Fuera de Balance

Este artículo fue publicado en Uptime® Magazine en su edición de abril del 2006

Escarbando profundamente en los Datos, ayuda con el Diagnóstico

Por Robert Pyle 

Steve Goldman indica que el desbalanceo es una función común que fuerza en la maquinaria industrial 1. Víctor Wowk es más específico, diciendo que 40% de todos los problemas de vibración son a causa del desbalanceo 2. Con estas clases de estadísticas, reconociendo y resolviendo los problemas de desbalanceo deben ser uno de los primeros pasos a aprender a analizar los espectros de la vibración. 

El desbalanceo ocurre cuando el centro de rotación de un rotor y el centro de gravedad no coinciden. Esto puede ser debido a un error mecánico, porosidad de la carcaza, daño al rotor, residuos de contaminación, etc. Puede ser también debido al montaje pobre de un miembro rotatorio en el eje impulsor. Aunque los coples estrechos sean normalmente infalibles, pueden ser impropiamente y desigualmente apretados produciendo una ranura central, cople, u otra parte giratoria. 

En mi experiencia, en ventiladores en unidades de HVAC, catalizadores, o en cualquier otra aplicación que utilizan ventiladores de jaula de ardilla, el montaje inapropiado y la contaminación son la causa más frecuente del desbalanceo, seguido por el daño al ventilador. La mayor parte de estos dispositivos trabajan debajo de su primera velocidad crítica lo que significa que el desbalanceo causa que cualquier residuo  contaminante desbalance la rueda. En muchas de las unidades de mis clientes, he encontrado unidades mal selladas del filtro que han permitido que el polvo se acumule en la rueda que produce el desbalanceo y, finalmente, el fracaso de los cojinetes. 

En un caso, un ventilador de depuración (no una jaula de ardilla sino un rotor de tipo raqueta grande) trabajaba en una atmósfera donde partículas pegajosas fueron atrapadas en el aire. Estas partículas contaminaron las raquetas inmediatamente. Sin importar que tan bien estuviera balanceada la rueda inicialmente, empezó a vibrar en el arranque y continuó empeorando cada día. La única solución a esto fue una limpieza programada en el Mantenimiento Preventivo en una base muy frecuente – algo que el cliente no estaba dispuesto, y no hizo. Las vibraciones destruyeron finalmente el eje y los cojinetes. 

En roldanas, coples, y en otros rotores sólidos, mi experiencia es que los errores en montaje, errores en el barrenado, y daño al componente son las fuentes más comunes de desbalanceo. 

Desbalanceo Residual

Cada rotor vibra. A causa de imperfecciones diminutas en la maquinaria, carcaza, montaje, y el mantenimiento, hay un desbalanceo residual en cada rotor. El secreto es de asegurar que este desbalance este debajo de un nivel que causará que una vibración suficientemente grande dañe el rotor, los cojinetes, u otros componentes de la máquina.

¿Cuánto desbalance residual debe uno permitir? Depende de la referencia. No hay uno estándar inalterable de utilizar. Sin embargo, para clientes que quieren un estándar para trabajar en él, sugiero éste: 

Todos los rotores pueden ser balanceados a una fuerza de desbalanceo residual definida por esta fórmula:

 Donde U = el balanceo residual medido en oz.-in.

W = peso del rotor medido en libras.

V = velocidad normal de operación medida en revoluciones por minuto. 

Esto normalmente producirá una vibración de menos de 0.1 in/seg. 

Espectro del desbalanceo 

“El desbalanceo se muestra como un solo pico a la velocidad el rotor.” 

Esta es una buena teoría. También abarca la mayor parte de los casos encontrados en el campo. Sin embargo, le puede llevar a conclusiones engañosas cuando usted mira un espectro. 

Para un desbalanceo ligero a moderado en una máquina firme, esto casi siempre será verdad. Para un desbalanceo muy grande, uno puede esperar ver un gran pico 1X y múltiples harmónicos de hasta 4X o 5X. De hecho, un desbalanceo muy grande le puede engañar pensando que esta presente un problema de desalineación también. Si usted trata de deshacerse del problema alineando los ejes, usted estará en ello durante mucho tiempo. 

Mire el espectro presentado en la Figura 1, que fue generado en una máquina en mi laboratorio. En el gráfico inferior, tenemos el desbalanceo residual en la máquina. Hay un pico de 1X de cerca de 0,8 en/seg. El nivel general de vibración es 0,124 en/seg – uno que pondría a la máquina en alarma en la mayoría de las aplicaciones. Usted ve los efectos de agregar el desbalanceo a la máquina en la segunda gráfica. El pico de 1X esta todavía allí, ha disminuido realmente en tamaño. La vibración general, aun, está hasta 0,126.

 Figura 1 – Un estudio de desbalanceo 

¿Cómo puede un peso desbalanceado ser añadido y el pico de 1X disminuir? Eso tiene que ver con la fase. El desbalanceo en la roldana está en una ubicación particular. La masilla fue añadida a la carga en una ubicación aleatoria. Si la masilla hubiera sido agregada exactamente en el mismo ángulo como el desbalanceo en la roldana, habría habido un aumento grande del pico 1X. Si hubiera sido agregado exactamente contrario al desbalanceo residual, habría habido una disminución grande en el pico 1X – porque las dos pesas lo habrían anulado. Habría estado balanceando la máquina. Cuando fue, el peso desbalanceado fue agregado para balancear parcialmente la máquina.

¡PERO! Este es un desbalanceo en dos-planos – no de sólo un plano. El balanceo residual está al final del eje y el balanceo inducido está en el otro extremo. A pesar de que el 1X ha disminuido, movemos todavía el eje en los cojinetes – de hecho, produciendo un movimiento espiral del eje. Esto será importante explicar posteriormente en de donde vino el aumento general en el nivel de vibración. 

Ahora, mira el gráfico superior. Esto está con un pedazo de masilla de 10 gramos puesto al azar en la carga en un radio de 1,8 pulgadas en que produce un OOB de 0,63 oz. -. El pico 1X ha subido a 0,15 en/seg y la vibración general ha subido a 0,181 en/seg. Este espectro es muy típico de lo que usted verá cuando usted tiene un desbalanceo puro en un rotor: un pico 1X muy limpio. 

Harmónicos 

Existen, aun, algunos picos causando problemas en el último espectro. Advierta que todos los picos son armónicos de la velocidad de la carga. Hay picos especialmente altos en 3X y 4X. Por supuesto, ellos están allí en el gráfico original pero han aumentado en amplitud en el último gráfico. En el segundo y tercer gráfico, estos picos justifican la diferencia entre el nivel energético general y la energía encontrada sólo en el pico 1X. ¿De dónde vinieron? 

Recuerde, su máquina no produce picos de frecuencia como los mostrados en los espectros. Su máquina vibra en una forma de ondas. Para vibraciones muy sencillas, esta forma de ondas es sinusoidal, o cercana a esta. Para extraer el espectro de esta forma de ondas que una técnica matemática llamada Transformación Fourier es utilizada.

La técnica extrae todas las frecuencias que hacen la onda. Trabaja muy bien en ondas sinusoidales y en varias combinaciones de esas ondas.  

Una onda cuadrada es producida de una onda sinusoidal y todo su armónico hasta el infinito. Una Transformación Fourier de una onda cuadrada producirá un pico en la frecuencia base y en cada armónico (múltiplo) de esa frecuencia. Podemos comenzar a sospechar, entonces, donde viene la armónico en nuestro gráfico. Si comenzamos a descuadrar la lectura de la forma de ondas por nuestro analizador de vibración, entonces la función de FFT que produce el espectro comenzará a indicar armónicos, incluso si realmente no hay ningún armónico que ocurre en el movimiento físico verdadero de la máquina. 

Piense acerca del movimiento del eje que esta produciendo la vibración. Si tiene espacio para moverse, oscilará en un movimiento de sinusoidal: y veremos un solo pico en el espectro. Si, por otro lado, las vibraciones se vuelven muy grandes y el eje comienza a golpear en los cojinetes, acortando la onda de seno, nosotros comenzaremos a ver como se descuadra la forma de ondas – y el FFT producirá armónicos. 

Dominio del Tiempo 

Si usted utiliza un buen analizador debe tener una función de Dominio de Tiempo. Si usted utiliza esta en conjunción con un tacómetro y un recolector de datos no promediando, usted puede reunir una representación de la forma de ondas para ser producida con tiempo (o las revoluciones) en el eje y la amplitud horizontales en el eje vertical. De esos datos, usted puede conseguir un retrato de a que se parece realmente su vibración. 

Mire la figura  2. Esta es una representación del dominio de tiempo de la vibración residual en una máquina de  prueba y la vibración con 0,63 oz. -en. de desbalanceo inducido. Ninguna de las dos es muy limpia, explicando por qué nosotros vemos múltiples armónicos en ambos espectros. Mire, en el grafico aunque en el 0,63 oz-in. Note el descuadre de la parte superior. En casi cada caso, hay una oscilación que ocurre en cerca de 0,3 en/seg antes de que la forma de ondas regrese a la posición neutral. Cuándo FFT es aplicado a este gráfico, interpreta que la oscilación como la presencia armónica; dando el espectro que vemos en la figura 1.

 Figura 2 – Dominio de Tiempo de balanceo Residual

Conclusión

El Desbalanceo puede ser causado por varias fuerzas, y es un problema muy común en aplicaciones industriales. Muchas veces el desbalanceo se muestra en el clásico pico unitario a la velocidad del rotor. Sin embargo, puede presentarse en varias otras variaciones, así que piense dos veces antes de eliminar el desbalanceo como una causa primordial para problemas de vibración. 

Robert Pyle es Presidente de Systemaitec, Inc., una firma de Consultoría de Mantenimiento. El Sr. Pyle ostenta una licenciatura en Ingeniería Mecánica y cuenta con 30 años de experiencia en mantenimiento y en producción. Cuando no esta haciendo experimentos o visitando clientes, el Sr Pyle disfruta de la cacería y de la pesca así como escribiendo. Systemaitec, Inc. puede ser localizada en el Internet (www.systemaitec.com)o al teléfono (316) 204-5132. 

Referencias 

1. Goldman, Steve, Vibration Spectrum Analysis (New York, Industrial Press, Inc., 1999), P84.

2. Wowk, Victor, Machinery Vibration (Boston, McGraw Hill, 1991), P214.