Balanceamento de Rotores

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    06-Jul-2015

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<p>4. BALANCEAMENTO DE ROTORES 4.1. Definio de Desbalanceamento e Balanceamento 4.2. Origens do Desbalanceamento 4.3. Efeitos do Desbalanceamento 4.4. Rotor Rgido ou Flexvel? 4.5. Tipos de Desbalanceamentos 4.6. Mquinas de Balancear e Balanceamento de Campo 4.7. Seleo do Tipo de Balanceamento de Rotor Rgido 4.8. Instrumentao Utilizada 4.9. Balanceamento de Rotor Rgido em 1 Plano (Balanceamento Esttico) 4.10. Balanceamento de Rotor Rgido em 2 Planos (Balanceamento Dinmico)1</p> <p>4.1. DEFINIO DE DESBALANCEAMENTO E BALANCEAMENTO O Desbalanceamento a distribuio assimtrica de massa em torno do eixo de rotao. O desbalanceamento a principal causa de vibraes em mquinas e equipamentos rotativos. O Balanceamento pode ser definido como a tcnica de correo da distribuio de massa, atravs da adio ou retirada de massa. Quando o Balanceamento deve ser feito? Quando as vibraes atingem valores acima dos limites recomendados (ver baco de severidade). O Balanceamento elimina todas as vibra es em uma mquina? No. So reduzidas as vibraes causadas pelo desbalanceamento do rotor. Podem continuar ocorrendo vibraes causadas por desalinhamentos, folgas, rolamentos defeituosos e outros problemas mecnicos.2</p> <p>BACO DE SEVERIDADE1 100 E 10 100 1000 100</p> <p>NVEL DE VIBRAO VELOCIDADE [ MM/S ] - RMS</p> <p>D 10 C 10</p> <p>OBS : SEVERIDADE DE VIBRAES PARA MQUINAS ROTATIVAS (TAIS COMO : MOTORES ELTRICOSBOMBAS - VENTILADORES EXAUSTORES - COMPRESSORES ROTATIVOS - TURBINAS , ETC..) EXCITADAS POR DESBALANCEAMENTO E/OU DESALINHAMENTO. AUTOR : PROF: MRCIO TADEU DE ALMEIDA</p> <p>B 1 1</p> <p>A</p> <p>0,1</p> <p>1</p> <p>10</p> <p>100</p> <p>0,1 1000</p> <p>FREQUNCIA DE VIBRAO EM [ HZ ]</p> <p>A- MQUINAS NOVAS - SEM DEFEITO B - MQUINAS COM PEQUENOS PROBLEMAS C - MQUINAS COM DEFEITO CORRIGIR D - A FALHA EST PRXIMA - CORRIGIR COM URGNCIA E - PERIGO - PARADA IMEDIATA</p> <p>3</p> <p>4.2. ORIGENS DO DESBALANCEAMENTO As fontes mais comuns de desbalanceamento so: - Configurao assimtrica; - Incluses e/ou vazios em peas forjadas ou fundidas; - Distores permanentes trmicas ou por esforos; - Incrustaes, desgaste ou corroso. - Etc. 4.3. EFEITOS DO DESBALANCEAMENTO - Aumento do nvel de vibrao da mquina rotativa; - Transmisso de foras aos mancais, suportes e mquinas/estruturas vizinhas; - Reduo da vida til dos mancais; - Quebras inesperadas de eixos, transmisses e peas em geral; - Acabamento irregular do produto final - Nvel de rudo elevado; - Etc.4</p> <p>* Obs: Algumas Caractersticas do Desbalanceamento: - sncrono com a velocidade de rotao (o desbalanceamento ocorre na freqncia de rotao). A freqncia da fora de desbalanceamento a velocidade de rotao. - radial em sua linha de ao; - Pode ser considerado como um vetor possuindo mdulo, direo e sentido; - resultado da discrepncia entre a simetria geomtrica e simetria de massa ao longo do rotor; 4.4. ROTOR RGIDO OU FLEXVEL? - O Rotor considerado como rgido quando so suficientemente resistentes para no apresentarem deformaes ao longo do eixo; - Nos rotores rgidos, o balanceamento satisfatrio alcanado com a utilizao de no mximo dois planos para a colocao (ou retirada) das massas de correo;</p> <p>5</p> <p>- O rotor considerado flexvel quando opera a uma velocidade de rotao maior ou igual a 70% da primeira velocidade crtica (freqncia de ressonncia). Prximo a uma velocidade crtica o rotor tende a se deformar de forma similar ao modo de vibrao correspondente a esta freqncia de ressonncia;Rotores Flexveis</p> <p>- No balanceamento de rotores flexveis so necessrios N+2 planos de correo, sendo que N o nmero de velocidades crticas pelas quais o rotor passa at atingir a sua rotao de trabalho. - Neste curso, somente sempre sero tratados os rotores considerados rgidos.6</p> <p>4.5. TIPOS DE DESBALANCEAMENTOS Rotor Perfeitamente Balanceado Se dividirmos um corpo em vrios planos, a linha que une os centros de massa de cada plano forma o EPI Em torno do EPI a massa est distribuda perfeitamente Quando houver um desbalanceamento de massa no rotor, o EPI se afastar do ER. O desbalanceamento pode ser caracterizado pela presena de pontos pesados ao longo do rotor. Contudo, no possvel determinar a posio exata dos pontos pesados. possvel apenas estimar as foras que o rotor exerce sobre os mancais. So as foras centrfugas devido aos pontos pesados que so transmitidas aos mancais.7</p> <p>A combinao de todas as foras dinmicas geradas pelos pontos pesados cria em cada mancal um fora resultante (ver figuras abaixo).</p> <p>8</p> <p>As resultantes R1 e R2 que atuam sobre os mancais e representam o efeito do desbalanceamento de todo o rotor. Conceitualmente, pode-se dizer que cada resultante est na direo do desvio do EPI em relao ao E e o R mdulo proporcional ao tamanho deste desvio. Os mdulos e direes de R1 e R2 podem ser quaisquer, iguais ou no. Desta forma pode-se imaginar duas situaes caractersticas: 1 o Caso: Os pontos pesados esto distribudos uniformemente em uma linha paralela ao eixo de rotao. O EPI estar paralelo ao ER e as duas resultantes sero iguais em mdulo e direo. Este caso o desbalanceamento esttico (Static Unbalance ).</p> <p>9</p> <p>2 o Caso: Os pontos pesados esto divididos igualmente, metade deles concentrados em uma extremidade e a outra metade na outra extremidade, mas no lado diametralmente oposto. O EPI estar inclinado ao ER, cruzando com este exatamente no CG do rotor. As duas resultantes tero mdulos iguais e direes defasadas de 180o . Este o desbalanceamento dinmico puro (Couple Unbalance).</p> <p>Na prtica, qualquer desbalanceamento a combinao de uma parcela esttica e outra puramente dinmica. Este chamado simplesmente de desbalanceamento dinmico (Dynamic Unbalance).</p> <p>10</p> <p>4.6. MQUINAS DE BALANCEAR E BALANCEAMENTO DE CAMPO O balanceamento de um rotor pode ser realizado em uma mquina especializada para tal tarefa a mquina de balancear, ou ento, pode ser realizado o balanceamento de campo. Balanceamento de Campo, tamb m chamado de "Balanceamento no local" o balanceamento feito em rotores de mquinas e equipamentos montados em seu local de servio e em condies normais de operao. Qual a vantagem do Balanceamento de Campo? Principalmente econmica, pois o tempo de parada e conseqentemente a perda na produo muito menor. Desmontar um rotor, transportar uma oficina, balancear, retornar e montar novamente pode levar um tempo razovel, enquanto que um balanceamento no local pode, na maioria dos casos, ser feito de 2 a 3 horas.</p> <p>11</p> <p>Exemplos de Utilizao de Mquinas de Balancear</p> <p>12</p> <p>Exemplo da realizao de um balanceamento de campo</p> <p>13</p> <p>4.7. SELEO DO TIPO DE BALANCEAMENTO NO ROTOR RGIDO Uma regra prtica para decidir se o balanceamento no rotor rgido deva ser feito em um ou dois planos, comparar o dimetro com sua largura e tambm de acordo com a sua rotao:CONFIGURA O DO ROTOR RELAO L/D &lt; 0,5 BALANCEAMENTO ESTTICO At 1000 rpm At 150 rpm DINMICO Acima de 1000 rpm Acima de 150 rpm</p> <p>&gt; 0,5</p> <p>14</p> <p>4.8. INSTRUMENTAO UTILIZADA O desbalanceamento causa transmisso de foras aos mancais. Com um acelermetro montado na caixa do rolamento, a resultante destas foras transmitida pode ser detectada, pois o nvel de vibrao medido diretamente proporcional a esta resultante . A direo desta resultante pode ser detectada com preciso, comp arandose o sinal de vibrao medido com um sinal peridico padro obtido de alguma posio de referncia do rotor girando. Desta forma, determina-se o ngulo de fase. Portanto, esta fora resultante pode ser definida por um vetor em que a magnitude dada pela vibrao medida (pois esta proporcional a fora resultante) e a direo do vetor definida pelo ngulo de fase. A instrumentao bsica para se realizar um balanceamento consis te de um sensor de vibraes (geralmente o acelermetro), um medidor de vibraes e um meio de determinar o ngulo de fase do desbalanceamento relativo posio de referncia.15</p> <p>Abaixo est apresentado um possvel aparato instrumental para realizao de um balanceamento de campo. Neste aparato o transdutor magntico emite um pulso toda vez que uma chaveta, por exemplo, passa, estabelecendo, assim, uma posio de referncia sobre a circunferncia do rotor.</p> <p>Sabe-se que a vibrao proveniente de um desbalanceamento possui uma freqncia igual a rotao do rotor. Portanto, necessrio introduzir na instrumentao um filtro de banda regulvel, o qual garante que as medies de vibrao sejam feitas somente na freqncia de rotao, e que o medidor de fase receba um sinal de entrada limpo.16</p> <p>Da mesma forma que pode-se usar um transdutor magntico para estabelecer um sinal de referncia e assim medir o ngulo de fase, pode-se tambm usar um sensor fotoeltrico para este fim. Este sensor fotoeltrico fixado prximo ao rotor (ou eixo) para emitir um pulso toda vez que uma fita adesiva reflexiva, colocada no rotor, passar por ela. Tambm possvel identificar o ngulo de fase com o auxlio de uma lmpada estroboscpica. Neste caso, deve-se marcar uma numerao no rotor e ter uma marca fixa de referncia, que poder ser feita, por exemplo, em qualquer parte da carcaa da mquina</p> <p>17</p> <p>Atualmente, muito coletores de dados possuem uma entrada para trigger (transdutor magntico ou sensor fotoeltrico) e tambm so usados para a prtica do balanceamento de campo. Alguns mais avanados, j possuem um programa computacional embutido, que aps as medidas de vibrao e fase j fornecem a massa de correo e sua respectiva posio no rotor. A primeira figura a baixo ilustra o uso de um coletor de dados. Em alguns medidores de vibrao e coletores, ao invs dos valores do nvel de vibrao medido na rotao da mquina e sua respectiva fase, conforme mostrado na primeira figura, o instrumento apresenta o espectro de vibrao medido. Desta forma, colocando o cursor na freqncia correspondente a rotao do rotor, o visor apresentar o valor do nvel de vibrao nesta freqncia, bem como sua respectiva fase, conforme a segunda figura abaixo.</p> <p>18</p> <p>4.9. BALANCEAMENTO EM ROTOR RGIDO EM UM PLANO (BALANCEAMENTO ESTTICO) O procedimento do balanceamento em um plano requer trs medies de vibrao e fase: -A primeirar medio realizada na situao em que o rotor se encontra. Mede-se o V0 , ou seja |V0 | e 0 ; - A segundarmedio realizada com uma massa tentativa ou massa de teste. Mede-se o V1 , ou seja |V1 | e 1 ; - A terceira medio realizada j com a massa de correo. Nesta medio verifica-se a qualidade do balanceamento. Procedimento: 1) Coloque a mquina nas condies de operao e, com o auxlio da instrumentao, quantifique a a amplitude e a fase da vibrao detectada no r mancal de sustentao do rotor. Essa a informao original V0 .19</p> <p>2) Adicione uma massa arbitrria conhecida (mt ), que seja suficiente para provocar alterao na fase em relao a leitura original (na prtica, no mnimo 30o ), numa posio tambm arbitrria. Esta massa tentativa pode ser estimada pela seguintes equao (existem outras):</p> <p>mt =</p> <p>0,81M rpm R 1000 2</p> <p>mt=Massa tentativa ou massa de teste[g] M=Massa do rotor [kg] R=Raio ao qual vai ser fixada a massa de teste [mm] rpm=Rotao do rotor [rpm]</p> <p>3) Gire a mquina na mesma rotao que na primeira medio e registre a amplitude e a fase. Caso a fase no tenha variado o suficiente, modifique a posio da massa tentativa ou aumente seu peso. As informaes obtidas r geram o vetor V1 , que representa a soma do desbalanceamento inicial, r representada por V0, com o desbalanceamento provocado pela massa de teste, ou seja: r r r</p> <p>V1 = V0 + Vef r Sendo que Vef representa a vibrao correspondente ao efeito da massa deteste no sistema.20</p> <p>r4) Determine a vibrao causada pela massa de teste Vef . Para calcularmos r r r este vetor, basta executarmos a seguinte operao vetorial: Vef = V1 V0 A magnitude de Vef analiticamente dadas por:</p> <p>r</p> <p>Vef = V12 + V02 2V1V0 cos Calcular tambm a variao das fases: =| Fase1 Fase0 | 5) Calcule o valor da massa final de correo pela relao:</p> <p>mc =</p> <p>| V0 | mt | Vef |</p> <p>6) A posio angular em que dever ser adicionada a massa de correo final (retirando-se a massa de teste) dada por:</p> <p>V = arcsen 1 sen Vef * A posio angular da massa de correo ficar determinada por a partir do ponto em que se tenha fixado a massa de teste.21</p> <p>Representao vetorial:</p> <p>22</p> <p>Exemplo:</p> <p>23</p>