República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada UNEFA Núcleo - Cojedes
Balanceo de Maquinas
Prof.
Bachilleres:
Jose Juanique
Leonor Lucena
Ing. Mecánica
Wuills Gutiérrez
Sección “B”.
William Mendoza Carlos Gallardo Estefani Gil
Tinaquillo, Abril, 2013.
Maquinas Rotativas Rotor
El rotor es el componente que gira (rota) en una máquina eléctrica, sea ésta un motor o motor o un
generador
eléctrico.
Junto
con
su
contraparte fija, el estator, forma el conjunto fundamental para la transmisión de potencia en motores y máquinas eléctricas en general. El rotor está formado por un eje que soporta un juego de bobinas arrolladas sobre un núcleo magnético que gira dentro de un campo magnético creado bien por un imán o por el paso por otro juego de bobinas, arrolladas sobre unas piezas polares, que permanecen estáticas y que constituyen lo que se denomina estator de estator de una corriente continua o alterna, dependiendo del tipo de máquina de que se trate.
Tipos de Rotores
Existen varios tipos de rotores según su forma el cual serán los siguientes:
Rotor Ro tor de jaula de de ardill ardilla a simple
Este tipo de rotor es el usado para motores pequeños, en cuyo arranque la intensidad nominal supera 6 ó 8 veces a la intensidad nominal del motor. Soporta mal los picos de cargas. Esta siendo sustituido por los rotores de jaula de ardilla doble en motores de potencia media. Su par de arranque no supera el 140 % del normal.
Rotor de jaula de ardilla doble
Este tipo de rotor tiene una intensidad de arranque de 3 ó 5 veces la intensidad nominal, y su par de arranque puede ser de 230 % la normal. Éstas características hacen que este tipo de rotor sea muy interesante frente al rotor de jaula de ardilla simple. Es el más empleado en la actualidad, soporta bien las sobrecargas sin necesidad de disminuir la velocidad, lo cual le otorga mejor estabilidad.
Rotor con ranura profunda
Es una variante del rotor de jaula de ardilla simple, pero se le denomina rotor de ranura profunda. Sus características vienen a ser iguales a la del rotor de jaula simple. Es usado para motores de baja potencia que necesitan realizan continuos arranques y paradas.
Rotor de anillos rozantes
Se denominan rotores de anillos rozantes porque cada extremo del bobinado está conectado con un anillo situado en el eje del rotor. Las fases del bobinado salen al exterior por medio de unas escobillas que rozan en los anillos. Conectando unas resistencias externas a las escobillas se consigue aumentar la resistencia rotórica, de esta forma, se logra variar el par de arranque, que puede ser, dependiendo de dichas resistencias externas, del 150 % y el 250 % del par normal. Balanceo de Rotores
Existen dos razones importantes por las cuales un rotor debe ser balanceado. La primera es que las fuerzas creadas por el desbalance son dañinas para la vida de la máquina. La magnitud de la fuerza creada es
proporcional a la cantidad de desbalance y al cuadrado de la velocidad de rotación, así un desbalance relativamente pequeño puede producir fuerzas de gran magnitud en máquina de alta velocidad. La otra razón importante es la vibración indeseada generada, la cual puede ser dañina para la misma máquina, para los operadores, etc. Además la vibración puede traer problemas de mala calidad de productos, como en el caso de máquinas herramientas. Entonces, el balanceo de rotores se puede definir como el proceso por medio del cual se ajusta la distribución de masa de un rotor de tal manera de hacerla más concéntrica con su eje de rotación, con el fin de reducir o controlar la carga sobre los cojinetes y la vibración sincrónica. En la práctica, los rotores reales nunca pueden ser balanceados perfectamente, debido a errores de medición y a que las masas rotativas no son rígidas. En general, los rotores se pueden clasificar en “Rígidos” y “Flexibles” dependiendo de sus propiedades dinámicas y la de los
soportes de la máquina donde ellos operan. En la práctica se considera que si el rango de velocidad a través del cual debe operar un rotor está por debajo del 75% de su primera velocidad crítica, el rotor no sufrirá un grado de deflexión significante en servicio como resultado del efecto dinámico, independientemente de la cantidad y disposición del desbalance que contenga. Muchas máquinas eléctricas operan por debajo de su primera velocidad crítica y son consideradas de rotor rígido. Otros rotores rígidos típicos son impulsores y ventiladores centrífugos de baja velocidad, tambores de frenos y ruedas de automóviles.
Mientras que las turbo-máquinas de hoy en día trabajan a altas velocidades y temperaturas, por lo que sus rotores sufren deformaciones significativas. Entre las máquinas cuyos rotores se pueden clasificar como flexibles se encuentran: las turbinas de vapor y de gas, bombas y compresores centrífugos multi-etapas, compresores axiales, generadores eléctricos, etc. Para el balanceo de rotores, tanto rígidos como flexibles, es importante conocer como varían la amplitud y el ángulo de fase de la respuesta, principalmente, con la relación entre la velocidad de rotación y la velocidad crítica. Por consiguiente, en esta sección se analizará como varían estos parámetros de la respuesta, con el factor de amortiguamiento y con la velocidad de rotación, cuando esta pasa a través de la primera velocidad crítica. Las velocidades críticas y el factor de amortiguamiento de una máquina son funciones de su masa, elasticidad y amortiguamiento. Así, la amplitud y el ángulo de fase de la respuesta de la máquina al desbalance de su rotor son funciones de la masa, la elasticidad y el amortiguamiento. Se puede expresar con las siguientes ecuaciones matemáticas:
Donde: A: es la amplitud adimensional de la respuesta
Φ: es el ángulo de fase de la respuesta con respecto al desbalance
r: es la relación de velocidades, entre la de rotación (w) y la crítica (wn)
ξ: es el factor de amortiguamiento
Técnicas de Balanceo
El desbalance de un rotor no se puede determinar y corregir directamente. Esto significa que en la práctica, no es posible determinar la cantidad y ubicación del desbalance de un rotor para corregirlo en su origen. Pero si es posible determinar su efecto y calcular la cantidad y ubicación de las masas necesarias a agregar o quitar para reducir o controlar dicho efecto a niveles aceptables o tolerables. El proceso de balanceo de un rotor se puede dividir en dos etapas: -
La medición de los efectos del desbalance
-
El cálculo de la cantidad y ubicación de las masas de corrección requeridas en cada plano de balanceo. El efecto del desbalance es medido en términos de la magnitud y el
ángulo de fase de la fuerza transmitida a los cojinetes, del movimiento vibratorio del eje con respecto a los cojinetes, del movimiento vibratorio de los soportes o de la vibración transmitida a la estructura soporte del rotor. Hoy en día se dispone de una amplia gama de instrumentos que permite hacer e interpretar estas mediciones con relativa facilidad. El problema que enfrenta el ingeniero es como determinar la cantidad y ubicación de las masas de corrección. Existe una variedad de técnicas o métodos de balanceo de rotores, pero el problema está en cual
usar. Tal como balanceo (estático) en un-plano, balanceo en un-plano vs. dos-planos, balanceo en taller, balanceo en taller vs. En sitio, balanceo en sitio y balanceo en dos-planos vs. Múltiples planos.
Máquina Balanceadora
Una Máquina Balanceadora es una máquina especialmente diseñada y construida para el balanceo de rotores rígidos en taller. Todas las máquinas balanceadoras tienen la capacidad de determinar, por alguna técnica, la cantidad y posición angular del peso de corrección requeridos en cada plano de balanceo. Desde que son suficientes dos planos para balancear un rotor rígido, solo existen máquinas balanceadoras para uno y dos planos de balanceo. En algunos casos se balancean rotores flexibles de turbomáquinas en múltiples planos y a múltiples velocidades usando una máquina balanceadora de dos planos, pero esto equivale a realizar varios balanceos en dos planos redefiniendo los planos y cambiando la velocidad de balanceo entre una corrida y otra.
La máquina balanceadora es diseñada para cumplir tres funciones fundamentales: -
Soportar el rotor a ser balanceado, con facilidad de montaje y desmontaje
-
Hacer girar el rotor a una velocidad de balanceo preestablecida, y
-
Medir el efecto dinámico del desbalance y calcular los pesos de corrección necesarios en cada plano de balanceo. Las máquinas balanceadoras, sean de soportes rígidos o flexibles,
miden la amplitud y el ángulo de fase de las fuerzas aplicadas a los cojinetes o del movimiento de los soportes, respectivamente. Luego, sobre la base de que el rotor se comporta de manera completamente rígida, calculan la cantidad y posición angular de las masas a agregar o quitar en cada plano de balanceo. En general, los rotores se clasificar como rígidos o como flexibles, dependiendo de sus propiedades dinámicas y la de los cojinetes y soportes de la máquina donde ellos operan. De aquí que, será suficiente balancear un rotor en taller o es necesario balancearlo en sitio, respectivamente. Los rotores que operan a velocidades por debajo del 75% de su primera velocidad crítica son considerados rígidos y el balanceo en taller es adecuado. Mientras que los rotores que operan por encima del 75% de su primera velocidad crítica son considerados flexibles y requieren ser balanceados en sitio a sus condiciones de operación. En muchos casos es posible balancear un rotor montado en su propia máquina y operando a sus condiciones normales. Esto elimina el tiempo de parada y el riesgo de daño del rotor durante el desmontaje, transportación hacia y desde el taller de balanceo, y reinstalación del rotor en la máquina.
Tolerancias de Balanceo
Idealmente, un rotor se encuentra perfectamente balanceado cuando su eje principal de inercia, pasando por el centro de masa,
coincide con el eje axial o de rotación de diseño. En la práctica, un rotor nunca es balanceado perfectamente, por distintas razones, y además es antieconómico intentarlo. Lo que sí es posible, es disminuir la carga dinámica sobre los cojinetes y la vibración sincrónica a niveles aceptables. Las tolerancias de balanceo en taller de rotores rígidos son expresadas en términos del desbalance residual permisible, mientras que las tolerancias de balanceo en sitio de rotores flexibles se expresan en términos de límites permisibles o tolerancias de vibración.
Balanceo De Mecanismos Y Máquinas
El balanceo es la técnica de corregir o eliminar fuerzas y momentos de inercia indeseables. Estas fuerzas pueden provocar vibraciones que a veces pueden alcanzar amplitudes peligrosas. Incluso aunque no lo fueran, las vibraciones aumentan los esfuerzos y someten a los cojinetes a cargas repetidas que provocan la falla prematura por fatiga de las piezas. Por lo tanto, en el diseño de maquinaria no basta simplemente con evitar la operación cercana a las velocidades críticas; también es preciso eliminar, o por lo menos reducir, en primera instancia, las fuerzas de inercia que producen estas vibraciones. En una pieza en rotación (rotor), cada punto de su masa está sometido a la acción de una fuerza radial que tiende a separar ese punto del eje de rotación. Si la masa del rotor está uniformemente distribuida alrededor del eje, ese rotor estará "balanceado" y su rotación no generará vibraciones. Por el contrario si en algún lugar sobra algo de peso, este generará una fuerza centrífuga no equilibrada que debe ser soportada por los apoyos.
La siguiente fórmula se utiliza para calcular la fuerza no equilibrada: F = r . p . n2 Utilizando unidades prácticas podemos calcular la fuerza F en kilogramos que genera masa de p gramos que gira a r metros del eje de rotación y a n rpm. Debemos agregar la constante 893653 para el ajuste de unidades.
F = r . p . n2 / 893653
Ejemplo: Un peso de 20 g girando a 30 cm del eje de rotación generará una fuerza giratoria de 6.7 Kg a 1000 rpm, 26.9 Kg a 2000 rpm, 107.4 Kg a 4000 rpm etc. Un mecanismo o una máquina se consideran equilibrados, si durante su funcionamiento la resultante de todas las fuerzas, que actúan sobre los apoyos del soporte (bancada, cimiento), y el momento resultante de esas fuerzas, son de magnitud y dirección constante.
Términos Fundamentales
Centro De Gravedad
El término centro de gravedad se puede considerar como el centro de masa. Su alineamiento diferiría solo en cuerpos largos en los que la fuerza gravitacional de la tierra no es la misma para todos los componentes del cuerpo. El hecho que estos puntos sean los mismos
para la mayoría de los cuerpos, es la razón porque los balanceadores estáticos (no – rotacionales), los cuales pueden solo medir el centro de gravedad, pueden ser usados para localizar el centro de masa. Centro De Masa
El centro de masa es el punto del cuerpo donde se concentra el valor de todas sus masas. Si un vector de fuerza pasa a través de este punto el cuerpo se moverá en línea recta, sin rotación. La segunda ley de Newton del movimiento describe este movimiento como F = m.a , donde la suma de fuerzas , actuando sobre un cuerpo es igual al producto de la masa (m), por la aceleración (a). Ejes Geométricos
El eje geométrico se conoce también como eje de rotación. Este eje de rotación es determinado ya sea por la superficie sustentadora rotatoria, la cual existe en la pieza de trabajo, o por la superficie de montado. Una adecuada superficie de montado establece el centro de rotación en el plano del centro de masa (el punto en el cual el centro de masa está localizado). Eje De Inercia Principal
Cuando una parte no tiene forma de disco y tiene longitud a través del eje de rotación, ésta gira en el espacio libre sobre una línea. Esta línea es llamada “eje principal de inercia”, el centro de masa es un punto
sobre esta línea. Cuando el eje de inercia principal coincide con el eje de rotación, la parte girará sin fuerzas de desbalance. En resumen, un estado de balance es una condición física que existe cuando hay una distribución de masa total uniforme. El balanceo estático existe cuando el centro de masa está sobre el eje de rotación. Mientras que, el balanceo dinámico y de acoplamiento existen cuando el eje principal de inercia coincide con el eje de rotación.
Tipos De Desbalance
La localización del centro de masa y el eje principal de inercia se determina de acuerdo con la distribución de los distintos elementos diferenciales de masa que componen el cuerpo. Sin embargo, cualquier condición de desbalance puede ser corregida aplicando o removiendo peso en un radio y ángulo particulares, de hecho la cantidad de desbalance, P, puede ser definida correctamente como una masa m, en un radio r. P = m.r
Desbalance Estático
Es una condición que existe cuando el centro de masa no está sobre el eje de rotación, puede ser también explicada como la condición cuando el eje principal de inercia es paralelo al eje de rotación. Para corregir el desbalance estático se requiere solo una masa de corrección. La cantidad de desbalance es el producto del peso por el radio. Este tipo de desbalance es un vector, y por eso, debe ser corregido con un peso conocido en un ángulo particular. Fuerza de desbalance es otro nombre para el desbalance estático. La siguiente figura representa un ejemplo de desbalance estático.
Puede ser detectado ubicando el rotor sobre dos apoyos prismáticos. La parte más pesada tenderá a ubicarse siempre por debajo del eje de rotación o lo que es lo mismo, el eje longitudinal de inercia quedará por debajo del eje de rotación. Este tipo de desbalance puede identificarse también comparando las mediciones de amplitud y fase en los extremos del rotor. Rotores simétricos soportados por cojinetes idénticos exhibirán idénticos valores de amplitud y fase de las vibraciones filtradas a la frecuencia de rotación, si el desbalance es de tipo ESTÁTICO.
Desbalance De Acoplamiento
Es una condición específica que existe cuando el centro de masa se encuentra sobre el eje de rotación y el eje principal de inercia no es paralelo con el mismo. Para corregir el desbalance por acoplamiento, deben ser agregados dos pesos iguales a la pieza de trabajo en ángulo de separación de 180 grados en dos planos de corrección, la distancia entre estos dos planos es llamada “brazo de acoplamiento”. El
desbalance de acoplamiento es un vector que describe la corrección. Es común para los balanceadores desplegar el vector de desbalance izquierdo de una corrección de acoplamiento para ser aplicado en ambos planos izquierdo y derecho. El desbalance de acoplamiento es definido como la masa por su longitud al cuadrado, unidades comunes para el desbalance de acoplamiento serian g-mm2 o onza-pul2. El ángulo es el ángulo de corrección en el plano izquierdo (note que en mecánica, el ángulo es perpendicular al plano del radio del vector y el vector del brazo de acoplamiento, este es un ángulo de 90 grados en relación a la localización
del peso). El desbalance de acoplamiento puede ser corregido en cualquiera de los dos planos, pero primero la cantidad tiene que ser dividida por la distancia entre los planos seleccionados. Mientras que el desbalance estático puede ser medido con un balanceador no rotacional, un desbalance de acoplamiento solo puede ser medido al girar la pieza de trabajo. El siguiente dibujo representa un ejemplo de desbalance de acoplamiento.
Desbalance dinámico
Este es el caso más frecuente y general de desbalanceo y provoca que el eje principal de inercia de una pieza desbalanceada no sea paralelo al eje de rotación y no pase por el centro de gravedad de la pieza. En este caso solo se puede balancear colocando dos contrapesos en dos planos perpendiculares al eje de rotación y con posiciones angulares distintas. Si una montamos una pieza muy desbalanceada sobre apoyos que ofrezcan muy poca resistencia a la rotación, en el caso de que los pesos que provocan el desbalanceo estén en planos distintos y a 180º entre sí,
el rotor no se moverá por acción de la gravedad y quedará detenido en cualquier posición.
Desbalance En Dos Planos O Balanceo Dinámico
Es también definido como el desbalance dinámico. Es una suma vectorial de desbalance estático y desbalance de acoplamiento. Para corregir es necesario tener dos planos de balanceo y se requiere dos pesos de corrección, uno en cada plano en dos ángulos no relacionados. La especificación de desbalance solamente es completa si se conoce el lugar del eje axial del plano de corrección. El desbalance dinámico o desbalance en dos planos especifica todo el desbalance que presenta una pieza de trabajo. Este tipo de desbalance puede solo ser medido en un balanceador giratorio el cual detecta la fuerza centrífuga debida al componente de acoplo de desbalance. El siguiente dibujo representa un ejemplo de desbalance dinámico.
Maquinas Reciprocantes
Son aquellas que transforman un movimiento netamente lineal en un movimiento rotacional, su operación está basada en el mecanismo biela manivela. En estas el movimiento lineal corresponde al pistón quien se mueve en el interior de un cilindro que lo limita a este tipo de movimiento, a su vez este está conectado por medio de una biela a una manivela que le imprime el movimiento rotacional al eje o cigüeñal. Las máquinas reciprocantes, también conocidas como alternativas, realizan una amplia gama de servicios. Son empleados como motores de combustión interna para transporte de personal y materiales, así como bombas y compresores en todo el campo industrial. Una variedad increíblemente grande de este tipo de máquinas está en operación en el mundo de hoy. Por lo tanto, resulta imposible centrarse específicamente en cada tipo de máquina. Teniendo en cuenta lo anterior, a continuación se presentan las características básicas de los tres tipos de máquinas reciprocantes más empleadas en la actualidad, como lo son los motores de combustión interna, compresores y bombas reciprocantes.
Motores De Combustión Interna
Los motores son los mecanismos que transforman la energía química presente en el combustible en energía mecánica. En el motor esta energía mecánica se manifiesta en la rotación de un eje del motor, al que se une el mecanismo que se quiere mover por ejemplo una hélice. El motor alternativo está formado por una serie de cilindros donde se comprime la mezcla aire-combustible y se inflama. La mezcla se
prepara previamente en un dispositivo denominado carburador, o en un sistema de inyección. La combustión de la mezcla produce un incremento de la presión del gas en el interior del cilindro, aplicándose esta sobre el émbolo. El movimiento lineal del émbolo (pistón), ascendente y descendente en el cilindro, se transforma finalmente, en otro movimiento circular mediante un sistema articulado, que hace girar el eje del motor. Aplicaciones
Son
los
motores
comúnmente
utilizados
en
aplicaciones
autónomas (independientes de la red eléctrica) empleándose en los automóviles, motos y ciclomotores, camiones, y demás vehículos terrestres, incluyendo maquinaria de obras públicas, maquinaria agrícola y ferrocarril; también son de este tipo los motores marinos, incluidos los pequeños motores fuera borda. Igualmente fueron empleados en los albores de la aviación, si bien con posterioridad han sido sustituidos por turbinas, con mejor relación potencia/peso, manteniéndose sólo en pequeños motores. En aplicaciones estacionarias, se emplean en grupos generadores de energía eléctrica, normalmente de emergencia, entrando en funcionamiento cuando falla el suministro eléctrico, y para el accionamiento de máquinas diversas en los ámbitos industrial (bombas, compresores, etc.) y rural (cortacésped, sierras mecánicas, etc.) generalmente cuando no se dispone de alimentación eléctrica.
Compresores Reciprocantes
Los compresores son máquinas cuya finalidad es la de aportar energía a los fluidos compresibles (gases y vapores) sobre los que
operan, para de esta manera hacerlos fluir aumentando simultáneamente su presión. Un compresor reciprocante es un dispositivo de desplazamiento positivo, el cual durante su operación normal admitirá una cantidad de gas o vapor de su línea de succión a una presión P1 dada, y lo comprimirá por medio de un pistón que se mueve alternativamente en el interior del cilindro, según las necesidades del sistema para moverlo a través de su línea de descarga a una presión P2 superior. Por medio de un motor eléctrico o en su efecto una turbina de vapor le es suministrada la energía necesaria para efectuar este trabajo.
Bombas Reciprocantes
Las bombas reciprocantes son unidades de desplazamiento positivo, recibe un volumen fijo de líquido en condiciones casi de succión, lo comprime a la presión de descarga y lo expulsa por la boquilla de descarga. En este tipo de bombas se logra por el movimiento alternativo de un pistón, embolo o diafragma. Las bombas reciprocantes, son empleadas en aquellas situaciones en las que una bomba centrifuga o rotativa no alcanza a cumplir con los requerimientos del sistema. Si bien algunos servicios se podrían efectuar con una bomba rotativa o centrifuga, esto implicaría un incremento en los requisitos de potencia y mantenimiento. Debido a estos costos, la bomba de potencia, gracias a su elevada potencia mecánica, es empleada cada vez más en numerosas aplicaciones. Una de las ventajas de las bombas reciprocantes es que debido a que no son cinéticas como la centrifugas, lo que le permite alcanzar
grandes presiones a bajas velocidades, logrando de esta manera el manejo de pastas aguadas y líquidos muy viscosos. Las bombas reciprocantes tienen una eficiencia mecánica intrínsecamente alta, con la eficiencia total extendiéndose a partir de la 85% hasta el 95%. Son sencillas en su operación y mantenimiento, pues las camisas, pistones y válvulas pueden ser cambiados fácilmente. Con el solo cambio de camisas y pistones de mayor diámetro se pueden obtener mayores caudales y variedad de presiones.
Balanceo
En las máquinas reciprocantes, lograr un equilibrio dinámico con el mayor grado de perfección posible entre sus distintas partes móviles es de gran importancia sea cual sea la aplicación de estas. Lo anterior teniendo en cuenta que en la dinámica de este tipo de máquinas se ha de buscar una compensación mutua de las fuerzas y los pares de inercia de orden vario para los diferentes cilindros, mediante el balance de partes rotatorias, de las fuerzas de masas inerciales y de la presión del fluido de trabajo. Puesto que logrando dicha compensación se eliminan las principales fuentes de vibraciones y las consecuencias que estas conllevan en una maquina. La cantidad de cilindros, y la disposición de las manivelas en determinadas ocasiones permiten una compensación automática de dichos efectos, con lo cual estos no llegan a repercutir en los apoyos y fundaciones de la maquina; existen casos en los cuales se ha de implementar en los apoyos algún mecanismo para absorber o amortiguar estos efectos dinámicos descompensados.
En una máquina reciprocante se presentan fundamentalmente tres causas de vibración, las cuales han de ser tenidas en cuenta por parte de los diferentes fabricantes en sus procesos de diseño, e incluir una serie de dispositivos de balanceo o equilibrio para reducirlas al máximo o simplemente para llevarlas a límites permisibles. Un tipo de vibraciones mecánicas presente en una maquina reciprocante, es aquel producto del desequilibrio o desbalance de las partes rotatorias. Todas aquellas piezas en rotación están sometidas a fuerzas centrífugas que deben ser balanceadas con el mayor grado de exactitud posible; entre las piezas a tener en cuenta se puede destacar el cigüeñal, el volante, y el embrague.