1 ALINEACIÓN Y BALANCEO INDICE 1. Introducción 1.1. Problemas de vibraciones en las máquinas rotantes - El desbalanceo. 1.2. Causas del Desbalanceo 1.3. Desbalanceo Estático y Desbalanceo Dinámico 2.- Método para la determinación del desbalanceo y su corrección Método de Thearle. 2.1. Formulación teórica 2.2. Problema de aplicación 3.- Conclusiones 4.- Bibliografía OBJETIVO GENERAL Adquirir los conocimientos básicos y fundamentos de una buena alineación y balanceo de componentes rotatorios mecánicos mediante el análisis y aplicación de formulaciones teóricas para su corrección.
2 ALINEACIÓN Y BALANCEO INTRODUCCIÓN • La alineación y el balanceo son dos aspectos cruciales en el mantenimiento de los automóviles que contribuyen a un funcionamiento seguro y eficiente del vehículo, así como a la prolongación de la vida útil de los neumáticos y otros componentes. • El balanceo dinámico, es una de las prácticas de mantenimiento que mejor ayuda a extender el ciclo de vida de activos rotativos. Permite reducir altos niveles de vibración, evitar problemas estructurales, aumentar la vida útil de rodamientos y otros componentes, además reducir consumos energéticos. Alineación • La alineación se refiere a la posición relativa de las ruedas en relación con el chasis y entre sí. Cuando las ruedas están correctamente alineadas, están paralelas entre sí y perpendiculares al suelo. • Una alineación incorrecta puede causar desgaste irregular de los neumáticos, vibraciones en el volante y dificultad para mantener el control del vehículo. • Las causas comunes de una mala alineación incluyen golpes en baches, choques leves y desgaste normal con el tiempo. Los tres ajustes principales en una alineación son el ángulo de convergencia, el ángulo de caída y el ángulo de avance.
3 ALINEACIÓN Y BALANCEO Balanceo • El balanceo se refiere a la distribución uniforme del peso en las ruedas y neumáticos. Cuando las ruedas están desequilibradas, puede producirse una vibración incómoda en el volante y el vehículo en general, especialmente a altas velocidades. • El desequilibrio se debe a pequeñas variaciones en la distribución de peso en la rueda, como las válvulas de aire, los contrapesos y los parches de reparación. • Para corregir el balanceo, se colocan contrapesos en las ruedas en puntos específicos para equilibrar el peso y evitar vibraciones. Ambos procedimientos se realizan en un taller de automóviles por profesionales capacitados y con el equipo adecuado **Alineación:** Se utilizan herramientas especiales para ajustar los ángulos de las ruedas, asegurando que estén paralelas entre sí y perpendiculares al suelo. • Una alineación adecuada mejora la estabilidad y el manejo del vehículo. **Balanceo:** Se utiliza una máquina de balanceo para medir la distribución del peso en la rueda y determinar dónde deben colocarse los contrapesos. • Estos contrapesos se colocan en puntos específicos de la rueda para lograr un equilibrio adecuado. Mantener una alineación y balanceo correctos es esencial para asegurar un viaje suave, una mejor economía de combustible, un desgaste uniforme de los neumáticos y la seguridad en la carretera. • Se recomienda realizar estos procedimientos cada cierto tiempo o cuando se presenten problemas evidentes en el manejo del vehículo.
4 ALINEACIÓN Y BALANCEO 1.1. Problemas de vibraciones en las máquinas rotantes El desbalanceo. Las máquinas rotantes son fuentes potenciales de vibraciones. Este fenómeno adquiere significación cuando la máquina, o el elemento rotativo, gira por encima de las 60 rpm, debiéndose, en ese caso, corregirse el problema. La causa más usual de las vibraciones originadas en las máquinas rotativas es el desbalanceo del rotor; es decir, la desigual - distribución radial de masas, que impide que el eje principal de inercia del sistema coincida con el eje de rotación. Sin embargo, el desbalanceo no es la única causa posible de - vibraciones en una máquina rotante. En la Tabla I se indican algunas causas y las características principales de las vibraciones que afectan a dichos equipos.
5 ALINEACIÓN Y BALANCEO El desbalanceo origina una fuerza centrífuga, que deflecta al. eje del rotor; éste se desplaza radialmente, una vez por revolución, desplazamiento que puede ser convenientemente medido. Se trata de una vibración sincrónica. En general, el desbalanceo se expresa como el producto de la masa que lo causa por la distancia de su centro de gravedad al eje de rotación. Las unidades de medida más usuales para el desplazamiento es la milésima de pulgada y para el desbalanceo es la onza.pulg. ó 6 gr.cm -. Como la fuerza originada F = m.e.w2 es proporcional a la masa, a su distancia al eje de rotación y al cuadrado de la velocidad angular de la máquina, una masa muy pequeña podría originar una fuerza perturbadora muy elevada, incompatible con las condiciones de funcionamiento del equipo. Las vibraciones resultantes del desbalanceo provocan excesivo desgaste en cojinetes, bujes, acoplamientos, etc.; problemas de fatiga en elementos rotantes tales como ejes, rotores, devanados eléctricos; y fallas en otros elementos de la instalación, a los que - las vibraciones se transmiten, como ser soportes de cojinetes, fundaciones y cañerías. Finalmente, el ruido es otra secuela no menos importante de este fenómeno. El balanceo es la técnica que permite mejorar la distribución de masas del sistema, de manera de lograr la coincidencia del eje principal de inercia baricéntrico con el eje de rotación. Aunque es en la etapa de diseño de la máquina donde se busca minimizar la desigual distribución de masas, y lograr así un rotor con una distribución perfectamente simétrica, sin embargo, la necesidad de tolerancias de fabricación, la imperfecta homogeneidad de los materiales usados, los procedimientos de fabricación normalizados, etc. impedirán que este objetivo se logre solamente con un diseño adecuado. Por ello, será necesario el balanceo del equipo en la fábrica, antes de su entrega al usuario; pero una vez instalado y en condiciones reales de operación, será conveniente repetir el balanceo. De esta manera podrán tenerse en cuenta otros fenómenos reales que pueden afectar el funcionamiento del equipo: acoplamientos desalineados, problemas en los cojinetes, efectos térmicos, etc.
6 ALINEACIÓN Y BALANCEO Cuando un equipo está integrado en una línea de producción debe compatibilizarse la necesidad intrínseca de balancear una máquina retirándola del servicio y afectando de esta manera el proceso productivo con el daño concreto que se le podría ocasionar si se la mantuviera en funcionamiento defectuoso hasta el período de mantenimiento establecido. Se trata de una decisión en la que el factor económico tiene una preponderancia innegable; los mantenimientos preventivo y predictivo, ampliamente difundidos en los sistemas de producción, aportan información inestimable a la hora de decidir que una máquina debe ser sacada de servicio. Mediante ellos podrá determinarse si las alteraciones en el funcionamiento del equipo, debido a las vibraciones, son de entidad suficiente para justificar la detención del equipo con el objeto de ser restituido a su funcionamiento adecuado mediante su balanceo.
7 ALINEACIÓN Y BALANCEO 1.2. Causas del desbalanceo Si el rotor es nuevo, la principal causa de desbalanceo es, como ya se dijo, la desigual distribución radial de masas. Pero en CO rotores en servicio la curvatura del eje es generalmente un factor frecuente de desbalanceo; la curvatura del eje puede ser causada, a su vez, por la flecha originada por el peso propio del rotor factor importante en máquinas de eje horizontal; por la distorsión térmica que puede afectar a equipos que trabajan en condiciones de temperatura exigentes, como las turbinas de gas o de vapor por fricción en el eje; por disminución en la calidad de los ajustes mecánicos, etc. Pero además, el desbalanceo puede originarse en variaciones de masa de los elementos rotantes, originadas por la corrosión, por la erosión debida a la cavitación, etc. Todas las máquinas rotantes presentan parámetros fundamentales para el estudio de sus vibraciones: son las velocidades críticas, para las que el mecanismo vibra a sus frecuencias naturales, y las amplitudes de la vibración adquieren valores máximos. Así, por ejemplo: Velocidad de funcionamiento Tipo de equipo 1- Por debajo de la primera velocidad crítica - Ventiladores-Bombas 2- Entre la primera y la segunda velocidad crítica - En general, turbinas de vapor. 3- Entre la segunda y la tercera velocidad crítica - Compresores centrífugos - Algunas turbinas de vapor.
8 ALINEACIÓN Y BALANCEO Resulta fundamental tener en cuenta la relación de la velocidad de funcionamiento respecto a las velocidades críticas de la máquina en el momento de efectuar la operación de balanceo, pues los equipos que trabajan a baja velocidad sufren efectos menos rigurosos en relación con aquellos que lo hacen a altas velocidades, equipos que requerirán, por lo tanto, un balanceo más cuidadoso. Pero en este proceso, no sólo debe tenerse en cuenta las variaciones en la amplitud de las vibraciones. En efecto, a medida que el rotor alcanza las diferentes velocidades críticas también varía el ángulo de fase, cuya medida es un medio para conocer la posición angular del rotor en un momento dado. Se produce una diferencia de fase de aproximadamente, 180° entre las mediciones, de amplitud correspondientes a las vibraciones pre y postcríticas. Esta diferencia de fase se denomina usualmente ángulo de desfasaje. ¿Cómo puede definirse al ángulo de desfasaje? Se trata de la diferencia angular entre el punto real de ubicación del desbalanceo denominado lado pesado del rotor del eje debida al desbalanceo y el punto de máxima deflexión denominado lado alto del rotor. Cuando el equipo funciona a bajas velocidades, menores que la primera velocidad crítica, usualmente el lado pesado coincide con el lado alto del rotor. Conforme aumenta la velocidad aproximándose a la primera velocidad crítica, el lado alto se va apartando del lado pesado, por efecto del amortiguamiento, hasta que en la resonancia el ángulo de desfasaje adquiere un valor de 90°, siendo ahora la amplitud máxima. Si aun aumenta la velocidad de funcionamiento, por encima de la velocidad crítica, el ángulo de desfasaje alcanza rápidamente un valor cercano a los 180°. Este fenómeno de cambio en el ángulo de fase, de 0° a 180° se produce en cada velocidad crítica.
9 ALINEACIÓN Y BALANCEO 1.3. Desbalanceo Estático - Desbalanceo Dinámico Cuando un rotor está desbalanceado, el número de velocidades críticas que se encuentran por debajo, o en la proximidad, de la velocidad de régimen, junto a la ubicación longitudinal del desbalanceo, determinarán el tipo de desbalanceo causante de las perturbaciones en el rotor. Los tipos más frecuentes de desbalanceo son los de nominados estático actuante en un único plano y dinámico actuante en, al menos, dos planos. Aunque ambos pueden presentarse separadamente, los equipos que requieren ser balanceados estarán afectados, generalmente, de una combinación de ambos. En el rotor mostrado en la Fig.1, la masa no modifica la ubicación del baricentro G del sistema. De este modo, el eje de rotación del rotor no será un eje baricéntrico. Se está en presencia del llamado desbalanceo estático, que afecta a elementos rotantes angostos, sean discos, ruedas de ventiladores, volantes, etc. Para detectar es te tipo de desbalanceo, se coloca al rotor sobre un dispositivo rígido rieles, por ejemplo, sobre el que pueda rodar; al hacerlo, el lado pesado del rotor se ubicará justamente debajo del eje de rotación. El rotor es sometido, de esta manera, a un ensayo estático sin necesidad de hacerlo funcionar a su velocidad de régimen. El desbalanceo estático puede ser corregido agregando (o quitando) una masa única en oposición (en coincidencia) respecto del lado pesado que se encuentra G - en el ubicada en un plano perpendicular al eje de rotación pasante por el baricentro G. El efecto que produce el desbalanceo estático cuando el rotor funciona a su velocidad de régimen, es la deflexión del eje, de manera tal que sus extremos se desplazan radialmente hacia afuera y en fase hasta sobrepasarse la primera velocidad crítica. Este tipo de desbalanceo tiene mucha importancia a velocidades de funcionamiento bajas y próximas a la primera velocidad crítica.
10 ALINEACIÓN Y BALANCEO Si el rotor presenta en sus planos extremos - o en dos planos paralelos a ellos equidistantes del plano baricéntrico - dos masas iguales, pero separadas angularmente 180° una respecto de la otra, como se indica en la Fig.2, el eje principal de inercia del sistema estará inclinado respecto del eje de rotación, al que intersecta en el punto G. Estamos en presencia del desbalanceo por cupla pura. Cada extremo del eje experimentará una vibración independiente, lo que da idea de una distribución heterogénea de masas. Este tipo de desbalanceo no puede ser detectado mediante un ensayo estático, sino que se deberá hacer rotar el dispositivo. Para corregir este tipo de des balanceo ya no podrá recurrirse a una masa única, como en el caso anterior; deberán colocarse, al menos, dos masas en planos diferentes y separadas angularmente 180° una respecto de la otra, de modo que generen un par de fuerzas igual y opuesto a la cupla desbalanceadora. Al hacer funcionar un rotor que presente un desbalanceo de cupla para llevarlo a su velocidad de funcionamiento, experimentará una vibración atenuada en las proximidades de la primera velocidad crítica, pero sería de gran amplitud si alcanzara la segunda velocidad crítica. Los extremos deflectados del eje lados elevados vibrarán con un desfasaje de 180°entre ellos. Cuando en un mismo rotor se combinan los tipos de desbalanceo estático y de cupla vistos anteriormente, se está en presencia del desbalanceo dinámico. Es el tipo más frecuente, y en él el eje de rotación no es principal de inercia. Es este caso el ilustrado en Fig. 3. La corrección se obtiene, como en el caso anterior, mediante la colocación de masas en dos planos de balanceo, normales al eje de rotación.
11 ALINEACIÓN Y BALANCEO Para lograr que un rotor esté completamente balanceado, deberá lograrse que la suma de todas las fuerzas dinámicas y la suma de todos los momentos generados por ellas sean nulas. 2. METODO PARA LA DETERMINACION DEL DESBALANCEO Y SU CORRECCION METODO DE THEARLE. La complejidad de los problemas de desbalanceo y de las causas que lo provocan exigen, en determinadas ocasiones, realizar el balanceo en el mismo lugar de instalación de la máquina. Es el llamado balanceo de campo o "in situ". ¿Por qué es necesario realizar el balanceo "in situ"? Cierto tipo de máquinas rotativas pueden ir modificando ligeramente su forma con los años de servicio, como consecuencia de la liberación de tensiones y esfuerzos internos; otras máquinas pueden sufrir el efecto de la erosión. Por otra parte, las tareas normales de mantenimiento en máquinas rotativas modifican su estado de balanceo. Pero, fundamentalmente, las grandes máquinas, como turbinas o generadores de potencia deben ser balanceados a su velocidad de funcionamiento y sobre sus propios cojinetes, en razón de la influencia que tienen sobre la respuesta total del sistema su relativa flexibilidad y la rigidez de la fundación. Es como consecuencia de ello, que un rotor largo y flexible estará balanceado para su velocidad de funcionamiento o régimen ya que para otras velocidades presentará perturbaciones no corregidas.
12 ALINEACIÓN Y BALANCEO 2.1. Método de Thearle - Formulación teórica Se desarrollará en este punto uno de los métodos de balanceo utilizado para balancear rotores largos; es decir aquellos que deben ser balanceados mediante la adición de masas de corrección en dos planos de balanceo. El objetivo es determinar la magnitud y la fase de los pesos - 0 masas - de corrección en cada plano, pesos que balancearán el rotor a su velocidad de funcionamiento. Como requisito fundamental del método, debe mantenerse constante la velocidad de funcionamiento del rotor en cada una de las carreras de ensayo (o mediciones) ya que pequeñas variaciones en ella ocasionarían oscilaciones en la señal de salida de los sensores. Dicha señal de salida es proporcional a la frecuencia y a la amplitud de la vibración. Se considera además que las masas de desbalanceo y de corrección necesarias (una en cada plano) estarán ubicadas a la misma distancia radial respecto del eje de rotación. Para la aplicación del Método de Thearle se requieren dos sensores de vibración, en general sensores magnético de alta sensibilidad, cuya señal será la amplitud o la velocidad de la vibración; un dispositivo para medir ángulos de fase, en general un generador. de onda sinusoidal, ubicado cerca de uno de los extremos de la máquina. Los planos extremos del rotor se denominan, respectivamente, PLANO CERCANO (PC) o PLANO LEJANO (PL), en relación con la ubicación del operador que realiza los ensayos, quien enfrentará la máquina viéndola desde el PC. Los ángulos positivos se miden en sentido antihorario. El método proporcionará una serie de valores de desplazamientos y de ángulos de fase que se obtienen realizando tres mediciones a velocidad de funcionamiento de la máquina, ubicada en su propia instalación. Las tres mediciones aludidas son:
13 ALINEACIÓN Y BALANCEO a.- La primera carrera o ensayo mide la vibración producida por el desbalanceo original. b.- La segunda carrera o ensayo consiste en colocar un peso testigo de valor conocido en el PC y medir su efecto en el propio plano PC como en el plano PL. C.- La tercera carrera o ensayo consiste en repetir la operación anterior, colocando ahora el peso testigo en el plano PL, midiendo su efecto en el propio PL y en el plano PC. Configuración de la aplicación Aquí se define el número de planos que se van a balancear, y por tanto el tipo de balanceo que se va a realizar. Para esto, la información de la tabla aclara gráficamente esa selección. De igual forma, este apartado recomienda la posición de los sensores.
14 ALINEACIÓN Y BALANCEO Posteriormente se procede a la configuración de los sensores, a través de la información solicitada, tanto para los acelerómetros como para el tacómetro, evidenciado en la tabla. Este proceso incluye la frecuencia de muestreo. • Configuración del rotor. Se ingresa la cantidad de planos, el número de las posiciones de las masas, el radio desde el centro de rotación a las posiciones de las masas, las unidades de acuerdo con el sistema internacional, o con el sistema inglés, la masa del rotor (esta masa debe ser dividida en el número de apoyos del rotor), la velocidad de rotación de los rotores, la calidad del balanceo y, por último, la metodología de trabajo, ya sea agregando o retirando masas de prueba.
15 ALINEACIÓN Y BALANCEO Pasos del proceso El proceso está divido en tres grandes pasos. En términos generales, en primero lugar se determina el estado inicial de balanceo del sistema, esto permite definir si se requiere realizar el balanceo; en segundo lugar , se introducen, de forma controlada, masas de desbalanceo, fundamentales para determinar tanto la masa de desbalanceo como su posición; en tercer lugar, se realizan los aportes o extracción de masa para balancear, según lo definido en el segundo paso, y por último lugar, se determina si se cumple con los niveles permitidos de desbalanceo, o si se hace necesario realizar nuevamente el proceso.
16 ALINEACIÓN Y BALANCEO Evaluación final del resultado del balanceo El objetivo de la prueba es disminuir el nivel de excentricidad de desbalanceo, señalado con el vector azul. El círculo concéntrico azul representa el desbalanceo residual admisible. Por tanto, el vector de excentricidad después de un proceso de balanceo satisfactorio debería quedar dentro de estos límites. La ventana mostrada en la figura 6 es una herramienta intuitiva que permite evaluar el resultado del proceso. Finalmente, el proceso se valida con el análisis de vibraciones, en el que se debe evidenciar la disminución de la amplitud de vibración, en el espectro en frecuencias, del primer armónico (1X) principalmente, y el cumplimiento de la norma.
17 ALINEACIÓN Y BALANCEO Validación experimental de la metodología El espectro de frecuencia obtenido, donde se evidencia un pico a una amplitud de 2.5 [mm/s] y una frecuencia de 45 [Hz], correspondiente al armónico primario de vibración (1x), dada la frecuencia de giro del rotor. Además de ello, el análisis de fase de este espectro, mediante la comparación de las señales de los dos acelerómetros ubicados en los dos soportes del eje, es aproximadamente igual a un desfase de 40°, lo que evidencia un desbalanceo estático en el rotor.
18 ALINEACIÓN Y BALANCEO Al realizar el balanceo del banco de ensayos del caso I, a partir de las señales obtenidas en los acelerómetros y el desarrollo de la metodología previamente explicada, se obtuvo el espectro. Como se puede observar, la disminución del pico a 45 Hz es notable, ya que descendió hasta un valor de 1.8 [mm/s], y dada la norma ISO 10816, que evalúa la vibración de una máquina mediante medidas en partes no rotativas, el banco de ensayos está dentro de las condiciones deseables de trabajo. Balanceo cuasiestático de un rotor con dos discos
19 ALINEACIÓN Y BALANCEO Balanceo del rotor Se procede a aplicar la metodología de balanceo para un rotor en voladizo, configuración asociada al presente caso. Se puede apreciar el valor actual de excentricidad, y los valores de masas y sus posiciones para corregir ese fallo. Otra información que proporciona es el pronóstico del balanceo (punto verde dentro del circulo azul) con las masas de 1 [g] y el desbalanceo residual de 195,9 [g*mm.]. El valor de desbalanceo residual permisible para este caso es de 13,798 [g*mm].
20 ALINEACIÓN Y BALANCEO Conclusiones • El balanceo de rotores y de sistemas mecánicos rotantes es una aplicación comercial, de las más importantes, de la teoría de vibraciones, pues todo equipo rotativo deberá ser balanceado en fábrica y en su lugar de servicio si trabaja a velocidades de rotación superiores a los 60 rpm. • En su planteamiento y resolución intervienen, además de las consideraciones técnicas, aquellas de orden económico; debe armonizarse el requerimiento de balancear un equipo con la necesidad económica de no resentir el proceso de producción. • Debe diagnosticarse correctamente el origen de las vibraciones en la máquina rotativa, para tener seguridad que éste es el desbalanceo y no otra de sus posibles causas, antes de intentar una operación de balanceo. Caso contrario, el esfuerzo y el tiempo dedicados durante una operación de balanceo para intentar corregir vibraciones que reconocen otro origen, serán estériles, pues no se logrará una solución. • Los grandes equipos rotatorios deberán ser balanceados en su localización balanceo "in situ", sobre sus propios cojinetes y a su velocidad de rotación, para tener en cuenta toda influencia mecánica, estructural y térmica que afecten su funcionamiento. • Para aquellos rotores largos que requieran balanceo "in situ". y en, al menos, dos planos de corrección, el Método de Thearle provee una técnica de balanceo eficaz. No requiere sino instrumentos de medición relativamente sencillos y operadores medianamente capacitados para su aplicación. • Tiene la ventaja de basarse en datos de amplitud y fase representantivos del desbalanceo original y de los efectos causados en el funcionamiento del equipo con la adición de pesos testigos en los planos de corrección. Estos datos conforman magnitudes fasoirales. • De allí la posibilidad de generar una forma de solución gráfica mediante los diagramas fasoriales correspondientes y una solución analítica que opera los datos como números complejos.
21 ALINEACIÓN Y BALANCEO • La solución analítica, mediante el ordenamiento tabulado de datos y operaciones, permite una rápida determinación de las incógnitas, sin contar que su estructura facilita la elaboración de programas de cómputos que aceleran la obtención de los resultados. • La solución gráfica requiere sólo de un número limitado de gráficos sencillos, y de algunos cálculos auxiliares, también simples, para arribar a valores aproximados, pero satisfactorios, de las incógnitas. • Aplicada con esmero, provee resultados cuyos errores son reducidos, respecto de los obtenidos mediante la solución analítica. • En síntesis, los ingenieros de mantenimiento cuentan, en el Método de Thearle, con una herramienta, rápida, sencilla y eficaz a la hora de resolver problemas de vibraciones, cuyo origen sea el desbalanceo de masas, aplicable a rotores largos y en su lugar de servicio. Ello redunda en operaciones que demandan una cuota de esfuerzo y tiempo compatibles con las necesidades económicas de la producción, lo que redunda en reducir los costos de mantenimiento y de operación de los equipos.
22 ALINEACIÓN Y BALANCEO BIBLIOGRAFÍA John MACDUFF - John CURRERI Vibration Control - Mc Graw-Hill Book Company Inc.. 1958 Joseph Edward SHIGLEY Theory of Machines Mc Graw - Hill Book Company Inc. Tokio 1961. Paul BAUR "Field balancing of rotating machinery" "Power" En la Revista Octubre de 1983. Bianchi - Falcinelli Diagnóstico de fallas mediante el análisis de vibraciones Ed. Nueva Librería, Buenos Aires 1986 J.P.Den Hartog Mecánica de las Vibraciones - Ed. C.E.C.S.A. México 1980 F.B. Seely y N.E.Ensign Mecánica Analítica para Ingenieros - Ed.UTEHA México 1951 TABLA DE CONTENIDO Fecha Responsable: Revisión / Motivo de la revisión 08/2023 José Jonathan Torres Guillén Creación de Material 08/2023 Rodolfo Quiroz Revisión y ajustes