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Balancee mientras
el
equipo
trabaja
El
Balanceo activo trae el equilibrio al equipo mientras esta trabajando
Por Andrew J.
Winzenz
En este
artículo, discutiremos los problemas comunes de la vibración
experimentados en ventiladores centrífugos grandes que llevan a fallas
forzadas y mantenimiento imprevisto. 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.
Figura
1 – Tabla de Severidad de Vibración
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).
Figura 2 – Sistema
de Balanceo Activo
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.
Figura
3 – Esquema de un Sistema de Balanceo Activo
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.
Tipo I
Soporte en línea, transmisión sencilla Tipo II Doble Soporte,
transmisión Sencilla Tipo III Doble soporte, doble Transmisión
Figura
4 – Configuración Típica de un ventilador
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
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