La distribución de masa no-uniforme alrededor del centro de rotación crea la fuerza centrífuga que se transfiere a la estructura inmóvil. El cojinete consigue "pegarse" en el proceso. Si la distribución masiva fue perfecta, entonces no habría fuerza centrífuga, de ahí ninguna vibración. El balance perfecto es indetectable porque no habría vibración que medir. Esta es una pequeña teoría para estimular sus neuronas filosóficas.
Sin embargo, el verdadero propósito de este artículo es de proporcionar algún conocimiento para ayudarlo a hacer las decisiones inteligentes de compra. Algunos instrumentos trabajan mejor que otros, y hay una gran variedad en el costo. Aparentemente no existe una correlación entre costo y el desempeño. Los instrumentos de bajo costo logran resultados igualmente buenos que los más caros. Los instrumentos de bajo costo tienden a ser más fáciles de aprender a usar por no presentar confusión con características agregadas.
Antes de presentar los instrumentos de balanceo electrónico, vale la pena de discutir la opción por default. Es posible balancear la masa sin ningún instrumento.
Sin Instrumentos
Balanceo estático, ya sea en un estado en el lugar en los propios cojinetes de la máquina, es un método que no requiere instrumentos de medición. Es un método de ensayo y error que corrige solo un plano, pero funciona.
La oscilación por tiempo es otro método semejante al balanceo estático. Requiere sólo de un cronómetro y una bascula. Ha sido utilizado para balancear exitosamente rotores grandes y pesados de hasta 20 tons1.
El método del marcado-con-lápiz sólo requiere de un lápiz (u otro marcador) para identificar la "irregularidad" en el eje de rotación. Fue utilizado exitosamente por décadas antes de los instrumentos electrónicos de vibración-medición, y todavía es descrito en algunos manuales actuales para la instalación de equipo.
Instrumentos Electrónicos Genéricos
Para medir el desbalance de la vibración, sin contaminación de otras fuentes, necesito una amplitud filtrada a velocidad de rotación. Los instrumentos electrónicos modernos empiezan con un transductor que convierte el movimiento físico en una variación electrónica de voltaje. El transductor puede ser un acelerómetro, sensor de velocidad, o punta de proximidad. Estas últimas sólo son utilizadas cuando vienen instaladas por el fabricante del equipo. Nunca son utilizadas en instrumentos portátiles para balanceo de campo, o en maquinas balanceadas. Los sensores de velocidad son los más sensibles, y son el transductor preferido para balancear a causa de su amplificación natural de movimiento de baja frecuencia debajo de 61 Hz (3.660 Rpm). Los acelerómetros tienen ventajas de tamaño, más pequeños y más ligeros, para entrar en lugares pequeños. Tanto los transductores de velocidad y los acelerómetros pueden ser utilizados para balancear con resultados equivalentes.
La señal de variación de voltaje del transductor es filtrada a la velocidad de rotación. Esto se puede realizar con una caja analógica o una caja digital. Los instrumentos analógicos son una tecnología más vieja, son más fáciles de aprender a utilizar, menos costosos, más fácil de usar, y más rápidos. Sin embargo, hay que tener cuidado que la lectura de amplitud puede estar equivocada cuando el voltaje de la batería deja cae debajo del límite más bajo.
Las cajas digitales mantienen la certeza correcta hasta que parpadeen debido a voltaje bajo de la batería. Las cajas digitales generalmente cuestan más, pero tienen características más útiles, como promediar y memorias. Un analizador de baja frecuencia de espectro es un excelente instrumento de balanceo y tiene el beneficio agregado de hacer análisis de vibración en el lugar viendo todas las vibraciones simultáneamente. Es, sin embargo, un instrumento complicado para aprender, y difícil de utilizar con confianza.
Si el método de influencia-coeficiente es utilizado para balancear, entonces también necesito una medida de fase. Esta puede ser adquirida con una luz estroboscópica o un fotosensor apuntando hacia la cinta reflectora en el rotor. La luz estroboscópica requiere de una línea de acceso visual al rotor y puede ser difícil de ver en condiciones difíciles de luz exterior, como ventiladores de torre de refrigeración. La luz estroboscópica es más rápida de utilizar, y típicamente viene con instrumentos analógicos. El fotosensor requiere algún tiempo extra para configurarlo y colocar los cables. También requiere parar la máquina para pegar la cinta, después reiniciar la maquina, antes de que la primera medida pueda ser adquirida. Todos estos pasos extras con el fotosensor lo hacen más lento para balancear.
Una báscula es necesaria para pesar con seguridad las pruebas de peso y la corrección de pesos. Es, sin embargo, posible balancear la masa sin una báscula. En ese caso, las pesas de corrección son una proporción de las pesas de prueba, y del nivelador entonces tiene que resolver cómo proponer X tiempos el peso de prueba. Todos los niveladores profesionales incluyen una bascula portátil.
El último instrumento genérico es algo que simplemente proporciona un medio para calcular la cantidad de peso de corrección y ubicación de las medidas de vibración. Esto podría ser:
A. Un transportador, 1 compás, y una calculadora aritmética portátil cuando se usa el método de las 4 carreras.
B. Papel cuadriculado de vector, un transportador, y calculadora portátil para el método de influencia-coeficiente de un solo plano.
C. Una calculadora o computadora personal portátil para hacer el balanceo de dos planos.
D. La capacidad de la calculadora puede estar incluida en el instrumento de balanceo. El técnico aprieta un botón cuando él/ella está satisfecho con la estabilidad de las medidas de vibración. El instrumento carga los nuevos datos en una matriz, entonces calcula automáticamente la cantidad de corrección y ubicación cuando la matriz está llena.
Los instrumentos de balanceo para taller son básicamente los mismos que los instrumentos de balanceo de campo. De hecho, al comprar una máquina de balanceo, es sabio sólo considerar esas máquinas con instrumentos separables si el balanceo de campo es una posibilidad en su futuro.
Instrumentación Minima
La instrumentación mínima para el balance de masa puede ser cero si uno de los métodos anteriores en "ningún instrumento" se utiliza. Si quisiera utilizar un balance de medición de vibraciones, el mínimo podría ser un sensor de velocidad y un voltímetro AC. Esto podría costar tan poco como USD $ 200. Con esta amplitud de medición simple, podría balancear con éxito un solo plano utilizando el método de las 4 carreras sin fase. Cualquier medidor de vibración total podría hacer lo mismo.
Para refinar la medición solamente hacia desbalance, podría utilizar un instrumento de filtro sintonizable para obtener la amplitud filtrada a velocidad de rotación. Hay muchos más instrumentos analógicos que se venden en el mercado en el sector de usados que trabajan muy bien. Si el instrumento de filtro sintonizable también cuenta con una luz estroboscópica, entonces podrá obtener las lecturas de la amplitud y la fase, y tienen la capacidad de hacer balance de 2-planos o multi plano utilizando el método del coeficiente de influencia. La capacidad de cálculo para los cálculos de matriz utilizando el método del coeficiente de influencia es ahora de dominio público y puede descargarse a través de Internet.
Sinceramente, nosotros en Machine Dynamics preferimos no utilizar medidas de fase para balanceo a menos que sea necesario. La fase es la medida más difícil de tomar, y es la menos precisa. La Fase sólo es necesaria para el balanceo de 2-planos utilizando el método del coeficiente de influencia. El balanceo de dos planos sólo es requerido para corregir el desbalance de cople cuando un serio efecto cruzado está presente. Nosotros preferimos mantener las cosas simples y en un solo plano, que es un 70 por ciento de todo el balanceo de campo.
También hay ocasiones en las que las mediciones de fase no se quieren. Esto es cuando la Fase no es estable (es decir, cuando varía 10 grados o más). También es prudente abandonar las mediciones de fase cuando el peso de la primera corrección no tiene al menos un 50 por ciento de mejora en la vibración. La matriz podría ser mal acondicionada y el método de coeficiente de influencia no puede converger a todos. Todos los instrumentos de balanceo modernos tienen la capacidad de medición de fase y se centran en el método del coeficiente de influencia, a veces de forma exclusiva. Esta es una advertencia acerca de los instrumentos modernos.
Existe otro método para hacer balanceo de 2 planos sin mediciones de fase, que compensa el efecto de Cruz y de desbalance de cople simultáneamente 2. El Método del Cople Estático también puede utilizarse para balanceo de 2 - o 3 planos usando los cálculos de una sola fase sin las mediciones de fase.
Instrumentación Maxima
No se han producido mejoras significativas en los instrumentos de balanceo en los últimos 30 años. Las presentaciones recientes han sido cambios de estilo, con pantallas de colores y la capacidad de generación de informes. La mejora más significativa fue en la década de 1970 con el filtro de seguimiento. Este es un filtro de paso de banda que permanece centrada en la velocidad de rotación. Normalmente es aplicado en los instrumentos de medición digital con una fase de fotosensor (que proporciona una señal de tacómetro para medir la velocidad). Esto estabiliza la medición de amplitud y de fase como los cambios de velocidad de la máquina. También mejora la estabilidad de las mediciones cerca de las resonancias, que han sido la perdición del balanceo. El filtro de seguimiento de vino de la radio tecnología.
Yo no compraría ningún instrumento moderno de balanceo a menos que tenga un filtro de seguimiento. La manera de prueba de esto es variar la velocidad de la máquina y observar lo mucho que la amplitud, y sobre todo la fase, cambian. Un buen filtro de seguimiento mostrara los cambios graduales de amplitud a medida que la fuerza centrífuga crece o disminuye con la velocidad, pero con cambio de fase insignificante a menos que se encuentre una resonancia. Un filtro de seguimiento de simulación se ha incorporado en los analizadores de espectro modernos, con un multiplicador de frecuencia y una fase de bucle cerrado, ver la figura 1.
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Otra técnica para mejorar la medición del balanceo es el vatímetro. Este se ilustra en la Figura 2.
Un vatímetro recibe voltaje en una entrada, y la corriente en una segunda entrada. Los dos se multiplican entre sí para mostrar potencia en vatios. Para efectos de balance, la tensión de entrada puede ser de un sensor de velocidad y la corriente de entrada de un generador o alternador, impulsado por el rotor a ser balanceado. La onda senoidal del alternador, cuando se aplica al complejo voltaje de tensión de vibración, enfatiza grandemente la amplitud a velocidad de rotación. Esta técnica, utilizando un oscilador cuya frecuencia es ajustada por la señal del tacómetro, se sigue utilizando en algunos de los instrumentos de balanceo, aunque es una técnica antigua que data de la década de 1920. Mejora la relación de señal-ruido en Máquinas de balanceo de cojinetes duros, pero generalmente no es necesario en otros lugares.
Los instrumentos de balanceo de más costo tendrán la capacidad de varios sensores para realizar el balanceo de planos múltiples. También tendrán la capacidad de construir una matriz más amplia de varias velocidades y promediar los datos para una mejor solución. Esto es útil para el balance de rotores flexibles.
Los mejores instrumentos también tendrán memorias para almacenar los vectores de sensibilidad para el balance de una carrera en la misma máquina de nuevo en el futuro.
Conclusión
El instrumento que mide la vibración es el factor menos importante para determinar los resultados del balanceo. Casi cualquier instrumento con el método adecuado lo hará. La persona que toma las mediciones, la selección de métodos, así como reconocer cuando las cosas no van bien, es el factor más importante en la obtención de un buen balanceo.
Los Instrumentos de medición de vibraciones son maduros para fines de balanceo. Incluso los antiguos instrumentos con más de 50 años pueden medir fácilmente los bajos niveles para lograr un excelente balance. En mi opinión, no es necesaria ninguna mejora en la sensibilidad de los instrumentos de balance. Sin embargo, hay espacio, para mejora en los métodos.
Victor Wowk, P.E.,es el presidente de Machine Dynamics, Inc., ubicada en Albuquerque, Nuevo México, EE.UU.. Es el autor de Machine Vibration: Balancing, publicado en 1995 por McGraw-Hill. Ofrece un seminario de dos días anualmente en Phoenix, Arizona, EE.UU. Puede apartar su lugar en www.machinedyn.com.
Referencias
- R.S. Beebe, MCM Consultants, Machine Condition Monitoring, 2001 reprint. ISBN 0646250884.
- Louis J. Everett, “Two-Plane Balancing of a Rotor System Without Phase Response Measurements,”
- Transactions of the ASME Journal of Vibration, Acoustics, Stress and Reliability in Design, April 1987, Vol. 109, pages 162-167.
