Trabajo Vibraciones Mecanicas (Balanceo de Máquinas)

República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa U.N.E.F.A  – San Tomé, Edo.  – Anzoátegui Mantenimiento General Ing. Mecánica – Sección D01 7mo Semestre

Profesor:

Integrantes:

Pablo Quijada

Burgos Jeyms Pas: 12.826.070 Cermeño José C.I 19.941.377 Rodriguez Carlos C.I 18.887.194 Martínez Pedro C.I 20.212.203 Lira Hagda C.I Valera Keiver C.I 20.740.259

21/05/2012

Índice  Pág. Introducción………………………………………………………………………. 3

¿Qué es Balanceo?........................................................................................4

¿Qué es el Desbalanceo?...............................................................................4

Balanceo de Rotores…………………………………………………………….4-5

¿Por qué debe de Balancearse un Rotor?....................................................5-8

Desbalanceo de Rotores flexibles ……………………………………………..8 -10

Tipos de Desbalanceo ………………………………………………………...11 -13

Balanceo Estático y Dinámico ……………………………………………….13-14

Balanceo de Maquinas ………………………………………………………..14 -16

Maquinas Reciprocantes ……………………………………………………...16 -17

Conclusiones…………………………………………………………………..18 -19

Bibliografía………………………………………………………………………….20

Introducción  El Balanceo es fundamental para la productividad de una maquina, ya que un equipo al encontrase desbalanceado no tendrá jamás la misma eficiencia que uno en buenas condiciones de balance. Por esa sencilla razón las empresas se ven involucradas en mejorar los sistemas de Balanceo para sus maquinarias, chequearlos cada cierto periodo de tiempo dependiendo de la actividad a la cual está sujeto el equipo en estudio. Cuando una maquina está desbalanceada va a presentar altos niveles de vibración,

por lo tanto generara ruido y desgaste perjudiciales, que que

afectan la resistencia a la fatiga de la máquina. En todas las máquinas rotatorias se presentan vibraciones originadas por  las causas más diversas y su intensidad depende principalmente de la interacción entre las fuerzas dinámicas que ocurren dentro del equipo y su flexibilidad (o movilidad) mecánica. ¿Por qué se deben de balancear los equipos? La respuesta es sencilla, todos los componentes rotatorios experimentan mejoras significativas en calidad y rendimiento si son balanceados. Ya que con el Balanceo se minimizan vibraciones, ruido y desgaste a cuerpos rotatorios.

 Aquí en la investigación investigación se resaltaran resaltaran los siguientes siguientes temas relacionados relacionados al balance de maquinas y desbalanceo como tal y los diferentes métodos que se utilizan para cada caso.

Balanceo de Maquinas  ¿Qué es el Balanceo? El balanceo es la técnica de corregir o eliminar fuerzas o momentos generadores de perturbaciones vibratorias. Los esfuerzos sobre el bastidor  de un mecanismo, o sobre los soportes pueden variar de manera significativa durante un ciclo completo de operación y provocar vibraciones que a veces pueden alcanzar amplitudes peligrosas. Incluso aunque no lo fueran, las vibraciones someten a los cojinetes a cargas repetidas que provocan el fallo por fatiga de las piezas. Se hace entonces preciso eliminar o reducir las fuerzas de inercia que producen estas vibraciones.

¿Qué es el Desbalance? El desbalance es una de las fuerzas que causan problemas en rotores y máquinas rotativas. Si una máquina está desbalanceada presenta altos niveles de vibración, ruido y desgaste perjudiciales, que afectan la resistencia a la fatiga de la máquina.

Balanceo de Rotores  ¿Qué es un Rotor Rígido? Un rotor rígido es el que no presenta una deformación significativa a velocidad de funcionamiento. Un rotor rígido se puede corregir con aplicación de no más de dos masas de corrección, y después de corrección mantendrá su balance en un rango de velocidades hasta duración de vida máxima.

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Balanceo de Rotores Rígidos Son aquellos rotores que siendo balanceados en dos planos cualesquiera, no cambiarán su comportamiento dinámico con el incremento de velocidad, aún cuando estos alcancen su máxima velocidad de operación. El balanceo de rotores rígidos en máquinas de baja velocidad (soft bearings) tendrá que ser ejecutado, tomando la máxima velocidad de operación de estos, como referencia para el cálculo del desbalance residual.

Un rotor rígido se dice que está perfectamente balanceado cuando un eje principal de inercia que pasa por su Centro de Gravedad (C.G) coincide con el eje de rotación del rotor, otra forma de determinar que se encuentra perfectamente balanceado es cuando el valor medio de las vibraciones sincrónicas en la máquina es reducido a cero.

¿Qué es un Rotor Flexible? Es aquel que, dependiendo de las revoluciones y de la situación de su alojamiento, varía su estado de equilibrado. En muchos rotores, los momentos de internos actúan en los planos extremos y esta actuación aumenta en proporción al cuadrado de la velocidad y flexionan enormemente el rotor dependiendo de las fuerzas elásticas que son proporcionales a su flexión. No existe una flexión única del rotor sino que ésta varía en dependencia de la gama de revoluciones a la que gira.

Balanceo de Rotores Flexibles La dificultad del balanceo de rotores muy grandes recae en el hecho de que se flexan a medida que se alcanza la velocidad de servicio. A velocidades bajas (300 -1000 rpm) rotan con deflexión casi nula y se dice que se encuentran rotando en “modo rígido”. Muchos rotores no salen del mismo. Cuando la velocidad de servicio máxima hace que las fuerzas centrífugas sean importantes, se requieren otras observaciones en el momento del balanceo. Cuando la velocidad de servicio se acerca a la crítica, se tiene las máximas amplitudes y vibraciones. Dependiendo de la velocidad, la flexión del rotor será la del primero o segundo armónico (en el segundo armónico se registran amplitudes menores). De cualquier manera, los rotores flexibles pueden ser balanceados a velocidades bajas utilizando métodos especiales. Estos rotores se denominan “cuasi rígidos” o clase 2 (los rotores rígidos son clase 1, y los realmente flexibles son clase 3).

¿Por qué debe balancearse un rotor? 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. 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; además, es antieconómico intentarlo desde el punto de vista de ingeniería. Pero casi siempre es posible reducir significativamente altos niveles de vibración sincrónica balanceando el rotor. 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.

Balanceo de un rotor rígido 

Balanceamiento es un plano (estático)

Es el procedimiento por el cual la distribución de masas de un rotor  rígido es ajustada para asegurar que el desbalanceamiento estático residual esté dentro de límites especificados y el cual requiere corrección en un solo plano.

El desbalance estático se puede corregir colocando pesos de balanceo en un solo plano, pero es extremadamente importante colocar el peso en el mismo plano normal al eje donde se encuentra el centro de masa, puesto que de lo contrario se crearía un par desbalanceado cuando el rotor este girando a su velocidad de servicio. En algunos rotores que tiene forma de disco, se puede considerar que el centro de masa está en el plano del disco y se puede balancear en un-plano. Pero en rotores de forma más compleja, no es posible predecir la posición axial del centro de masa, por lo que deben ser balanceados en dos planos. Por ejemplo:

Correcto

Incorrecto



Balanceamiento en dos planos (dinámico).

Es el procedimiento por el cual la distribución de masas de un rotor  rígido es ajustada para asegurar que el desbalanceamiento residual en dos planos arbitrarios esté dentro de límites especificados referido a esos planos. El desbalance de par no puede ser corregido con una sola masa en un plano de balanceo, se requieren por lo menos dos masas colocadas en dos planos diferentes y opuestas a 180º una de la otra; en otras palabras un desbalance de par requiere otro par para corregirlo. El desbalance dinámico, como un caso general de desbalance de rotores rígidos, también requiere por lo menos de dos masas colocadas en dos planos de corrección diferentes.

Desbalanceo de rotores flexibles En algunas máquinas pequeñas o de baja velocidad los rotores tienen un comportamiento aproximadamente rígido; pero en la mayoría de las máquinas en la actualidad, la alta velocidad y las altas temperaturas hacen que los rotores sufran deformaciones significativas a sus condiciones de servicio. Los rotores, como sistemas continuos, tienen infinitas frecuencias naturales o de resonancia, denominadas velocidades críticas en el caso de las máquinas rotativas. Asociadas a cada una de estas velocidades críticas existen formas de deformación lateral de los rotores. Estas formas de deformación lateral características de cada velocidad crítica son

denominadas modos de deflexión o modos de vibración lateral de rotores. En la figura se presenta un sistema simple rotor-cojinete, en el cual el rotor presenta tanto desbalance estático (desviación del centro de masa) como desbalance dinámico (desviación angular del eje principal de inercia).  Ahora se supone que los cojinetes son completamente completamente rígidos y que el rotor  es razonablemente flexible.

En la figura se muestra el primer modo de deflexión , correspondiente a la primera velocidad crítica. La forma de este modo se aproxima a una media sinusoide, ya que el mayor efecto lo tiene el desbalance estático; esto es, el eje se deforma debido a la fuerza centrífuga creada por la excentricidad del centro de masa. Ahora, la desviación del centro de masa desde el eje de rotación es mayor y aumenta hasta una magnitud controlada por el amortiguamiento existente en la máquina.

Se muestra el segundo modo de deflexión, correspondiente a la segunda velocidad crítica. La forma del modo es de una sinusoide completa, debido al momento flexor producido (alrededor del centro de masa) por la desviación angular del eje principal de inercia con respecto al eje de rotación.  Análogamente,  Análogamente, esta desviación desviación angular angular del eje principal principal de inercia ahora será será mayor y aumenta hasta un grado controlado por el amortiguamiento de la máquina.

El tercer modo de deflexión , correspondiente a la tercera velocidad crítica, tiene forma de sinusoide y media, y se debe al efecto combinado del desbalance estático y dinámico. De tal manera que, los modos de deflexión son las formas de deflexión máxima que sufre un rotor cuando pasa por sus velocidades críticas. A velocidades entre las críticas, la forma de deflexión es una combinación de los modos asociados con las velocidades críticas entre las cuales se encuentre la velocidad de rotación.

Tipos de Desbalanceo Desbalanceo La localización del centro de masa y el eje principal de inercia es determinada por el efecto de contrapeso de cada elemento de la parte. 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, U, puede ser definida correctamente como un peso w, en un radio r. U = w.r

Desbalanceo estático: Existe desbalanceo estático cuando la masa que sobra está en el mismo plano (perpendicular al eje de rotación) que el centro de gravedad del rotor. Esto provoca que el eje principal de inercia del conjunto se desplace paralelamente al eje de rotación. Este desbalanceo se corrige con un contrapeso opuesto al peso sobrante. El desbalanceo estático se aprecia en piezas de diámetro mucho mayor que el largo (discos), como por ejemplo hélices, volantes etc. pero ocasionalmente en cilindros de diámetro comparable con el largo. Si montamos una pieza muy desbalanceada sobre apoyos que ofrezcan muy poca resistencia a la rotación, el rotor se moverá por acción de la gravedad y quedará con el peso sobrante hacia abajo. También se puede decir que es aquel que podemos encontrar colocando el rotor en unas paralelas y dejándolo que gire por sí mismo hasta que se para. La parte más pesada del conjunto del rotor quedará en la parte baja y la menos pesada en la parte alta del rotor.

Desbalanceo 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. Es aquel que aparece cuando el rotor está en rotación, es decir que no podríamos detectarlo en unas paralelas como el estático y para ello es imprescindible colocar el rotor en una máquina equilibradora o bien realizar la medición funcionando "in situ". Rotor de dos discos donde cada disco tiene un desequilibrio del mismo tamaño pero desfasados 180° entre sí.

Los pesos P1 y P2 ejercen cada uno de ellos una fuerza en el mismo sentido pero una a cada lado del eje de rotación (flechas negras) de forma que el rotor se mantiene equilibrado estáticamente; pero cuando este rotor  gire a su velocidad de funcionamiento se presentaran unas fuerzas F1 y F2 provocadas por los pesos P1 y P2 dando lugar a un par de fuerzas, desequilibrio dinámico, que causará el desplazamiento del eje de giro y el

eje de inercia y provocara vibraciones cuya intensidad dependerá del tamaño de P1 y P2 y de la velocidad de giro del rotor.

Balanceo Estático y Dinámico

BALANCEO

ESTÁTICO

Y

DINÁMICO

DEL

CIGÜEÑAL

 Al equilibrar estáticamente estáticamente un cigüeñal, se pretende que el peso total del mismo quede distribuido de manera uniforme alrededor del eje.

Como se puede ver, la parte izquierda se encuentra desequilibrada estáticamente debido a que el peso está concentrado hacia la parte superior  de la misma, por otro lado en la parte derecha se encuentran dos contrapesos que hacen que los pesos a cada lado del eje (en rojo) sean iguales y se presente de esta manera lo que conocemos como el equilibrio estático. Cuando el cigüeñal se encuentra en movimiento se generan fuerzas centrífugas, las cuales deben tener una sumatoria igual a cero con respecto al eje de rotación, esto se conoce como el equilibrio dinámico del cigüeñal.

El equilibrio se consigue por medio de contrapesos aplicados a las manivelas, este equilibrio sirve además para reducir el efecto de algunas fuerzas debidas a las masas en movimiento alternativo. Los

objetivos

de

equilibrar

un

cigüeñal

son

los

siguientes:

- Reducir las vibraciones del motor causadas por las fuerzas y momentos generados por la presión de los gases en los cilindros y por las piezas en movimiento alternativo y giratorio, como son pistones, bielas y el mismo cigüeñal. - Reducir las cargas sobre los casquetes o cojinetes de bancada.

Balanceo de Maquinas El desbalanceo mecánico es un problema importante en el desarrollo de maquinaria moderna, especialmente en las de elevadas velocidades de rotación y/o de baja rigidez dinámica. El desbalanceo mecánico es la fuente de vibración más común en sistemas con elementos rotativos, debido a que todo rotor mantiene un nivel de desbalanceo residual. El hecho de que esta vibración sea aceptable o no, depende básicamente de que sus valores se encuentren dentro de las tolerancias de calidad establecidas en las normas para las características y velocidades del rotor en cuestión.

El mantener el desbalanceo residual dentro de tolerancias permitirá:

 – Evitar falla por fatiga en estructuras y elementos asociadas al elemento rotatorio.  – Incrementar la vida útil de la máquina.  – Ahorro de energía.  – Prevenir cargas excesivas en rodamientos debido a sobrecargas.

Maquina de Balanceo Estático

Las máquinas para balanceo estático se utilizan sólo para piezas cuyas dimensiones axiales son pequeñas (disco delgado), como por ejemplo: engranes, poleas, ruedas, levas, ventiladores, volantes e impulsores. Reciben también el nombre de máquinas de balanceo en un solo plano. Si se deben montar varias ruedas sobre un eje que va a girar, las piezas deberán equilibrarse estáticamente de forma individual antes de montarlas.

El equilibrado estático es en esencia un proceso de pesado en el que se aplica a la pieza una fuerza de gravedad o una fuerza centrífuga. En el conjunto disco-eje, la localización del desequilibrio se encuentra con la ayuda de la fuerza de gravedad. Otro método sería hacer girar al disco a una velocidad predeterminada, pudiéndose medir las reacciones en los cojinetes y luego utilizar sus magnitudes para indicar la magnitud del desequilibrio. Para grandes cantidades de piezas, se puede utilizar un sistema de péndulo como el de la figura, el que proporciona tanto la magnitud como la ubicación del desequilibrio y en el que no es necesario hacer girar la pieza. La dirección de la inclinación da la ubicación del indica la magnitud. En el nivel universal , una burbuja, que se muestra en el centro, se mueve con el desequilibrio e indica tanto la ubicación como la magnitud de la corrección que es necesario introducir.

Maquinas de Balanceo Dinamico El objetivo del balanceado dinámico es medir el par desequilibrado y agregar un nuevo par en la dirección opuesta y de la misma magnitud. Este nuevo par se introduce mediante la adición de masas en dos planos de corrección preseleccionados, o bien, mediante la eliminación de masas (haciendo perforaciones) en dichos dos planos. Para equilibrar dinámicamente un rotor, se debe medir la magnitud y ubicación angular de la masa de corrección para cada uno de los dos planos de corrección.

Maquinas Reciprocantes Reciprocantes Se les llama así ya que el movimiento reciprocante es aquel que se usa donde una parte mecánica va y viene, sube o baja de tal forma que este movimiento se usa para desempeñar algún trabajo útil. Con éste movimiento operan varios tipos de máquinas distintas entre sí. .- Motor de combustión combustión interna. Los que que usan los vehículos. vehículos. Usan el movimiento reciprocante para obtener energía mecánica originada por la explosión del combustible. En un cilindro se comprime la mezcla de combustible con aire (Que tiene oxigeno como comburente) , una chispa hace explotar la mezcla, la explosión desplaza un pistón de forma lineal, el cual trasmite a una palanca llamada biela el movimiento lineal y esta a una manivela que transforma el movimiento lineal a circular. Lo que hace al final mover al auto. El Pistón va y viene lo que hace el movimiento reciprocante.

1

2.- Compresor de aire de pistones. Mismo principio que el motor de combustión interna, solo que a la inversa. Un motor eléctrico hace mover las manivelas y estas a las bielas y estas a los pistones que comprimen el aire, para uso industrial. 3.- Bombas de agua o aceite con pistones que presentan movimientos reciprocante.

Conclusiones  Ya terminada la investigación se puede concluir lo siguiente: 

Existen dos tipos de rotores : Los llamados rotores

rígidos  los cuales

tienen este nombre debido a que no representan una deformación considerable a la hora de la velocidad de su funcionamiento y los rotores

flexibles  se les designa con este nombre porque son los que

presenta una variación en su estado de equilibrio.



Se puede decir que los rotores flexibles van a tender a flexar a medida que alcanzan su velocidad de servicio, mientras estos se encuentran hallados entre las 300  – 100 rpm su deflexión es casi nula, por lo que se les dice que están en “modo rígido”



También se debe de resaltar que

los rotores flexibles pueden ser 

balanceados a velocidades bajas utilizando métodos especiales. Estos ígidos son rotores se denominan “cuasi rígidos” o clase 2 (los rotores r ígidos clase 1, y los realmente flexibles son clase 3). 

Generalmente los rotores flexibles deben de ser tratados con extremo cuidado al seleccionar sus planos de balanceo y la velocidad de corrección, para que no se genere desbalances a la hora de montarlos y ponerlos en funcionamiento.



Existe razones que son importantes por las cuales un rotor debe ser  balanceado. La primera de ellas es que las fuerzas creadas por el desbalance son dañinas para la vida de la máquina y de esta manera la misma tendera a tener una deficiencia notable a la hora de realizar  un trabajo útil.

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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 vibración puede traer problemas de mala calidad de productos, como en el caso de máquinas herramientas.

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Cabe destacar que en algunas máquinas pequeñas o de baja velocidad los rotores tienen un comportamiento aproximadamente rígido el cual resulta importante; pero en la mayoría de las máquinas en la actualidad, la alta velocidad y las altas temperaturas hacen que los rotores sufran deformaciones significativas a sus condiciones de servicio.

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El desbalanceo estático se forma cuando la masa que queda sobrante se encuentra en el mismo plano (perpendicular al eje de rotación) que que el centro de gravedad del rotor. Provocando que el eje principal de de inercia del conjunto se desplace paralelamente al eje de rotación.

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Podemos decir que el caso más frecuente y general de desbalanceo es el desbalanceo dinámico el cual 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. Este tipo de desbalanceo se presenta con frecuencia en piezas de gran tamaño como turbinas, compresores industriales entre otros.

Bibliografía  www.austin-dynamics.com/Programas/Manual%20BR%20preview.pdf  prof.usb.ve/Quiroga/descargas/MC2414_ balanceo .pdf  www.buenastareas.com › Ciencia

redalyc.uaemex.mx/pdf/768/76811732004.pdf  www.buenastareas.com › Tecnología

www.bulfon.com.ar/servicios/ balanceo-de-maquinas/