adicionales necesarias para equilibrar el elemento rotatorio en cuestión.

          Con el balance de los elementos rotativos podemos encontrar otros beneficios derivados de esta acción como lo son:

·     Reducción de el efecto fatiga en ejes

·     Aumento de la vida útil de la máquina

·     Obtención de altas velocidades de trabajo

·     Disminución del desajuste de las piezas

·     Máquinas más silenciosas

HISTORIA DEL BALANCEO

·     1850  Solo era utilizado el balanceo estático, fue uno de los conocimientos prácticos que un maquinista de precisión se suponía que conociera; las máquinas rotatorias del día eran las ruedas de trenes máquinas de vapor ruedas de vagones y bombas de baja velocidad. Las velocidades eran bajas  y la necesidad para reducir la fuerza centrífuga  debido a la rotación de un peso fue mínima.

·     1910  Fue construida la primera máquina de balanceo en Alemania  por Carl Schenck.

·     1930   Máquina de balanceo flexible; la cual fue equipada con un sensor de espiras móviles originalmente desarrollado para altavoces de radio, este fue el primer trasductor de vibración eléctrico. La posición de un cojinete (1), el plano pivote (2) , soportado sobre una barra nodal (3) , era considerada rígida y el otro flexible, siendo suspendida por un resorte. 

         

La idea fue que un desbalance en el plano A no causaría movimiento sobre el extremo B.

 El plano B era balanceado como un plano individual .El lado B era entonces pivoteado y el lado A era soportado con resorte y se repetía el procedimiento. El método de balanceo en un plano individual corregía problemas de desbalance en dos planos mientras anulaba el efecto cruzado. Algunas máquinas de balanceo flexibles podían ser usadas en esta manera por cerradores o haciendo rígido uno de los soportes esta máquina es usada todavía en las operaciones de balanceo de producción.

·     1940  La separación de planos eléctricos reemplazó en un corto tiempo la separación de planos mecánicos, fue de fácil implementación porque los trasductores eléctricos estuvieron ya en uso sobre las máquinas de balanceo. La separación del plano eléctrico estuvo acompañada por el montaje de un rotor patrón perfectamente balanceado en una máquina balanceadora aplicando un desbalance conocido en uno de sus lados y midiendo la vibración en ambos lados. La vibración en el lado opuesto fue debido al efecto cruzado y un voltaje opuesto era generado igual a este efecto  ajustando a un potenciómetro para llevar la desviación de la aguja a cero. De esta forma la máquina de balanceo compensaba el efecto cruzado de rotores del mismo tipo y tamaño para balanceos subsecuentes.

Después de 1940 una interesante máquina fué construida por la compañia Stewart - Warner, una máquina balanceadora de resonancia. Esta soporta al rotor sobre el extremo de una viga en voladizo. La frecuencia en resonancia de la viga podía ser ajustada por el movimiento del punto de apoyo. Por la medición de la cresta de amplitud cuando el rotor giraba desde el inicio al final de la velocidad de resonancia del voladizo esta maquina fue sensible para pequeños desbalances. El propósito de esto fué usar la amplificación mecánica para hacer una máquina balanceadora más sensible. Era reconocido que la insensibilidad de los transductores  estuvo limitando la capacidad de las maquinas. Otro rasgo importante de ella  era  que podía detectar  desbalance estático y de par de fuerzas separadamente durante el mismo régimen de giro el rotor siendo balanceado podría mostrar dos crestas en resonancia durante el giro.

El punto de velocidad mas alto fue el modo de resonancia oscilante debido al desbalance por par de fuerza. El punto de velocidad mas baja fue el modo de resonancia rodante debido al desbalance estático. La máquina balanceadora de resonancia no es muy comercial pero muchos están todavía en uso en los talleres de reparación de los motores eléctrico.

·     1950  Cuatro tipos de máquinas balanceadoras fueron desarrolladas :

 - Estación de balanceo estático.

 - Máquina de balanceo en resonancia.

 - Máquina de balanceo sencillo:

                    - Con indicadores mecánicos.

                    - Con indicadores eléctricos.

·     Fueron construidas computadoras analógicas que dividieron la máquina balanceadora en forma de mecanismos registradores de vibración y una estación de trabajo de separación de planos, en esta misma década las máquinas balanceadoras eléctricas llegaron a ser sofisticadas en su calibración.

·     1960 La máquina balanceadora rígida llego a ser la escena principal, fue elaborada con prácticos transductores electrónicos sensibles y de baja interferencia, la principal ventaja ofrecida por ella era que no requería de calibración.

·  1970 Se adicionaron pequeñas cribas a los soportes de algunas máquinas balanceadoras flexibles. Esto se realizo con la finalidad de ejecutar la calibración de una forma estacionaria sin girar la pieza de trabajo. La idea era generar una fuerza de oscilación conocida sobre uno de los soportes de la pieza de trabajo y medir el efecto de la vibración sobre ambos soportes. Esto permitió determinar y compensar eléctricamente el efecto cruzado antes de la primera rotación.

·     1980 Se observo la llegada de la computación a las máquina de balanceo, especialmente las computadoras y filtros digitales. Las siguientes funciones fueron computarizadas:

- La medición de la vibración fue automáticamente leída y compensada.

- La calibración era automática.

- Los cálculos para las correcciones de peso eran automáticamente procesados.

- La documentación fue generada para las condiciones iniciales y finales para propósito de mantenimiento y datos estadísticos eran generados para el control de la calidad en la producción.

- El control de husillo del taladro para la remoción de pesos era automático.

          El balanceo computarizado represento el último avance tecnológico en máquinas de balanceo, hoy el mundo esta invadido de una gran variedad de máquinas para el balanceo que suplen necesidades individuales.

          Estaciones de balanceo estático, máquinas de balanceo dinámico del tipo rígido y flexible, máquinas balanceadoras de producción totalmente automáticas y algunos tipos mas viejas que no se producen ampliamente pero mantienen su utilidad.

          La parte mecánica de las máquinas de balanceo no han cambiado en gran medida de los diseños mas recientes. El rotor es todavía soportado sobre rodillos o bloques en V. Este es impulsado mediante un motor eléctrico a través de una transmisión por correa o por medio de una junta universal en uno de sus extremos.

 EQUILIBRIO ESTÁTICO

          Es  una variante del equilibrio dinámico, y este puede ser un sustituto aceptable  para el equilibrio dinámico y generalmente es más fácil de alcanzar. A pesar de su expresión la noción de equilibrio estático se aplica también a objetos en movimiento.

          Los requisitos para el equilibrio estático son simplemente que la suma de todas las fuerzas en el sistema móbil ( incluidas las fuerzas d`alambert ) deben ser igual a cero.

å F - ma  = 0

          Otro nombre para el balance estático es equilibrio en un plano, lo cual significa que todas las masas que generan las fuerzas inerciales están en, o casi en, el mismo plano. Algunos ejemplos de dispositivos comunes que cumplen con estos criterios, y pueden ser equilibrados estáticamente con exito, son:

·     Un engrane o polea montados en un eje

·     una rueda de bicicleta o motocicleta

·     un volante delgado

·     una hélice de aeroplano

·     un álabe de una turbina ( pero no la turbina completa )

          El común denominador de todos estos aparatos es que son de corta extensión en la dirección axial comparada con su magnitud en su dirección radial, y por tanto pueden ser considerados como cuerpos en un solo plano.

          Cualquier mecanismo que se quiera equilibrar estáticamente se puede modelar dinámicamente con tantos puntos como eslabones posea,  ubicados en el centro de gravedad de cada uno de ellos; cada uno de estos puntos materiales tiene la masa igual a la del eslabón que reemplaza y sostenido por varillas sin masa en las posiciones respectivas del mecanismo en estudio. Podemos determinar la magnitud y la localización necesaria de las masas de equilibrio ó balance que se deben sumar al sistema con el fin de satisfacer la ecuación de equilibrio. Suponiendo que el sistema gira con un movimiento angular constante la aceleración de las masas será entonces estrictamente centripeta ( Fc= w².r )  y las fuerzas inerciales serán centrífugas. Resolvemos la sumatoria de las fuerzas inerciales en sus componentes con el origen en el centro de rotación; sin tomar en cuenta las fuerzas externas ya que estas no pueden ser equilibradas mediante algún cambio en la geometría interna del sistema. Al desarrollar la ecuación de equilibrio nos damos cuenta que es diferente de cero y por ello debemos adicionar los términos de las masas equilibrantes ( m.r ); esto nos lleva a una infinidad de soluciones posibles. Seleccionando de valor de la masa se podrá evaluar el radio en la cual debe estar situada y en caso contrario elegir un radio deseado determinando la masa que debe ser colocada ahí.

BALANCEO DINAMICO

          Se denomina también equilibrio en dos planos. Requiere del cumplimiento de dos criterios. La suma de las fuerzas debe ser cero (balance estático) y la suma de los momentos tambíen debe ser cero.

                    å F = 0                    y                å M = 0

                    Estos momentos de fuerzas actúan en planos que incluyen el eje de rotación 

del conjunto. La dirección del vector momento o su eje es perpendicular al eje de rotación del ensamble.

          Cualquier cuerpo o sistema de rotación que sea relativamente largo en la dirección axial requiere de equilibrio dinámico para un balance completo.

es posible que un cuerpo se halle estáticamente en equilibrio pero no dinámicamente. Algunos ejemplos de dispositivos y máquinas que requieren equilibrio dinámico son :

- Rodillos laminadores.

- Ejes cigueñales

- Levas

- Ejes de soporte

-Engranajes múltiples.

- Rotores de motores eléctricos.

- Turbinas.

- Ejes de hélices propulsores.

          Para corregir el desbalance dinámico se necesita añadir o quitar la magnitud correcta de masa en las ubicaciones angulares apropiadas en dos planos de corrección separados alguna distancia a lo largo del eje. Esto creara las fuerzas contrarias para equilibrar estáticamente el sistema y también proporcionara un par contrario para cancelar el momento de volteo no equilibrado.

MEDICIÓN Y CORRECCIÓN DEL DESEQUILIBRIO

ESTÁTICO Y DINÁMICO

          Aunque es posible hacer mucho para garantizar el balance cuando diseñamos una máquina, las variaciones y tolerancias en la  fabricación dificultarán que un diseño bien equilibrado resulte con balance perfecto después de la construcción. Por ello se necesitan medios para medir y corregir el desbalance del sistema rotatorio. Quizá el mejor ejemplo acerca de  esto sea el conjunto de rin y llanta de la rueda de un automóvil con la cual la mayoría de persona está familiarizado. Si se fabrica para que resulte perfectamente uniforme geométricamente y de material homogéneo debe quedar en equilibrio perfecto pero normalmente esto no sucede; el bloque central o rin está mas cercano al balance en su fabricación, que la llanta neumática debido a la no rigidez de su material constituyente.

BALANCE ESTÁTICO

          Una vez  ensamblada  la llanta neumática al rin, debe ser equilibrada para reducir la vibración a altas velocidades. El método más simple es el equilibrado estático, aunque no es en realidad el mejor para tal procedimiento, ya que la llanta es axialmente gruesa en comparación con su diámetro, para hacerlo normalmente se coloca en el plano horizontal sobre un cono que pasa a través de su agujero central. Un nivel de burbuja se fija a la llanta, y se ponen pesas en diversas posiciones alrededor del rin hasta nivelarlo; estos pesos se unen luego al rin en tales puntos. Este es un balance en un solo plano y solamente cancela las fuerzas desequilibradas. No tiene ningún efecto sobre momentos de desbalance debido a la distribución dispareja de las masas a lo largo de su eje de rotación tampoco es muy exacto.

BALANCE DINÁMICO

          El mejor método es el del equilibrado dinámico, esto necesita del uso de una máquina para el equilibrio dinámico. Lo que va a ser balanceado se monta temporalmente sobre un eje llamado mandril que está apoyado en cojinetes dentro del equilibrador, estos dos cojinetes están montados en una suspensión que contiene un transductor, el cual mide la fuerza dinámica. Un tipo común de transductor de fuerza contiene un cristal piezo eléctrico que genera una tensión eléctrica proporcional a la fuerza aplicada. Dicha tensión se amplifica electrónicamente y se entrega al elemento de circuito o al microprocesador que puede calcular la magnitud pico y el ángulo de fase del pico citado con respecto a alguna señal de referencia en el tiempo. Dicha señal es proporcionada por un codificador de eje fijo al mandril el cual emite un pulso eléctrico breve por cada revolución exactamente en la misma posición angular. Este pulso activa la computadora para empezar a procesar la señal de fuerza. El codificador también proporciona un numero de pulsos adicionales con igual espaciamiento alrededor del perímetro de la sección transversal del eje. El conjunto por equilibrar se hace girar a una cierta velocidad angular, normalmente a través de una transmisión de fricción que está en contacto con su circunferencia, luego suprime el torque de impulso y se detiene el motor lo que permite al conjunto quedar en giro libre ( esto es para evitar mediar cualesquiera fuerzas debida a desbalance en el sistema de impulsión ).

          Con estos datos se pueden calcular las fuerzas desequilibradas netas y el momento desequilibrado neto, ya que se conoce la distancia entre las fuerzas del cojinete medidas. Los productos masa radio son necesarios en los planos de corrección en cada lado de la rueda, el radio de corrección es el rin de rueda, las masas de balance y las localizaciones angulares se calculan en cada plano de corrección con el fin de equilibrar el sistema dinámicamente. los pesos con las masas necesarias se fijan en los bordes interior y exterior del rin ( que en este caso son los planos de corrección ), en localizaciones angulares apropiadas; el resultado es una rueda (rin y llanta)  equilibrada dinámicamente con mucha presición.

CLASIFICACIÓN DE LA MAQUINA BALANCEADORA

          Las máquinas de balanceo centrifugo (giratorias) son clasificadas en dos categorías dependiendo del sistema de suspensión que soporta la pieza de trabajo. Estas dos categorias son “ flexibles ”  y “ rígidas ”.

          El termino flexible se refiere a que el sistema es soportado por un sistema de resortes permitiendo el movimiento libre del rotor. El concepto de rígido hace referencia a que el sistema es cerrado firmemente a un piso de concreto.

          Hay otra diferencia práctica entre los dos tipos. Primero es la necesidad de calibrar la máquina flexible para cada tipo de rotor porque el movimiento es dependiente del peso soportado. En contraste, la máquina rígida está permanentemente calibrada una vez instalada sobre su fundación, pero requiere que esta fundación sea substancialmente sólida y rígida.

          El diseño del sistema de suspención es el factor particular más importante de la máquina balanceadora, ya que determina su sensibilidad y linealidad.

TIPOS DE DISEÑO DE SISTEMAS DE SUSPENSIÓN

                    MAQUINAS BALANCEADORAS FLEXIBLES

Suspensión de junquillo invertido :

          Puede ser muy sensitivo pero sólo maneja piezas de trabajo cuyo peso no pandee el junquillo vertical.

 

Suspensión en voladizo :

          Fue usado en máquinas balanceadoras de resonancia. El punto de apoyo era movido para ajustar la frecuencia natural de la viga para velocidades y pesos de rotores diferentes.

Suspensión de elementos rodantes :

          Sufrió problemas de operación por la ganancia de suciedad en los rodillos y daños en la dureza de los mismos debido al duro manejo de las pesadas piezas de trabajo. Sin embargo esta suspensión es todavia acta para el manejo seguro de las cargas de rotores mas pesados dentro del diseño de las máquinas flexibes. Este sistema es muy sensitivo y su diseño es producido frecuentemente.

Suspensión de reacción pivotada :

          Puede ser utilizada en resonancia para obtener una alta sensibilidad por medio del ajuste y la rigidez del resorte.

Suspensión de péndulo :

          Dos tipos de suspensión de péndulo son usados sobre muchas máquinas balanceadoras flexibles en la actualidad y han resultado ser seguras ellas son flexibles o suaves en dirección horizontal y se mueven fácilmente debido al desbalance rotacional del rotor. Los dos tipos son :

·     De péndulo Pivotado

·     De péndulo flexible : No tiene limites en la capacidad de peso pero puede ser manejada. La frecuencia natural en la dirección horizontal se determina por la longuitud de los resortes en la placa.

Suspención rigida :

          Es suficiente rígidas para tener una frecuencia natural alta  pero es suficiente flexible  para proveer  algún movimiento para medir.

MAQUINAS  BALANCEO FLEXIBLES.

          La maquina de balanceo flexible opera por rotación de la pieza de trabajo a una velocidad por encima  de la frecuencia natural del sistema de suspensión.El sistema de suspensión es flexible y tiene una frecuencia natural en la región de 100 a 300 rpm(1.5 a 5 Hz) . Cuando se acelera  hasta la  velocidad de balanceo  la velocidad critica  del sistema  de suspensión debe ser atravesada. Son  empleados  dispositivos  de apriete  sobre la maquina para piezas de trabajo cargadas y para restringir el aumento de movimiento cuado se pasa por la velocidad de resonancia. Por encima de tal velocidad, la fuerza debido al desbalance tiene la fase desviada  180 grados del movimiento y la pieza de trabajo se mueve en dirección opuesta  a la fuerza de desbalance. La maquina funciona en una capacidad de auto balanceo por encima de frecuencia natural. Este es una importante caracteristica  y sirve para limitar excursiones peligrosas.

MAQUINAS DE BALANCEO RIGIDAS

          Esta maquina opera por rotación de la pieza de trabajo a una velocidad por debajo de la frecuencia natural del sistema de suspensión. La suspensión es rígidad y tiene una frecuencia natural  en la región  de 30000 a 120000 rpm (50 a 2000 Hz ). Las maquinas de balanceo rigidas y flexibles  pueden ambas balancear en un mismo rango de velocidad de 200 a 2000 rpm  aproximadamente. La diferencia está en la frecuencia natural del sistema de suspesión. Esto significa que la medición de la fase no desvía significativamente en una maquina rígida.

          Cuando se acelera hasta la velocidad de desbalanceo, la velocidad critica  del sistema de suspensión  nunca es atravesada. Por lo que nunca ocurre una inversión de fase. De hecho,la velocidad de balanceo es tan baja que la frecuencia del sistema de soporte que  mide la vibración está virtualmente en fase con el verdadero punto pesado para todas las velocidades. El efecto cruzado es mas facil de compensar.

          El sistema de suspención de este tipo de maquina restringe el movimiento ocasionado por el desbalance, existe muy poco movimiento disponible para detectar el desbalance sin embargo, los transductores de vibraciones modernos pueden detectar movimientos muy pequeños haciendo posible el uso de estas maquinas.

          En realidad la maquina de balanceo rigida permitio el desarrollo de filtros rastreadores que separen la señales pequeñas de interes en la presencia de perturbaciones los dispositivos electronicos son mas sofisticados en terminos de filtraje. El nivel de detección del desbalance todavía no iguala al que se obtiene a través de una maquina  balanceadora flexible.

          Cuando se opera en el rango de balanceo de una maquina rigida el rotor no se comporta como si fuera un cuerpo libre en el espacio, de hecho se comporta como si estuviese empotrado por lo que la fuerza centrífuga debido a este desbalance se transmite a los transductores a través del sistema de soportes. La ecuación básica de esta fuerza para una máquina rígida es:                            F= W.R.w²  /  g

W= Peso de desbalance

R= Radio del peso de desbalance

w= Velocidad angular

g= gravedad

          Fué una creencia errónea en el pasado que la maquina de balanceo rígida medía fuerzas directamente. Esto es falso los transductores de fuerzas también miden movimiento causado por la fuerza centrífuga.la fuerza o el movimiento es una función de la velocidad por lo que la sencibilidad de una maquina balanceadora rígida se reduce a bajas velocidades e incrementa a altas velocidades. Es de hacer notar que cualquier peso del rotor puede ser montado sobre la máquina, dentro del limite de su capacidad de peso, sin afectar su sensibilidad. La calibración para cada peso de la pieza de trabajo es innecesaria. Estas máquinas requieren de una fundación sóliday estable, debido a que las fuerzas del desbalance son transmitidas al piso sobre el cual descansa la máquina, y el mismo llega a ser parte del sistema de soporte. Como la inercia de la pieza no va ha absorver la energia de la vibración debido al desbalance ya que esta no tiene posibilidades de moverse mucho, esta energia es entonces transmitida a cualquier otra parte y es absorvida o amortiguada en áreas adyacentes. Por lo que, si una máquina va a ser instalada en las cercanias de máquinas de procesos sensibles a la vibració, debe ser considerada la incorporación de una estructura adicional de aislamiento. Esta fundación sirve para tres propósitos :

·     Evita que la máquina se traslade.

·     Absorve parte de la energia de la vibración causando menos molestias a las máquinas cercanas.

·     Permite mejores resultados de balanceo ya que la fundación sólida evita que las vibraciones externas sean medidas por los transductores

se recomiendan mas para ser usadas en balanceo de producción en serie,y  las flexible para mantenimiento y reparación. Las razones para la selecciónson muchas : conveniencias históricas, rango de velocidades, exactitud del diseño, seguridad, preferencias personales, y otras. desde una perspectiva práctica, la máquina de balanceo flexible es capaz de producir un nivel de balanceo mas fino.

INSTRUMENTOS PARA MEDICIÓN Y ANÁLISIS DE BALANCEO

          Como ya sabemos el propósito del balanceo es encontrar la cantidad y localización del punto pesado. Para tal fin se requiere la medición de dos cantidades físicas que son :

Þ  La amplitud de la vibración.

Þ  El angulo de fase.

          Los tres transductores de vibración mas comunes utilizados para medir la amplitud de las vibración son :

à     Acelerómetros

à     Sensores de velocidad

à     Probetas de proximidad.

          Además de estos, existen otros menos comunes tales como: indicadores de dial, interferómetros ópticos, extensómertros y transformadores diferenciales lineales variables.

SENSORES DE AMPLITUD :

          La selección de sensor de amplitud se dicta algunas veces por el instrumento de lectura en uso. Los tres sensores mas comunes son :

¨   El de proximidad, que no requieren un acondicionamiento adicional de la señal, pues su salida es de suficiente voltaje y de baja impedancia que puede ser conectado directamente al instrumento de lectura.

¨  Acelerómetro del modo voltaje de carga, que requiere de un suministro de potencia DC económica.

¨  Acelerómetro del modo-carga, requiere un amplificador de carga costoso.

          Los parametros de medición que usan cualquiera de los sensores son:

*    Desplazamiento. (mils)

*    Velocidad (in/sg)

*    Aceleración (g’s)

          La razon para no cambiar los parametros del tipo de sensor es el cambio de fase que ocurre y de la escala de la amplitud. Cambiar el desplazamiento a velocidad introduce un cambio de fase a 90°, además de una amplitud diferente. Cambiar la velocidad a aceleración crea otro cambio de fase de 90° y otro cambio en la amplitud. Por consiguiente, el parametro de la medición de la vibración no debe ser cambiado durante el esfuerzo de balanceo para evitar introducir errores de fase y cambios de amplitud. Si se usa velocidad se,  debe permanecer con la velocidad hasta que sea completado el trabajo de balanceo. Otro trabajo de balanceo puede iniciarse con otro sensor u otro parametro de amplitud.

Sensores para balanceo comunes

Tipo de sensor	Salida Proporcional	ventajas	Desventajas
Probetas de proximidad	desplazamiento	ningun contacto Miden Punto alto Baja frecuencia	difícil montaje mide movimiento relativo sensibles a defectos superficiales
sensor de velocidad	Movimiento (velocidad)	sísmicos auto-generadores portátiles	grandes pesados sensibles a campos E-M a 60 Hz
acelerómetros	Fuerza por lo tanto al desbalance	sísmicos tamaño Pequeño inmunes a 60 Hz	Salida pequeña a bajas velocidades

MEDIDORES DE FASE:

          Los dos métodos comunes son fundamentalmente diferentes. El método de luz estroboscópica es usado con instrumentos de balanceo de filtro armónico mientras que el método de sensor activador es generalmente usado con un analizador.

          El método estroboscópico emite una luz por cada revolución a una marca fija sobre el rotor esto se logra tomando una señal compleja del sensor de vibración, luego es filtrada para producir una onda sinusoidal limpia a una frecuencia correspondiente a la velocidad de rotación y utiliza un comparador de circuito que enciende la luz estroboscópica cuando la onda senusoidal cruza de cero a positivo, El circuito comparador puede ser diseñado para encender con cualquier nivel de voltaje, un voltaje de cero es una referencia conveniente, y algunos instrumentos de balanceo encienden el estroboscopio para un nivel de cero voltaje del sensor de vibración.

           

INSTRUMENTOS DE LECTURA

          La mayoría de  instrumentos de lectura utilizados hoy en día son instrumentos eletrónicos los instrumentos mecánicos no son suficientemente sencillos. Todos los instrumentos electrónicos utilizan uno de los tres sensores de amplitud más comunes que detectan el movimiento: Probetas de proximidad, sensores de velocidad o acelerómetros. Ellos difieren principalmente en la forma en que procesan la información para medir la fase, la instrumentación de balanceo de mayor categoría es:

1.  Filtros armónicos con estroboscópio

2.  Medidores digitales usando la tecnica de fouriel (analizadores de espectros)

3.  Metodo batimétrico

4.  Rectificado sensible de la fase

          El primero y el segundo son aptos para medir la fase con exactitud cuando el desbalance es grande, para niveles de balanceo más fino el analizador de especto tiene una ventaja por su capacidad de promediar. La amplitud puede ser promediada y la medición del angulo de fase también puede ser promediada sobre un periodo grande de tiempo dentro de su dominio. La indicación de cuando debe parar la operación de balanceo con

un instrumento de filtro armónico es cuando la medición de la fase llega a ser inestable. Sin embargo utilizando el promedio de la medición  de la fase inestable con un analizador de espectros, el proceso de balanceo puede extenderse para niveles más finos.

          Hay otras consideraciones  para la selección de los instrumentos de lectura para el balanceo. Una es por la sencillez de su uso, el instrumento de filtro armónico es definitivamente más facil de instalar y usar en el campo ya que fué diseñado para tal fin. El analizador de espectro requiere de un tiempo para instalar el sensor activador y es un instrumento más complicado de utilizar. los operadores consumen más tiempo en introducir y trabajar la data a través de los botone aún cuando ellos ya están familiarizados con los instrumentos. Una de las desvetajas del fitro armonico es la necesidad de calibración presisa, la calibración del filtro debería ser chequeada antes de cada medición y recalibrado si la velocidad de la máquina o la frecuencia es cambiada. El analizador de espectro no requiere de calibración manual más allá de colocar el cursor sobre la velocidad de operación. Otra desventaja es que ellos no diferencian la necesidad del balanceo contra otros defectos posibles por lo contrario el analizador de espectro pueder demostrar inmediatamente en pantalla una gran ventana y hacer un análisis inmediatamente.

CALIDAD DE GRADO DE BALANCEO

          Existen dos factores principales en la tolerancia del balanceo los cuales son la masa y la velocidad. Generalmente los rotores más pesados pueden tolerar grandes desbalances absolutos. Esto resulta de consideraciones prácticas de rotores geométricamente idénticos que pueden soportar esfuerzos mecánicos semejantes. El otro factor es la velocidad. Datos experimentales observados por muchos años, establecen que el producto del desbalance específico y las velocidades de rotación permanece relativamente constante en términos de daño potencial:

e.w = constante = G

G = calidad de grado de balanceo

e = desplazamiento del grado de gravedad ( excentricidad )

w = velocidad de rotación en Rad/seg

          El grado de calidad de balanceo de ISO 1940 son basadas sobre esta ecuación. Las normalizaciones americanas equivalentes son:

ANSI S2. 19- 1989

ASA STD2-1975

          El valor numérico de G es equibalente a la velocidad de la vibración en  milímetros/segundo  que produce un rotor suspendido libremente. Estas normalizaciones son:  tabla 1

G4000         (4000 mm/s)         montajes en motores diesel

G1600         (1600 mm/s)         motores de dos tiempos

G630           (630 mm/s)           motores de 4 tiempos

G250           (250 mm/s)           motores de 4 tiempos (diesel)

G100           (100 mm/s)           motores diesel de 6 o más cilindros

G40             (40 mm/s)             ruedas de automóvil de 4 tiempos

G16             (16 mm/s)             maquinaria agrícola, ruedas especiales

G6.3            (6.3 mm/s)            maquinas de plantas procesadoras

G2.5            (2.5 mm/s)            turbinas de gas y vapor

G1               (1 mm/s )              motores de  armadura electricas

G0,4            (0.4 mm/s)            discos y armaduras de gran presición

 

          Tambien existen las tablas que poseen el maximo desbalance residual correspondiente a varios grados de balanceo G en unidades tanto inglesas como Métricas estas cartas deben ser usadas solamente en talleres con máquinas de balanceo no para el balanceo en el campo.

          El operador del taller de balanceo necesita saber el maximo desbalance residual permitido, si no se dispone de dicha especificación se usan las tablas correspondientes, (tabla 1) el tipo de rotor se encuentra en la parte derecha de la tabla y la primera columna define entonces la calidad del grado de balanceo para usar la figura 2 se requiere la maxima velocidad de servicio. El desbalance residual aceptable depende de la velocidad, como era de esperarce. Esta es la razon de la dirección descendente de la linea g en la figura, las velocidades mas altas requieren de desbalance residuales mas bajos para una vida satisfactoria de la máquina. La calidad del grado de balanceo de la figura se presenta por una banda con un limite superior, estos limites intersectaran las lineas de velocidad en dos lugares y estos dos puntos definen la tolerancia para un balance desigual permisibles para el borde izquierdo de la carta. Se debe notar que el desbalance especifico y la excentricidad son numericamente iguales. Estas cartas ofrecen una guia para operaciones en el taller de balanceo sin embargo estas guias aun cuando son normalizaciones internacionales, estan desactualizadas y no son apropiadas para las máquinas modernas, esto se debe a que fueron creadas hace 50 años alrededor de 1940. Ellas son inapropiadas debido a tres razones :

*    Las máquinas modernas giran mas rápido y estan sometidas a servicios mas criticos que hace 50 años.

*    Las máquinas y los metodos de balanceo modernos son capaces de producir balanceo muchos mejores que hace 50 años con muy poco esfuerzo adicional.

*    ISO 1940 fue creada inicialmente para balanceo en serie, no para el balanceo en reparación. Las mas recientes permiten ensamblaje variable mas finos y cambios de servicio.

          Las mejores compañias de hoy desconfian de la calidad de balanceo de equipos nuevos, algunas han comprado máquinas de balanceo de presición por su propia cuenta e ignoran estas normalizaciones anticualdas. Ellos rebalancean cada rotor cuando este se desarma por algun mantenimiento como parte de sus procedimientos normalizados. Algunas empresas desarman aún equipos nuevos y balancean los rotores en sus talleres a sus normalizaciones propias antes de colocar la máquina en servicio.

           El desbalance residual permisible (U) también se puede calcular de la siguiente forma :

                    U= 6.01GW/N oz-in

donde : 

          G = calidad del grado de balanceo

          w= Peso del rotor en libras

          N = Maxima velocidad de servico en RPM

          Esta cantidad de desbalance residual permisible podría ser distribuido proporcionalmente entre los rodamientos. Si el rotor es simétrico este residual es distribuido igualmente entre los rodamientos. Para rotores no simétricos y otras configuraciones tales como carga en voladizo, la ANSI S2. 19 contiene reglas para  la distribución propia de los residuales permisibles .

          Debido a  todo lo mencionado anteriormente se discutirán dos de las normalizaciones de balanceo usadas actualmente en la industria. Una de estas es la regla del 10% ; esta norma establece que un desbalance residual razonable del 10% del peso del rotor es una buena regla si no se dispone de otra información. Esto representa un buen diseño ingenieril que permite una carga dinámica adicional del 10% para una vida normal de los rodamientos esto equivale a 0.1 g de aceleración por lo que:

F = ( w/g) .r.W²

siendo:         w = W/2     

por lo tanto  wr = Fg/W²

siendo:  wr = desbalance

          Una formula simple con las conversiones respectivas a sido usada por mucho  tiempo esta es:

U = 56347. w / RPM²

donde:         w = Peso distribuido en libras

                    U = desbalance residual en Oz-in

          La segunda normalización de balanceo es utilizada por el instituto americano del petróleo API  esta es la normalización de la marina U.S. la formula que utiliza es :

U = 4w  / N

donde :        U = desbalance residual permisible en Oz-in

                    w = Peso distribuido en libras

                    N = velocidad de giro en RPM

          La normalización API es la más estricta y evidentemente lograble. La industria del petróleo siente que este nivel es necesario para los equipos de proceso. Algunas otras aplicaciones pueden no necesitar este nivel despues de evaluar sus riesgos y consecuencias de lo anterior se deduce que el nivel de desbalanceo residual aceptable para las operaciones de balanceo en el taller  es:

*    lo que especifique el cliente

*    utilizar un grado de balanceo de G = 1.0  o menos (G = 2.5 para rotores dificiles )