- 3 - 2.- TEORÍA 2.1. Causas del desbalanceo Hay muchas causas

- 3 -
2.-
TEORÍA
2.1.
Causas del desbalanceo
Hay muchas causas que pueden originar el desbalanceo, pero entre las más frecuentas tenemos
las siguientes :
2.1.1.
Trampas de aire e irregularidades en la
fundición.
2.1.2.
Excentricidad :
cuando la línea geo métrica de centros de
una pieza no coincide con la línea de
centros de rotación del conjunto.
2.1.3. Adición de Cuñas y Cuneros
: SÍ una
industria
balancea sus poleas sin la cuña y el constructor del motor lo balancea sin cuña,al
hacer el montaje con cuña aparecerá un
desbalanceo; similarmente si ambos balancean sus productos con cuña completa, el
conjunto también estará desbalanceado.
2.1.4.
Distorsión : Aunque una pieza puede estar en el principio de su
fabricación perfectamente balanceada, ésta
puede distorsionarse por efecto del pro ceso de manufactura, de tal manera que se
altere su balanceado original; las causas
más comunes de tales distorsiones son las
tensiones residuales y las distorsiones
térmicas.
Las tensiones residuales se
cuando los rotores han sido
soldadura y cuando la pieza
por embutición o extrusión,
presentan
fabricados por
ha sido formada
etc. Si el
- 4 -
rotor o la parte componente no han sido
aliviadas las tensiones internas durante su construcción, es natural que al
cabo de un tiempo se alterará la forma
del rotor.
La distorsión térmica es bastante fre cuente en máquinas que operan a altas
temperaturas como motores eléctricos,
ventiladores, sopladores, compresores,
turbinas, etc. La distorsión térmica
requiere que sea balanceado el rotor en
las condiciones térmicas normales de
funcionamiento, aunque haya sido balanceado cuando estaba frío.
2.1.5.
Tolerancias de huelgo :
la diferencia
de tolerancias
(rango de tolerancias) que pueda existir en la fabricación de una máquina,
pueden originar desbalanceo, ya que éstas se acumulan al montarse en conjunto.
En caso de una polea con huelgo, cuando
se usa un prisionero, este hace correr
la polea a un iado de la línea da can tros de rotación desbalanceando de esta
manera el conjunto.
.^
2.1.6.
Corrosión y desgaste :
en algunos rotores como los de
ventiladores, compresores, bombas, etc.
involucrados en el manejo de materiales
se presenta la corrosión y el desgaste
que no es uniforme, lo que involucra
desbalanceo.
2.1.7.
Incrustaciones y depósitos ;
los rotores uti lizados en el manejo de materiales pueden desbalancearse debido a la desigual
- r» -
incrustación o depósito de suciedad, polvo, cal, etc. El desbalanceo resultante
va aumentando y se torna en un problema
cuando las partículas adheridas empiezan
a desprenderse, originando vibraciones
que a su vez provocan el desprendimiento
de más y raás partículas adheridas, incremen cando severamente el desbalanceo.
En resumen, todas las causas anteriormente citadas pueden existir de algún grado
en un rotor. Sin embargo, la suma vectorial de todos estos desbalanceos puede
considerarse como concentrados en un sólo
punto denominado PUNTO PESADO.
Balancear es la técnica para determinar
la cantidad y la localización de este
punto pesado, de tal forma que una cantidad igual de peso puede ser quitada
de esta posición o una cantidad de peso
igual pueda ser adicionada directamente
opuesta a él. (Fig. 2)
poso de compensación
centro da rotación nuevo centro de gravedad.
centro de gravedad originaj(punto pesado
origina]).
Fig. 2
- 6 -
,^
2.2.
Unidades para expresar el desbalanceo
La cantidad de desbalanceo en un rotor se puede
expresar en términos del producto del peso de
desbalanceo (onzas, gramos, etc.) por su distancia a la l^nea de centros de rotación (pulgadas,
centímetros, etc.). Así, un peso de 6 gramos
colocado a una distancia de 60 cm. representa
360 greutioE-cm de d e s b a l a n c e o .
. .
2.3.
Principios básicos del balanceado dinámico.
Instrumentos.
A medida que aumenta el desbalanceo tenemos mayor fuerza centrífuga y por lo tanto una mayor
amplitud de vibración. Si de alguna manera podemos medir la amplitud de vibración, estamos mi diendo indirectamente el desbalanceo. Para tal
efecto contamos en el laboratorio con el medidor
de Vibraciones 2511*, cuya vista frontal se presenta en la figura 3. La señal de vibraciones
se toma en las chumiaceras del rotor por medio de
un acelerómetro 4343 que manda una señal eléctrica proporcional a la amplitud de la vibración
captada; este aceleróiaetro se fija a la cli^omacera del motor por medio de un fuerte imán provisto
dentro del equipo.
^
Ver fig. 3
,-• '
; ='' i
'
..
La posición del punto pesado puede localizarse
con la ayuda de la luz estroboscópica. Para eso
utilizamos una marca de referencia en el rotor
que va a aparecer como si estuviera estática si
la luz de la lámpara se enciende cada vez que el
rotcr da una revolución. Esto se consigue con
laraism.aseñal que da el acelerómetro, ya que
cada vez que el punto pesado paya por la posición
del captador, se envía una señal eléctrica a la
- 7 -
Fig. 3
lámpara que la hace encender un tiempo muy reducido permaneciendo apagada hasta que otra vez
el i>unto pesado se sitúe enfrente del captador.
Para la localización del punto pesado nos valemos del analizador de movimiento 4911* con su
lámpara estroboscópica ilustrados cn la fig.4
*
NOTA : Todos los instrumentos de la cadena de medición
del presente informe son de la Ca$a BRUEL &
Kjaer de Dinamarca.
- 8 -
/
- ^
r
I» *•
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" .
iO:
N4.
I.. V .
k.&«.
'""^
-#-
&-^ I
o - . - , t-^
^.. . J O
viene de Medidor da Vib. 2511
"Recorder output"
Fig. 4
Analizador de Movimiento 4911
Con e l o b j e t o de que e l a n a l i z a d o r de movimiento
4911* r e c i b a una s e ñ a l n í t i d a , se puede a ñ a d i r a
l a cadena d e l F i l t r o de Banda P a s a n t e No.1621
que se i l u s t r a en l a f i g . 5
Ver l a f i g . 5
'
' •
La línea completa de medición se ilustra en la
figura 6, los detalles de conección aparecen en
el numeral 3.4
Ver la fig. 6
-
9 -
T u M b l . B.ntf P . U FUIM T v p . 1621
Power
Un«.r
O t f . _*
TJín
Marca de referencia Í
t^M
1 / 3 Oct
* .3%
*iÉKiiiiiir*
Medidor de vibraciones 2511
Filtro de banda
pasante
/
Analizador de Movimiento 4911
^ Acelerómetro
lámpara estroboscópica
Fig. 6
- 10 -
2.4.
Efectos del cambio de peso en un mismo lugar
V del desplazamiento angular de éstos dentro
del rotor.
Si se añade un peso a un rotor perfectamente
balanceado, esta parte vibrará a una frecuencia igual a su velocidad de rotación, con una
cierta amplitud. Por ejemplo, se añadió un
peso de 2 gramos a un rotor balanceado y se
midió una amplitud de 0,13 mjm. con la marca de
referencia apareciendo en la posición de 270°.
.En un segundo experimento se duplicó el peso
de desbalanceo y se colocó exi la misma posición
que en el anterior caso, apareciendo la señal
de referencia en la misma posición (270°) pero
con una amplitud de 0.26 mm. Este ensayo ilustra que al duplicar el desbalanceo se duplica
también la amplitud de la vibración. En gene ral, la amplitud de la vibración es directamente proporcional a la cantidad de desbalanceo.
Veamos aViora qué sucede cuando carribianos l a p o s i c i ó n de un mismo peso en un r o t o r .
En la figura 7a se muestra como se observa un
rotor con un desbalanceo de 2 gramos bajo la
luz estroboscópica. Saguidamente se desplazó
el peso 60° en el sentido de las agujas del
reloj y la marca de referencia se movió a la
nueva posición de 210°bajo la luz estroboscópica tal como se ilustra en la fig. 7b.
Ver fig. 7a y 7b.
Nótese que la marca de referencia ha girado
también un ángulo de 60° pero en el sentido
contrario al de las agujas del reloj.
- 11 f'l.
Fig. 7
270
270
marca de
referencia
marca de re
ferencia
posición original
posición cuéin'do desplazamos
el contrapeso 60°sentido del reloj
Ahora desplacemos 45°en un s e n t i d o c o n t r a r i o a l de
l a s m a n e c i l l a s d e l r e l o j e l p e s o que o r i g i n a l m e n t e
se observaba b a j o l a l u z e s t r o b o s c ó p i c a corao en l a
F i g . 7a y- vemos l a nueva imagen como en l a F i g . 8
marca de
referencia
marca de
referencia
315
270
^70-
180'
Fig. 7-a
(Repetida)
Fig. 8 Posición cuando desplazamos el peso 45*
contra r e l o j .
- 12 -
•i
\
Notamos gue la marca gira a la posición de 315°,
es decir, 45°en el sentido del reloj, referida a
la posición original.
Analizando los resultados de las dos experiencias
anteriores podemos llegar a las siguientes conclusiones :
...i
2.5.
a)
La amplitud de vibración es proporcional a la
cantidad de desbalanceo.
b)
La marca de referencia se desplazacn una dirección opuesta a la que se mueve el punto pesado
y el ángulo que la marca barre es igual al ángulo que se ha girado el punto pesado.
Efectos de peso de prueba :
Si tomamos la amplitud de vibración y la posición
de la marca de referencia tendremos el desbalanceo
llamado "original". En el paso siguiente adicionamos un peso de prueba conocido (P) y el desba lanceo resultante, estará representado por una
nueva medida de la amplitud y una nueva posición
de la marca de referencia. Sl cambio que ha introducido el peso de prueba puede utilizarse para saber el tamaño y la localización del desba lanceo original, de tal forma que se pueda colocar un peso igual en el lado opuesto para anular
sus efectos de fuerza centrífuga.
Al añadir un peso de prueba P a la parte desba lanceada puede suceder una de las siguientes cosas :
a)
Si estamos con suerte podríamos haber coló cado el peso de prueba exactamente sobre el
punto pesado. Si esto sucede, se incremen ta la amplitud de la vibración pero la mar ca de referencia aparecerá en la misma po sición como estaba en las condiciones ini -
- 13 -
ciales. Para balancear el rotor, lo único
que tenemos que hacer es mover el peso de
prueba directamente opuesto a su posición
original y reajustar la cantidad de peso
hasta que logremos un balanceo satisfactorio.
b)
La segunda cosa que puede suceder es que
coloquemos el peso de prueba exactamente
opuesto al punto pesado. Si el peso de
prueba fuere más pequeño que el desbalanceo
podríamos ver una disminución en el valor
de la amplitud y la marca de referencia permanecerá en la misma posición que la original. Para balancear el elemento, todo lo
que tenemos que hacer es aumentar el peso
hasta que alcance un nivel de vibración
satisfactorio.
Si el peso de prueba hubiere sido mayor que
el del original, entonces ahora este punto
se convertirá en el punto pesado y la m.arca
de referencia girará 180°o sea opuesto a la
posición original. En este caso, lo único
gue tenemos que hacer es disminuir la magnitud del peso de prueba hasta que se logre el
nivel deseado.
c)
La tercera cosa que nos puede suceder es que
coloquemos el peso de prueba en una posición
que no sea ni la del punto pesado ni la del
lado opuesto a éste. Cuando esto sucede, la
marca de referencia se desplaza a una nueva
posición y la amplitud cambiará en una nueva
medida. En este caso, la marca de prueba
debe ser movida a un ángulo y a una dirección
- 14 -
con un incremento o disminución de tal
forraa que sea igual y opuesta al desbalanceo original haciendo para ello un diagrama vectorial.
2.6.
Método Vectorial para el balanceado en un plano
Poderaos representar un desbalanceo cualquiera
como un vector cuya longitud represente la amplitud de la vibración y cuya dirección represente la posición angular de la marca de referencia tal como se la observa bajo la luz es troboscópica.
Cuando colocamos el peso de prueba (por ejemplo
de 5 gramos), al rotor, lo que estamos haciendo
es aumentando el desbalanceo original reconocible por el aumento de la amplitud de la vibra ción y cambiando la posición original del punto
pesado, ya que la marca de referencia aparece
en un lugar diferente bajo la luz estroboscópica,
Esas dos lecturas pueden representarse como vectores; Llamamos "O" al vector que representa
el desbalanceo original y "O + P" al vector que
representa el efecto del desbalanceo original
más el efecto del peso de prueba, tal como se
ilustra en la figura 9 a .
La diferencia de desbalanceo por haber introducido el peso de prueba, se puede conocer sí
trazamos el vector P uniendo los extremos de
los vectores ~o" y O + ? y haciendo el polígono
tal como se ilustra en la figura 9 b .
- 15 -
/
•
y
Fig. 9
\
(a)
(b)
El vector P representa el efecto del peso de
prueba únicamente. Es decir, el peso de prueba
me hace un efecto tal que me desplaza la señal
de referencia que originalmente aparecería
según la dirección de ""o" a una nueva posición
indicada por el vector P ; en otras palabras,
P me desplaza la marca de referencia un ángulo ^ indicado en la fig. 9 b .
Si medimos la longitud del vector P con la misma escala utilizada para dibujar el vector O y
el vector O + P^ , se puede determinar el efecto
de la masa de prueba en términos de la amplitud
de vibración. En la fig. 9 b se observa que el
desbalanceo original tiene 4 unidades de amplitud; el desbalanceo resultante al incluir el
- 16 -
peso de prueba resultó ser de 6 unidades y el
efecto del peso de prueba solamente es de 7
unidades.
El análisis para encontrar el peso de balanceo
se hace de la siguiente manera : Si un peso
de prueba de 5 gramos me produce un cambio en
la amplitud de vibración de 7 unidades, qué peso debo colocar para que me produzca un efecto
igual a la amplitud original, es decir, de 4
unidades ? Expresado matemáticamente podríamos
establecer la siguiente regla de tres :
Peso gramos
Peso de prueba
Peso de balanceo
Amplitud (unidades)
Vector P
Vector O
Entonces el peso de balanceo, Pj-, = P x o/ P"
_
p^
5 gramos x 4 unidades _ „ ^
=
—^
~ 2,9 gramos
7 unidades
Para balancear el rotor debemos hacer que el
vector ^ sea igual en magnitud al vector O^ y
que se coloque en una posición opuesta al vector de desbalanceo original O (Fig.9 b ) , de tal
forma que el efecto del peso de balanceo sirva
para cancelar el desbalanceo original. Si se
hac¿; la corrección del peso de acuerdo a la regla de tres anterior, se hará que el vector P*"
tenga la misma longitud que el vector O . El
siguiente paso es el de determinar la posición
angular correcta del nuevo peso; si queremos
hacer girar el vector P de tal forma que se
oponga al vector O , debemos hacer girar la señal de referencia un ángulo <X contra reloj y
para ello será necesario mover el peso de prueba
también en un valor oC pero en un sentido según
las manecillas del reloj (recuérdese en los ex-
- 17 .4 -
perimentos anteriores, que la marca de referencia gira en una dirección opuesta a la que gira
el punto pesado).
L.
2.7. Desbalanceo Residual Permisible
ii.
Resulta en la práctica imposible conseguir las
condiciones de balanceo ideal que serían aquellas en donde el cuerpo en rotación, después de
haber sido balanceado, no muestre ninguna señal
de vibración. En vista de este hecho, la ISO
(International Standards Organisation) ha pro puesto ciertas recomendaciones para las calidades de balanceo de cuerpos rígidos en rotación.
Esas recomendaciones nos dan los máximos desbalanceos residuales permisibles a la máxima velocidad de operación y asocia varios tipos repre sentativos en rangos de grado de calidad reco mendados. Las curvas que muestran el desbalanceo
residual propviesto como aceptable como una fun ción de la velocidad y rotor y del grado de ca lidad del mismo, se dan en la fig.10, mientras
que en la tabla de la fig.11 se ilustra la relación entre el grado de calidad y el tipo de ro tor,
í
-
18 -
UNBALANCE TOLERANCE GUIDE FOR RIGID ROTORS
Bosed on VDI Standords by fhc Society of Germán Engineers, Oct. 1963
Moxinlom Normol Operoting Speed.'~'RPM
oo
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! I
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.090
Fig.
10
j
-ÍG-16ÍÍA
-
ROTOR CLASSIFICATION
(Balance Qualify)
G40
1
ROTOR DESCRIPTION
(Examples of General Types)
Passenger Car Wheeis and Rims
•
1,
19 -
G 16
Aufí^motive Drive Shafts
Parts of crushing and agricultural
machinery.
G6.3
Drive shafts w i t h special requirements
Rotors of processing machinery
•
Centrifugo bowls; Fans
FIywheeIs, Centrifugal pumps
General machinery and machine tool parts
G 2.5
Gas and steam turbines, Blowers,
Turbine rotors, Turbo genorators,
Machine tool drives, Médium and
bigger electric motor armature w i t h
special requirements, Armatures of
fractional hp motors,
Pumps w i t h turbine drive
-
G 1
Precisión
Balancing
G0.4
Ultra
Precisión
Balancing
Jet engine and super charger rotors
Tape recorder and phonograph drives
Grinding machine drives
Armatures of fractional hp motors
w i t h special requirements
Armatures, shafts and sheeis of
precisión grinding machines
F i g . 11
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