La razón para balancear las partes giratorias es reducir o eliminar la vibración. La vibración excesiva debido al desbalanceo introduce varios efectos inaceptables:
a) Se aumentan las cargas de los rodamientos, lo que ocasiona requisitos de diseño adicionales y disminuye la vida útil de los rodamientos.
b) Disminuye la exactitud de las operaciones mecánicas y los acabados superficiales son dañados.
c) El nivel del ruido de operación se aumenta. Esto es particularmente importante cuando la aceptación del cliente es un factor o cuando el equipo será operado bajo condiciones dónde el nivel del ruido es crítico, como en equipo militar que involucra la detección por ruido o en los hospitales.
Además de estos efectos, el propio movimiento de vibración es indeseable debido a su percepción "tosca" que contribuye a la fatiga del operador. La vibración excesiva también puede causar el desprendimiento de partes de ensambles, la falla de componentes por fatiga, y canalizar una ruptura.
Partes que giran despacio y que no provocan vibración pueden ser balanceadas para que giren uniformemente o mantengan una posición. Un ejemplo de esto es la pequeña “cápsula” en un indicador de velocidad que, si no es balanceada, causará que el indicador de velocidad no trabaje linealmente.
Definiciones
La terminología es a menudo un bloque inseparable en cualquier discusión de un asunto técnico, y el balanceo no es ninguna excepción.
Antes de intentar definir el “Balanceo” y "Balancear” en el sentido practico en este texto, será conveniente una explicación corta de algunos términos elementales.
Eje de rotación
El "Eje de Rotación" de un cuerpo dado es una línea sobre la que el cuerpo revoluciona o gira. Esta línea es determinada por los puntos del centro de dos o más rodamientos, o soportes que apoyan el cuerpo. Se asume que este eje es una línea recta, considerando que si hay más de dos puntos de apoyo, estos puntos (rodamientos) están en la línea. En la práctica real, sin embargo, esta condición ideal no puede existir y deben tomarse las precauciones al equilibrar partes largas que tienen un grado de flexibilidad.
Eje de rotación
Centro de gravedad
El “Centro de Gravedad" de un cuerpo es el punto en el que la suma de la masa de cada partícula individual del cuerpo multiplicado por su distancia a este punto sume para dar cero. En otros términos el centro de gravedad es el punto donde puede considerarse que toda la masa del cuerpo se concentra, o es el punto en que la suma de los momentos de cada partícula de un cuerpo es igual a cero. Considere el rotor mostrado en el Fig. (3) absolutamente simétrico y homogéneo. El centro de gravedad se localizará a la mitad del rotor sobre el eje AA’ (BB’).
B B2 A B’ A’ Centro de gravedad Fig. 3
Si nosotros consideramos la Sección BB’ como un disco delgado, el CG de este disco estará en el punto B2 sobre AA’ del eje geométrico. Esta condición será aplicable para cualquier sección del rotor. El rotor, aun cuando no este restringido por los rodamientos, tenderá a girar sobre el eje AA’.
Considere ahora el rotor mostrado en la Fig. (4) que es idéntico al rotor en el Fig. (3) sólo que un peso "w" se ha agregado al punto medio. El Centro de Gravedad ha sido movido al eje BB’ pero todavía esta en medio del rotor. Este rotor, si no es restringido por los rodamientos, tenderá a girar sobre el eje BB’.
A B CG w B’ A’ Fig. 4
Si el peso "w" se pone al final del rotor como se muestra en la Fig. (5), el centro de gravedad cambiará de sitio como se muestra, la cantidad de desplazamiento será lateralmente y radialmente proporcional al tamaño del peso "w". En un estado libre el rotor girará sobre el eje BB’. CG w B A’ A B’ Fig. 5
Si dos pesas iguales w y w1 se colocan diametralmente opuestas y a la misma distancia del punto medio del rotor como se muestra en la Figura (6), entonces el CG no se cambiará de sitio, pero el eje de rotación si cambiara de dirección y quedara en la posición BB’ y sobre este eje el rotor tendera a girar.
w1 CG w B A’ A B’ Fig. 6 Desbalanceo
El desbalanceo es una condición en que el eje de Masa de una parte no coincide con el eje rotatorio. El desbalanceo se divide en dos categorías, desbalanceo "Estático" y desbalanceo "Dinámico."
Balanceo
El balanceo es una operación física realizada en un cuerpo desequilibrado o desbalanceado por la remoción, adición o redistribución del peso para llevarlo a una condición de equilibrio.
Frecuencia natural (Resonancia)
Todos los ensambles mecánicos contienen partes que poseen masa que se apoyan en miembros que poseen elasticidad y todas estas combinaciones en conjunto producen un período natural de vibración o la frecuencia natural. Esta frecuencia natural es la frecuencia a la que la vibración tiende a ocurrir a menos que el sistema se afectado por fuerzas externas. Este punto también es conocido como el punto resonante. En, o cerca, de la frecuencia natural (la resonancia), ocurren las amplitudes grandes de vibración con la aplicación de energía relativamente pequeña.
Frecuencia (f)
Esta cantidad se expresa en “ciclo-por-segundo”, cada ciclo representa el movimiento del dispositivo de la posición relajada a un extremo del viaje, y el regreso a la posición relajada.
Unidades de desbalanceo
De las discusiones precedentes se ve que la cantidad de desequilibrio en una parte dada puede expresarse en condiciones de un peso definido a un radio dado. Las unidades mas comunes de desbalanceo son la "Onza Pulgada" que consiste en una onza de peso por un radio de una pulgada (o cualquier factor de peso y radio que igualarán la misma cantidad, por ejemplo, 1/2 onza a 2" radio), y el “Gramo Pulgada”.
Con referencia al equilibrio estático, el término Onza-pulgada es suficiente; pero al tratar con el desbalanceo dinámico, debe hacerse un mayor análisis para definir el límite de equilibrio con precisión.
Considerando el rotor mostrado en Fig. 7. Los pesos "w" se han colocado en el rotor a un radio "R" y a una distancia 2X del punto medio. También considere otra condición como se muestra en la Fig. 8. ahora los pesos se colocaron a una distancia "X" del punto medio.
X X X X R R w w X X X X R R w w Fig. 7 Fig. 8
Si el desbalanceo se diera en onza-pulgadas, solamente, entonces la cantidad "wR" de desbalanceo, cumpliría para ambos rotores, pero las condiciones de desbalanceo son obviamente diferentes entre el rotor mostrado en la Fig. 7 y el mostrado en la Fig. 8.
Por consiguiente es necesario un factor más. Hay dos maneras de definir este tercer factor, especificando los límites de equilibrio dinámicos:
(a) Especificar los "planos de corrección" (la posición axial de los puntos de corrección). (b) Especificar el balanceo dinámico en onza-pulgadas cuadradas (oz.in2).
Si el rotor que nosotros estamos considerando fuera especificado para estar dentro de wR onza- pulgadas en planos medidos a 2X del punto medio, entonces la condición representada en Fig. 7 mostraría el límite de equilibrio, pero la Fig. 8 no cumpliría con esta condición; por consiguiente, especificando los planos de corrección y el límite onza-pulgada permisible, el desbalanceo dinámico queda completamente definido.
Si el desbalanceo se especificara como wR4x (oz.in2), entonces nuevamente el rotor en
la Fig. 7 reúne las condiciones mientras que en la Fig. 8 no, porque su desbalanceo es wR2X (oz.in2).
Si no hay ningún plano de corrección especificado, entonces mencionando el
desbalanceo permisible en onza pulgadas cuadradas, se definiría el límite permisible con precisión, y la persona que realiza el balanceo corregiría en los puntos convenientes usando su criterio y experiencia.
El método más común para definir la cantidad permisible de desbalanceo dinámico es seleccionar dos planos de corrección cerca del final de la pieza, lo cual es lo mas practico (para minimizar la cantidad de corrección necesaria) y para definir la cantidad permisible de desbalanceo residual en cada uno de estos planos en términos de onza - pulgadas.
8 oz
2 oz 2” 8”
Fig. 9
La fig. (9) es una ilustración de una estructura equilibrada que usa diferentes pesos pero el mismo número de onza pulgadas en cada extremo del punto de apoyo. Como se muestra el peso de 8 onz. esta a una distancia de 2 pulgadas del apoyo o centro de equilibrio que nos da 8 onz. x 2 = 16 onz. pulgada de desequilibrio. Esta cantidad es equilibrada por una opuesta de peso de 2 onz. a 8 pulgadas del centro (2 onz. x 8 en.) o 16 onza pulgadas.