Describirá el uso de un Sistema de Balanceo de un Ventilador Activo utilizado para controlar el desbalance relacionado de los niveles de vibración en los ventiladores; y detalla también unas pocas instalaciones activas de balanceo y describe los beneficios que estos usuarios han experimentado.

Causas comunes de vibración en ventiladores centrífugos

Desde que se fabrican los ventiladores centrífugos han sido susceptibles a problemas relacionados con la vibración. Estos problemas van de sencillas condiciones de desbalance causadas por variaciones masivas en el rotor del ventilador a asuntos más complejos relacionados a la alineación del eje, fatiga de cojinetes, o asuntos de resonancia. En muchos casos los niveles excesivos de vibración en ventiladores llevan a fallas imprevistas y forzadas a realizar el mantenimiento. Una vez que a esta etapa, estas fallas son necesarias para mantener la seguridad. Sin embargo, la mayoría de las veces, son costosas tanto en mantenimiento como en pérdida de producción.

Los estándares han sido puestos en cuanto a lo que son los niveles aceptables de vibración correspondientes a las velocidades de operación. El gráfico mostrado en la Figura 1 es aceptado comúnmente como los criterios para niveles de vibración en la mayoría de los equipos de rotación. Otras fuentes que resumen los niveles aceptables de balanceo y vibración para ventiladores incluyen la norma ANSI/AMCA 204-96, "la Calidad del balanceo y Niveles de Vibración para Ventiladores" e ISO 14694:2003, "Ventiladores de Valor industrial – las Especificaciones para la Calidad del balanceo y Niveles de Vibración".

Líneas abajo encontraremos breves discusiones de las causas más comunes de vibración en ventiladores centrífugos junto con los síntomas y métodos correspondientes para su corrección.

Desalineación del Eje

La alineación apropiada entre un eje impulsor motriz y el eje de un ventilador es un paso importante que debe de ser atendido apropiadamente durante la nueva instalación del ventilador o si un eje/rotor es reemplazado. El desbalance entre un eje motriz y el eje del ventilador tiene como resultado típicamente un componente armónico de vibración de 1X y de 2X. A menudo, las condiciones del desbalance llevarán también a niveles excesivos de la vibración axial. Desde que la mayoría de los ventiladores no son equipados con las puntas axiales de vibración, esto a menudo no es detectado a menos que el componente de la vibración 2X exista. El desbalanceo puede ser causado por una instalación descuidada de un equipo nuevo, pero más es causado comúnmente por ejes doblados o cojinetes impropiamente puestos. La desalineación debe poder ser detectada antes de poner en marcha un ventilador utilizando un sistema de alineación láser o de dial para verificar la alineación apropiada entre el eje motriz y el eje del ventilador. Sin embargo, un eje doblado de ventilador no puede ser detectado por el sistema de alineación, que puede permitir que los síntomas anteriores persistan.

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Resonancia

Los problemas de la resonancia son a menudo por dos aspectos en el ensamble de ventiladores de gran tamaño. El primer componente que tiene que ser atendido es el de las velocidades críticas. La cartografía crítica de la velocidad es típicamente una tarea que es dirigida durante el nuevo diseño de un ventilador. La mayoría de los ventiladores son diseñados para operar bajo las primeras velocidades críticas. Los factores a evitar la velocidad crítica en el diseño del ventilador en general, el espacio entre cojinetes, y la necesidad de la velocidad para operar para producir la corriente de aire requerida. Si un ventilador opera encima de la primera velocidad crítica entonces se requiere de especial cuidado se tiene que poner a los niveles de vibración mientras el ventilador acelera hasta la velocidad operacional y, lo que es más importante, que descienda hasta detenerse de la velocidad operacional. Los niveles excesivos de vibración al pasar por una velocidad crítica pueden llevar a un daño severo en los cojinetes, a los sellos, y a otro equipo relacionado.

El segundo factor, la resonancia estructural, puede ser mucho más difícil de predecir. Cada estructura tiene una frecuencia natural en la que resonará. Si un ventilador opera en un punto estructural de la resonancia que no es corregido lo puede llevar también a fallas del componente. La resonancia estructural puede ocurrir a la velocidad operacional de 1X o en una frecuencia armónica (2X, 3X, etc.). La resonancia estructural variará dependiendo de la velocidad operacional y puede ser identificada fácilmente realizando un mapeo gráfico de la amplitud de la vibración, contra la frecuencia, contra la velocidad giratoria.

Conexiones mecánicas flojas

La holgura en alguna conexión mecánica entre las tapas de los cojinetes, los pedestales, o las bases puede causar niveles excesivos de vibración o amplificar un problema ya existente de desbalanceo. En la mayoría de los casos, una conexión mecánicamente floja producirá niveles armónicos de vibración (2X, 3X, etc.) y puede producir también niveles sub-armónicos de vibración (X/2, X/3, etc.). La vibración causada por conexiones mecánicamente flojas es a menudo mal diagnosticada debido a la presencia de niveles sub-armónicos de vibración.

Un segundo tipo de vibración causada por conexiones mecánicamente flojas puede suceder si hay holgura en la conexión entre el rotor del ventilador y el eje del ventilador. En muchos casos esto inducirá a un desbalanceo muy alto relacionado al nivel de vibración que no es necesariamente a 1X de la velocidad operacional. Este tipo de la vibración puede ser muy difícil de determinar, pero se corrige fácilmente si se encuentra. En la mayoría de los casos, una interferencia apropiadamente diseñada entre el eje del rotor y el eje del ventilador puede ser aplicada para evitar esta condición.

Ejes o rotors cuarteados

La propagación de grietas ya sea en el eje del ventilador o en el rotor puede llevar a uno de los modos de falla más temidos en cualquier tipo de equipo de rotación. Si no es detectada, una grieta en un eje o en el rotor puede llevar finalmente al fracaso catastrófico del ventilador. El descubrimiento temprano de la grieta puede suceder si si la tendencia de la vibración y el análisis se llevan acabo en el equipo. Los síntomas comunes de una grieta que se propaga en un ventilador son una salida y crecimiento de un componente 2X de la vibración junto con un cambio en la fase y la amplitud del componente de la vibración 1X.

Masa del Rotor Desbalanceada

La masa del rotor desbalanceada es la causa más común de vibración excesiva en la mayoría de los equipos rotatorios y en los ventiladores. El síntoma primario de masa de rotor desbalanceada es un nivel alto de vibración 1X. La variación masiva del rotor lleva a una condición de desbalanceo que es causada típicamente por cuatro factores primarios.

  1. Las variaciones en la fabricación pueden llevar a masa desigualmente distribuida en el rotor del ventilador.
  2. La exposición a altas temperaturas de corrientes de aire pueden causar el crecimiento desigual del rotor del ventilador.
  3. El deterioro del rotor del ventilador causado ya sea por el impacto de partículas a alta velocidad o el paso corrosivo de materiales por el ventilador.
  4. La acumulación desigual de materiales o contaminación en el rotor del ventilador.

Este asunto final puede ser compuesto por pedazos grandes de materia que se descascarilla y causa una vibración muy repentina y excesiva. Las cantidades excesivas de masa de rotor desbalanceada pueden tener dos efectos perjudiciales en los ventiladores. La principal preocupación es la fatiga a largo plazo, causada por el golpeteo de fuerzas que ocurre al trabajar en niveles elevados de vibración. La segunda preocupación, aunque rara en ventiladores, es el pase por velocidades críticas en el arranque o en el cierre. Las cantidades excesivas de masa de rotor desbalanceada pueden amplificar también otras condiciones de vibración, tal como una tapa floja de cojinete o inestabilidad en una base. Muchas de las fallas imprevistas que suceden debido a la vibración excesiva son simplemente debido a cantidades excesivas de masa de rotor desbalanceada.

Corrigiendo la condición de desbalanceo en los Ventiladores

Las acciones correctivas pueden ser tomadas para reducir la cantidad de desbalanceo, incluyendo el remover las partículas acumuladas del rotor del ventilador o realizar un balanceo mecánico del ventilador. Sin embargo, ambas acciones requieren una parada del ventilador por algún espacio de tiempo. Hay dos métodos para corregir la masa desbalanceada para compensar la vibración 1X, ya sea un sistema de balanceo manual que es a menudo portátil y puede ser utilizado en múltiples aparatos o un sistema dedicado de balanceo activo.

Correcciones manuales de Balanceo

El procedimiento de la corrección manual del balanceo o balanceo fuera de línea (off-line) es una acción común que sucede durante la instalación de un equipo nuevo o como un procedimiento de mantenimiento durante una interrupción planeada. La corrección del balanceo es típicamente un proceso de 6 partes que sigue estos pasos:

  1. Limpie el impulsor de cualquier aumento de partícula.
  2. Mida el ángulo inicial de fase de vibración y magnitud.
  3. Pare el ventilador y agregue una masa conocida de prueba en una ubicación conocida.
  4. Arranque el ventilador y mida el ángulo resultante de fase de vibración y magnitud. Esta información entonces es utilizada para computar la sensibilidad del ventilador o respuesta para desbalanceo).
  5. Una vez que este cálculo es hecho, el ventilador es detenido y uno puede determinar la cantidad apropiada de masa para el peso del balanceo y qué ubicación para agregar el peso.
  6. El peso es añadido y el ventilador se vuelve a poner en marcha.

Los pasos 3-6 de este proceso pueden ser repetidos muchas veces dependiendo del nivel de experiencia del técnico y la sensibilidad del equipo.

Aunque una corrección manual del balanceo es típicamente necesaria para los equipo nuevos durante su instalación y durante cierres planeados, tiene los inconvenientes si usted necesita emplear esta técnica regularmente entre intervalos planeados de mantenimiento. La cantidad de tiempo requerida para realizar una corrección manual de balanceo puede ser muy difícil de determinar, especialmente si esta relacionada a asuntos de permisos, cooperación entre servicios, y la facilidad para balancear el ventilador. Cuando se prende y se apaga constantemente un motor puede llevar a recortar la esperanza de vida del motor y otros equipos asociados. Las aplicaciones variables de velocidad pueden encontrar que esas correcciones diferentes de balanceo son necesarias para velocidades diferentes de operación. Y, aunque raro en la mayoría de las aplicaciones de ventilador, para el equipo que pasa por velocidades críticas, los niveles excesivos de vibración experimentados al pasar por una velocidad crítica pueden llevar al desgaste excesivo del cojinete y de los sellos.

Corrección Automática del Balanceo

Un segundo tipo de Sistemas de Balanceo ha estado en uso desde el inicio de los años 80´s y permite a los usuarios a controlar continuamente los niveles de vibración del ventilador y realizar correcciones de balanceo sin tener que parar el ventilador. Estos sistemas han sido llamados Sistemas de Balanceo activo o automático. Estos sistemas consisten en un sistema de control, en los anillos de balanceo, en los activadores, y en los sensores de vibración. El anillo de balanceo se conecta permanentemente al eje del ventilador. Este anillo contiene pesas internas que pueden ser recolocadas para compensar la masa desbalanceada y compensar los niveles excesivos de vibración 1X (ver la Figura 2).

balanceo_activo_2

Operación de un Sistema Activo de Balanceo

Los sistemas activos operan en un concepto sencillo se sentido, y entonces se ajustan. El sistema se pre-establece para monitorear continuamente los niveles de vibración del ventilador. Los usuarios programan un rango fijo de tolerancia que ellos determinen para mantener el nivel de vibración. Cuándo los niveles de vibración alcanzan el límite superior del rango de tolerancia, el sistema de control determina el ángulo necesario de la magnitud y la fase de corrección requerida para el balanceo.

El control manda el poder y los datos a un activador inmóvil que se comunica con un anillo de balanceo giratorio. El activador ordena a las pesas internas en el anillo de balanceo moverse a las nuevas posiciones para corregir el desbalanceo y recuperar el nivel de vibración 1X dentro del rango de tolerancia. La figura 3 proporciona un esquema de una configuración típica de este sistema.

balanceo_activo_3

Aplicaciones para un Sistema de Balanceo Activo

Los sistemas activos han sido empleados en numerosos tipos de equipos de rotación. Su eficacia en controlar los niveles de vibración 1X causados por la masa del rotor desbalanceada en ventiladores de tipo industrial continúa siendo un área primaria de aplicación. Hay tres tipos primarios de ventiladores en los cuales se ha aplicado el uso de estos sistemas activos de balanceo. Estos son: Tipo I Soporte en línea, transmisión sencilla. Tipo II Doble Soporte, transmisión Sencilla. Tipo III Doble soporte, doble Transmisión (ver la Figura 4).

La configuración del ventilador define el número de corrección de balanceo requerido. La variación en el tamaño y la velocidad operacional del ventilador, así como las condiciones del proceso, dictan la capacidad necesaria de la corrección que es construida en el sistema activo.

Beneficios de utilizar estos Sistemas

El objetivo primario de un sistema activo es de mantener los niveles de vibración bajos mientras el proceso continúa operando. Mantener muy bajos los niveles de vibración tiene típicamente impactos positivos en una planta desde el punto de vista de los departamentos de producción y del de Mantenimiento. El beneficio más visible es la habilidad de mejorar la confiabilidad y la disponibilidad de los ventiladores. Esto lleva a reducciones en los cierres planificados e imprevistos de Mantenimiento, que son utilizadas típicamente para medios más convencionales de corregir problemas de desbalanceo. Muchos usuarios encuentran también que además de eliminar las fallas imprevistas e intermitentes de mantenimiento a menudo pueden extender el período entre cierres planeados de mantenimiento. Para plantas que planean esperar de 1 a 2 años entre cierres planeados de mantenimiento, esto puede tener un impacto muy positivo.

Los beneficios secundarios incluyen la extensión de vida del equipo, tal como los motores, cojinetes, y sellos al operar por periodos más largos de tiempo en niveles bajos de vibración. Otro beneficio es la reducción de consume de combustible y energía al limitar el numero de arranques y paros en el proceso.

Interactuando con un Sistema Activo de Balanceo

Uno de los datos más útiles que pueden ser obtenidos de un sistema activo es un evento de registro de datos que rastrea el uso del sistema. Este registro demostrará al empezar y al terminar los niveles de vibración y la fase de ángulo así como la cantidad de tiempo requerido para completar una corrección de balanceo.

Los datos almacenados pueden ser utilizados también para calcular efectivamente una corrección manual requerida, por lo tanto, reduciendo el tiempo y los esfuerzos requeridos durante un cierre planeado. Esta información puede ser accesada a través de un software de control basado en Windows. El sistema puede ser atado también en un Sistema Digital del Control (DCS) a través de una interfase PLC. Esto pone el control del sistema y los datos delante de un operario siempre.

El sistema de balanceo también puede ser accesado vía un módulo de interfase remoto (ver la Figura 4) esto permite al sistema ser vinculado a una red de la planta a través de una conexión de Ethernet. Esta interfase remota proporciona una conexión segura para usuarios remotos para descargar los datos históricos, acceso y el cambio de parámetros, monitorear los niveles de vibración y los permisos completan el control del sistema de cualquier ubicación alrededor del mundo.

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Resumen y Conclusiones

Hay muchas causas diferentes de vibración en el equipo de rotación. En el orden para tratar efectivamente con todas las causas, es necesario implementar un Programa de mantenimiento basado en condición efectivo que pueda identificar las situaciones problemáticas antes que se vuelven las situaciones potencialmente catastróficas.

Los sistemas activos de balanceo ayudan a resolver una de las causas más comunes de vibración excesiva en equipo rotatorio compensando la masa del rotor desbalanceada. Estas correcciones son hechas mientras el equipo esta en servicio, evitando costosas fallas. Las reducciones en amplitudes de vibración 1X causadas por masa de rotor desbalanceada ayuda también a aminorar los efectos de otras condiciones de vibración tales como la holgura en cojinetes o rigidez inadecuada en soportes, pedestales o bases. Los sistemas activos pueden proporcionar información detallada de tendencias que puede ser utilizada para los cierres planificados y para participar en identificar otros problemas de vibración que no son demostrados estrictamente en la velocidad operacional de 1X. El uso apropiado de estos sistemas permite a los usuarios aumentar la disponibilidad del equipo, trabajar en un proceso de producción más estable, y, últimamente lleva a una operación más segura y más confiable.

Andy Winzenz es Gerente de Productos en LORD Corporation, con cede en Cary, NC, EEUU. Andy ha trabajado en la industria del Balanceo y la Vibración por 11 años y ha desempeñado diversas posiciones tanto en Ventas como en Ingeniería en este tiempo. Andy puede ser contactado en Andy_Winzenz@lord.com o al 919-468-5981.

Referencias

  1. Adams, Maurice L., Rotating Machinery Vibration – From Analysis to Troubleshooting, Marcel Decker, Inc., 2001
  2. Harris, Cyril M., Shock & Vibration Handbook-Third Edition, McGraw Hill Book Company, 1988
  3. Hartog, J.P. Den, Mechanical Vibrations, Dover Publications, 1985
  4. ANSI/AMCA 204-96, Balance Quality and Vibration Levels for Fans
  5. ISO 14694:2003, Industrial Fans – Specifications for Balance Quality and Vibration Levels

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