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lunes, 20 de junio de 2016

Equilibrado de rotores

IMPORTANCIA DEL EQUILIBRADO
Si la masa de un elemento rotativo está regularmente distribuida alrededor del eje de rotación, el elemento está equilibrado y gira sin vibración.
Si existe un exceso de masa a un lado del rotor, la fuerza centrífuga que genera no se ve compensada por la del lado opuesto más ligera, creando un desequilibrio que empuja al rotor en la dirección más pesada. Se dice entonces que el rotor está desequilibrado.

El desequilibrio de piezas rotativas genera unas fuerzas centrífugas que aumentan con el cuadrado de la velocidad de rotación y se manifiesta por una vibración y tensiones en el rotor y la estructura soporte. Las consecuencias pueden ser muy severas:
Desgaste excesivo en cojinetes, casquillos, ejes y engranajes.
Fatiga en soportes y estructura.
Disminución de eficiencia.
Transmisión de vibraciones al operador y otras máquinas.
Por tanto el equilibrado tiene por objeto:
Incrementar la vida de cojinetes
Minimizar las vibraciones y ruidos
Minimizar las tensiones mecánicas
Minimizar las pérdidas de energía
Minimizar la fatiga del operador.

CAUSAS DE DESEQUILIBRIO
El exceso de masa en un lado del rotor (desequilibrio) puede ser por:
|Tolerancias de fabricación en piezas fundidas, forjadas e incluso mecanizadas.
|Heterogeneidades en materiales como poros, inclusiones, diferencias de
densidad.
|Falta de simetría en diseño, tales como chaveteros, etc.
|Falta de simetría en uso tales como deformaciones, distorsiones y otros
cambios dimensionales debido a tensiones, fuerzas aerodinámicas o
temperatura.
Las piezas rotativas se deben diseñar para un equilibrado inherente. No obstante la comprobación del equilibrado es una operación complementaria en su fabricación ya que se pueden generar heterogeneidades, deformaciones en marcha, etc., que deben ser equilibradas.
En cualquier caso siempre quedará un desequilibrio residual que será o no admisible en función del tipo de máquina y su velocidad de rotación. Ese desequilibrio admisible será función, por tanto, de la velocidad de rotación. El desequilibrio se mide en gramos x milímetros, aunque también es muy usada la unidad gramos x pulgada (g-inch).

TIPOS DE DESEQUILIBRIO Y EFECTOS
La norma ISO 1925 describe cuatro tipos de desequilibrio, mutuamente exclusivos. Se describen a continuación con ejemplos colocando masas desequilibradoras sobre un rotor perfectamente equilibrado:

a) Desequilibrio Estático


También llamado desequilibrio de fuerza.
Existe cuando el eje principal de inercia está desplazado paralelamente al eje de giro.
Se corrige colocando una masa correctora en lugar opuesto al desplazamiento del C.G., en un plano perpendicular al eje de giro y que corte al C.G.

b) Desequilibrio de Par

También llamado desequilibrio de momento.
Existe cuando el eje principal de inercia intersecta con el eje de giro, en el C.G.:
Dos masas de desequilibrio en distintos planos y a 180º una de otra. Para su corrección se precisa un equilibrado dinámico. No se pueden equilibrar con una sola masa en un solo plano. Se precisan al menos dos masas, cada una en un plano distinto y giradas 180º entre sí. En otras palabras, el par de desequilibrio necesita otro par para equilibrarlo. Los planos de equilibrado pueden ser cualesquiera, con tal que el valor del par equilibrador sea de la misma magnitud que el desequilibrio existente.

c) Desequilibrio Cuasi-Estático


Existe cuando el eje principal de inercia intersecta el eje de giro pero en un punto distinto al centro de gravedad. Representa una combinación de desequilibrio estático y desequilibrio de par. Es un caso especial de desequilibrio dinámico.

d) Desequilibrio Dinámico
MASAS DE DESEQUILIBRIO


MÁQUINAS DE EQUILIBRADO
El objeto de una máquina de equilibrado (ver figura en Anexo 1) es determinar las dos magnitudes del desequilibrio:
. El desequilibrio (g. inch)
. Posición angular
en uno, dos o más planos de corrección seleccionados (uno para desequilibrio estático y dos o más para desequilibrio dinámico).
Básicamente existen dos tipos de máquinas para equilibrado dinámico:
|De cojinetes Flexibles.
|De cojinetes Rígidos.
Las primeras tienen un sistema de fijación muy flexible permitiendo al rotor vibrar libremente al menos en una dirección (horizontal, perpendicular al eje de rotación). Los cojinetes vibran al unísono con el rotor. La resonancia del sistema rotor- cojinetes ocurre a 1/2 o menos de la más baja velocidad de equilibrado. A esas velocidades tanto la amplitud de la vibración como el ángulo de fase se han estabilizado y pueden ser medidos con una fiabilidad razonable.

Las de cojinetes rígidos son esencialmente iguales excepto en el sistema de suspensión de cojinetes que es mucho más rígido. De esta forma la frecuencia de resonancia del sistema ocurre a frecuencias varias veces superior a la de medida resultando estar comprendida ésta en un rango dentro del cual la amplitud y ángulo de fase son suficientemente estables y su medida precisas.

PROCESO DE EQUILIBRADO
Un rotor se debe equilibrar:
|A una velocidad tan baja como sea posible para disminuir los requerimientos de potencia, los esfuerzos aerodinámicos, ruidos y daños al operador.
|Debe ser lo suficientemente alta para que la máquina equilibradora tenga suficiente sensibilidad para alcanzar las tolerancias de equilibrado requeridas.
Para ello la primera cuestión a resolver es si el rotor a equilibrar es rígido o flexible.
Se considera un ROTOR RÍGIDO si puede ser equilibrado en dos planos (seleccionados arbitrariamente) y, después de la corrección, su desequilibrio no excede los límites de tolerancia a cualquier velocidad por encima de la velocidad de servicio.
Un ROTOR FLEXIBLE no satisface la definición de rotor rígido debido a su deformación elástica.
Por tanto, un rotor rígido se puede equilibrar a la velocidad estandar de la equilibradora, cualquiera que sea su velocidad de giro en servicio. En la mayoría de los casos se puede asumir que un rotor puede ser equilibrado satisfactoriamente a baja velocidad si su velocidad de servicio es menor que el 50% de su primera velocidad crítica. Existe un test para determinar, en otros casos, si un rotor es rígido, para los propósitos de su equilibrado:

|Se equilibra el rotor primero a baja velocidad.
|Se añade una masa de prueba en la misma posición angular en dos planos próximos a los cojinetes. Se pone en marcha y se mide vibraciones en ambos cojinetes.
|Se para el rotor y se mueven las masas hacia el centro del mismo o hacia donde se espera causar la mayor distorsión del rotor. En una nueva prueba de giro se vuelven a medir vibraciones en ambos cojinetes.
|Si la primera lectura fue A y la segunda B, la relación
 no debe exceder de 0,2. En tal caso la experiencia muestra que el rotor se puede considerar rígido y, por tanto, puede ser equilibrado a baja velocidad.
En caso contrario el rotor es flexible y debe ser equilibrado a su velocidad de giro en servicio o próximo a ella.

El proceso completo de equilibrado consta de los siguientes pasos:
1.- Fijar la velocidad de equilibrado.
Es función del tipo de rotor:
• A baja velocidad si es rígido
• A la velocidad de giro del rotor en servicio si es flexible.
2.- Fijar el sentido de rotación de equilibrado.
La dirección de giro no es importante excepto en caso de rotores con álabes. En ese caso la dirección debe ser:
• Las turbinas en sentido contrario a su dirección de giro.
• Los compresores en el mismo sentido que su dirección de giro.
• Algunos ventiladores necesitan cerrar el impulsor para reducir los
requerimientos de potencia a un nivel aceptable.
3.- Determinar el número de planos de equilibrado:
• 1 o 2 para rotores rígidos, según el tipo de desequilibrio existente.
• n+2 para rotores flexibles, siendo n la n-sima velocidad crítica por encima de la cual está la velocidad de rotación en servicio.
4.- Realizar la lectura del desequilibrio y de su fase, en cada uno de los planos elegidos.
5.- Llevar a cabo las correcciones correspondientes.
Las correcciones se llevan a cabo tanto añadiendo como quitando masas. Se debe seleccionar el método que asegure corregir el desequilibrio inicial a menos de la tolerancia admitida en un solo paso.
Normalmente se pueden conseguir reducciones de 10:1 quitando masas y de 20:1 y superiores añadiendo masas.
La adición de masas consiste en añadir masas soldadas en superficies apropiadas, procurando no producir distorsiones en el rotor.
La reducción de masas se puede conseguir:
|Por taladrado. Probablemente el método más efectivo. Hay que calcular la profundidad de taladrado necesaria.
|Por esmerilado e incluso corte, si la geometría del rotor lo permite. Es menos seguro y hay que hacer varias pruebas.
6.- Realizar una nueva medida del desequilibrio residual.
Se trata de comprobar que el desequilibrio resultante, después de la corrección, está dentro de las tolerancias de equilibrado admisibles.
En caso contrario habría que repetir los pasos 5 y 6, hasta conseguir un desequilibrio residual que se ajuste a la norma aplicada.

TOLERANCIAS DE EQUILIBRADO

Se trata de fijar el desequilibrio residual admisible para cada aplicación:
Para rotores rígidos están establecidos por la norma ISO 1940 (Calidad de Equilibrado de Rotores Rígidos).
|Se definen varios tipos de rotores (Anexo 2).
|Se elige el caso más parecido de la tabla.
|Se determina el desequilibrio residual admisible en gráfico. Para rotores flexibles se aplica la norma ISO 5343 (conjuntamente con ISO 1940 e ISO 5406). En éste caso, además del tipo de rotor, se definen:
|4 Bandas de calidad (A, B, C, D) según la calidad de equilibrado requerido.
|3 Factores de corrección (C1, C2, C3) según las circunstancias de las
medidas de vibración efectuadas.
Para rotores acoplados entre sí, con velocidad crítica diferentes en cada caso, hay que aplicarles las normas a cada uno por separado.








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