Objetos no lineales en el balanceo de rotores
Por qué el balanceo “no funciona”, por qué cambian los coeficientes de influencia y cómo proceder en condiciones reales de campo
Resumen
En la práctica, el balanceo de rotores casi nunca se reduce simplemente a calcular e instalar un peso de corrección. Formalmente, el algoritmo es bien conocido y el instrumento realiza todos los cálculos automáticamente, pero el resultado final depende mucho más del comportamiento del propio objeto que del dispositivo de balanceo. Por esta razón, en el trabajo real, constantemente surgen situaciones en las que el balanceo «no funciona», los coeficientes de influencia cambian, la vibración se vuelve inestable y el resultado no es repetible de un arranque a otro.
Linear and nonlinear vibrations, their features, and balancing methods
Un balanceo exitoso requiere comprender cómo reacciona un objeto ante la adición o eliminación de masa. En este contexto, los conceptos de objetos lineales y no lineales desempeñan un papel clave. Comprender si un objeto es lineal o no lineal permite seleccionar la estrategia de balanceo correcta y ayuda a lograr el resultado deseado.
Los objetos lineales ocupan un lugar especial en este campo debido a su predictibilidad y estabilidad. Permiten el uso de métodos de diagnóstico y balanceo simples y confiables, lo que hace que su estudio sea un paso importante en la vibración diagnóstica.
Objetos lineales vs no lineales
Most of these problems are rooted in a fundamental but often underestimated distinction between linear and nonlinear objects. A linear object, from the balancing point of view, is a system in which, at a constant rotational speed, the vibration amplitude is proportional to the amount of desbalance, and the vibration phase follows the angular position of the unbalanced mass in a strictly predictable way. Under these conditions, the influence coefficient is a constant value. All standard dynamic balancing algorithms, including those implemented in the Balanset-1A, are designed precisely for such objects.
For a linear object, the balancing process is predictable and stable. Installing a peso de prueba produces a proportional change in vibration amplitude and phase. Repeated starts give the same vibration vector, and the calculated correction weight remains valid. Such objects are well suited both for one-time balancing and for serial balancing using stored influence coefficients.
Un objeto no lineal se comporta de una manera fundamentalmente diferente. Se viola la base misma del cálculo de balanceo. La amplitud de vibración ya no es proporcional al desbalance, la fase se vuelve inestable y el coeficiente de influencia cambia dependiendo de la masa del peso de prueba, el modo de operación o incluso el tiempo. En la práctica, esto se manifiesta como un comportamiento caótico del vector de vibración: después de instalar un peso de prueba, el cambio de vibración puede ser demasiado pequeño, excesivo o simplemente no repetible.
¿Qué son los objetos lineales?
Un objeto lineal es un sistema donde la vibración es directamente proporcional a la magnitud del desbalance.
Un objeto lineal, en el contexto del balanceo, es un modelo idealizado caracterizado por una relación de proporcionalidad directa entre la magnitud del desbalance (masa desbalanceada) y la amplitud de vibración. Esto significa que si el desbalance se duplica, la amplitud de vibración también se duplicará, siempre que la velocidad de rotación del rotor se mantenga constante. Por el contrario, reducir el desbalance disminuirá proporcionalmente las vibraciones.
A diferencia de los sistemas no lineales, donde el comportamiento de un objeto puede variar dependiendo de muchos factores, los objetos lineales permiten un alto nivel de precisión con un esfuerzo mínimo.
Además, sirven como base para la capacitación y práctica de los balanceadores. Comprender los principios de los objetos lineales ayuda a desarrollar habilidades que luego pueden aplicarse a sistemas más complejos.
Graphical representation of linearity
Imagine una gráfica donde el eje horizontal representa la magnitud de la masa desbalanceada (desbalance) y el eje vertical representa la amplitud de vibración. Para un objeto lineal, esta gráfica será una línea recta que pasa por el origen (el punto donde tanto la magnitud del desbalance como la amplitud de vibración son cero). La pendiente de esta línea caracteriza la sensibilidad del objeto al desbalance: cuanto más pronunciada sea la pendiente, mayores serán las vibraciones para el mismo desbalance.
Graph 1: The Relationship Between Vibration Amplitude (µm) and Unbalanced Mass (g) at a constant correction radius and constant rotational speed
La Gráfica 1 ilustra la relación entre la amplitud de vibración (µm) de un objeto de balanceo lineal y la masa desbalanceada (g) del rotor. El coeficiente de proporcionalidad es 0.5 µm/g. Simplemente dividiendo 300 entre 600 se obtiene 0.5 µm/g. Para una masa desbalanceada de 800 g (MD=800 g), la vibración será 800 g * 0.5 µm/g = 400 µm. Tenga en cuenta que esto se aplica a una velocidad constante del rotor. A una velocidad de rotación diferente, el coeficiente será diferente.
Este coeficiente de proporcionalidad se llama coeficiente de influencia (coeficiente de sensibilidad) y tiene una dimensión de µm/g o, en casos que involucran desbalance, µm/(g*mm), donde (g*mm) es la unidad de desbalance. Conociendo el coeficiente de influencia (CI), también es posible resolver el problema inverso, a saber, determinar la masa desbalanceada (MD) en función de la magnitud de la vibración. Para hacerlo, divida la amplitud de vibración entre el CI.
Por ejemplo, si la vibración medida es de 300 µm y el coeficiente conocido es CI=0.5 µm/g, divida 300 entre 0.5 para obtener 600 g (MD=600 g).
A note on units: the displacement values in µm used in these examples are illustrative and chosen for simple arithmetic. The Balanset-1A measures and displays vibration velocity, mm/s RMS; the linearity principle and the influence-coefficient method work identically in either unit.
Influence coefficient (IC): key parameter of linear objects
A critical characteristic of a linear object is the coeficiente de influencia (IC). It is numerically equal to the tangent of the slope angle of the line on the graph of vibration versus imbalance and indicates how much the vibration amplitude (in microns, µm) changes when a unit of mass (in grams, g) is added in a specific correction plane at a specific rotor speed. In other words, IC is a measure of the object's sensitivity to imbalance. Its unit of measurement is µm/g, or, when imbalance is expressed as the product of mass and radius, µm/(g*mm).
El CI es esencialmente la característica «pasaporte» de un objeto lineal, que permite predecir su comportamiento cuando se añade o retira masa. Conocer el CI permite resolver tanto el problema directo – determinar la magnitud de vibración para un desbalance dado – como el problema inverso – calcular la magnitud del desbalance a partir de la vibración medida.
Direct problem:
Inverse problem:
How the IC is obtained in practice:
Here V0 is the vibration vector measured in the initial run (Run 0), V1 is the vector measured after a trial mass mprueba is installed (Run 1), K is the influence coefficient, and mcorr is the correction mass. All of these are complex (vector) quantities combining amplitude and phase — which is exactly why the article speaks below about the argument of the influence coefficient.
Throughout this article, the mass in grams is used as a proxy for unbalance: it is equivalent to unbalance in g·mm only as long as the correction radius stays the same. When the radius changes, use g·mm and an IC in µm/(g·mm).
Fase de vibración en objetos lineales
Además de la amplitud, la vibración también se caracteriza por su fase, que indica la posición del rotor en el momento de máxima desviación de su posición de equilibrio. Para un objeto lineal, la fase de vibración también es predecible. Es la suma de dos ángulos:
- El ángulo que determina la posición de la masa desbalanceada global del rotor. Este ángulo indica la dirección en la que se concentra el desbalance primario.
- El argumento del coeficiente de influencia. Este es un ángulo constante que caracteriza las propiedades dinámicas del objeto y no depende de la magnitud ni del ángulo de instalación de la masa desbalanceada.
Por lo tanto, conociendo el argumento del CI y midiendo la fase de vibración, es posible determinar el ángulo de instalación de la masa desbalanceada. Esto permite no solo calcular la magnitud de la masa correctiva, sino también su colocación precisa en el rotor para lograr un balanceo óptimo.
Balancing linear objects
It is important to note that for a linear object, the influence coefficient obtained from the trial run as K = (V1 − V0) / mprueba does not depend on the magnitude or angle of the trial mass installation, nor on the initial vibration. This is a key characteristic of linearity. If the IC remains unchanged when the trial mass parameters or initial vibration are altered, it can be confidently asserted that the object behaves linearly within the considered range of imbalances.
Pasos para balancear un objeto lineal
- Medición de la vibración inicial: El primer paso es medir la vibración en su estado inicial. Se determinan la amplitud y el ángulo de vibración, que indican la dirección del desbalance.
- Instalación de una masa de prueba: Se instala una masa de peso conocido en el rotor. Esto ayuda a comprender cómo reacciona el objeto a cargas adicionales y permite calcular los parámetros de vibración.
- Re-medición de la vibración: Después de instalar la masa de prueba, se miden nuevos parámetros de vibración. Al compararlos con los valores iniciales, es posible determinar cómo afecta la masa al sistema.
- Cálculo de la masa correctiva: Con base en los datos de medición, se determinan la masa y el ángulo de instalación del peso de corrección. Este peso se coloca en el rotor para eliminar el desbalance.
- Verificación final: Después de instalar el peso de corrección, la vibración debería reducirse significativamente. Si la vibración residual aún supera el nivel aceptable, el procedimiento puede repetirse.
Nota: Linear objects serve as ideal models for studying and practically applying balancing methods. Their properties allow engineers and diagnosticians to focus on developing basic skills and understanding the fundamental principles of working with rotor systems. Although the perfectly linear object is an idealization, most machines in good mechanical condition behave linearly enough within the range of unbalance encountered in field balancing — which is exactly why the influence-coefficient method works at all. The linear model is therefore not an academic exercise but the normal working assumption; nonlinearity is the exception that has to be recognized.
Balanceo en serie y coeficientes almacenados
Serial balancing deserves special attention. It can significantly increase productivity, but only when applied to linear, vibration-stable objects. In such cases, influence coefficients obtained on the first rotor can be reused for subsequent identical rotors. The Balanset-1A software supports this directly: coefficients from a previous balancing session are stored in the archive and can be re-applied to an identical rotor with the Apply coefficients function (F6 Reports, balancing archive). However, as soon as support stiffness, rotational speed, or bearing condition changes, repeatability is lost and the serial approach stops working.
Nonlinear objects: when theory diverges from practice
¿Qué es un objeto no lineal?
Un objeto no lineal es un sistema donde la amplitud de vibración no es proporcional a la magnitud del desbalance. A diferencia de los objetos lineales, donde la relación entre la vibración y la masa de desbalance se representa mediante una línea recta, en los sistemas no lineales esta relación puede seguir trayectorias complejas.
In the real world, not all objects behave linearly. Nonlinear objects exhibit a relationship between imbalance and vibration that is not directly proportional. This means the influence coefficient is not constant and may vary depending on factors such as:
- Magnitud del desbalance: Aumentar el desbalance puede cambiar la rigidez de los soportes del rotor, lo que lleva a cambios no lineales en la vibración.
- Presencia de juegos y holguras: Los juegos y holguras en los rodamientos y otras conexiones pueden provocar cambios bruscos en la vibración bajo ciertas condiciones.
Temperature changes and varying external loads also alter the dynamic characteristics of the object, but in a different way: they make the system non-stationary rather than nonlinear (see the section on vibration instability below).
Why are nonlinear objects challenging?
La no linealidad introduce muchas variables en el proceso de balanceo. El trabajo exitoso con objetos no lineales requiere más mediciones y un análisis más complejo. Por ejemplo, los métodos estándar aplicables a objetos lineales no siempre arrojan resultados precisos para sistemas no lineales. Esto requiere una comprensión más profunda de la física del proceso y el uso de métodos de diagnóstico especializados.
Señales de no linealidad
Un objeto no lineal puede identificarse por las siguientes señales:
- Cambios de vibración no proporcionales: A medida que aumenta el desbalance, la vibración puede crecer más rápido o más lento de lo esperado para un objeto lineal.
- Desplazamiento de fase en la vibración: La fase de la vibración puede cambiar de manera impredecible con las variaciones en el desbalance o la velocidad de rotación.
- Presencia de armónicos y subarmónicos: The vibration spectrum may exhibit higher harmonics (multiples of the rotational frequency) and subharmonics (fractions of the rotational frequency), indicating nonlinear effects. In the Balanset-1A software, these can be inspected on the F8 Charts screen, F5-Spectrum (Hz) tab; keep in mind that the vibration sensor maintains its rated accuracy up to about 550 Hz, and its response rolls off above that, so higher-frequency spectral components should be read as indicative only.
- Histéresis: La amplitud de la vibración puede depender no solo del valor actual del desbalance, sino también de su historial. Por ejemplo, cuando el desbalance se aumenta y luego se disminuye nuevamente a su valor inicial, la amplitud de la vibración puede no regresar a su nivel original.
How to test an object for linearity
- Repeatability check: Perform Run 0, stop the machine, restart it, and repeat Run 0 without touching anything. If the amplitude agrees within about 10% and the phase within about 10–15°, the object is stable enough to balance.
- Removal check: After the trial run, remove the trial weight and repeat Run 0. If the vibration vector does not return to its original value, the object has hysteresis or looseness.
- Double-mass check: Repeat the trial run with a trial weight twice as heavy in the same location. For a linear object the vector change (V1 − V0) must double in magnitude and keep the same direction. Any other outcome means the influence coefficient depends on the trial mass — the object is nonlinear.
- 180° check: The same trial weight moved 180° must rotate the vector change by 180°.
Graphical representation of nonlinearity
En una gráfica de vibración frente a desbalance, la no linealidad es evidente en las desviaciones de una línea recta. La gráfica puede presentar curvas, curvaturas, bucles de histéresis y otras características que indican una relación compleja entre el desbalance y la vibración.
Graph 2. Nonlinear Object (at a constant correction radius and constant rotational speed)
50 g; 40 µm (yellow), 100 g; 54.7 µm (blue).
Este objeto presenta dos segmentos, dos líneas rectas. Para desbalances menores a 50 gramos, la gráfica refleja las propiedades de un objeto lineal, manteniendo la proporcionalidad entre el desbalance en gramos y la amplitud de vibración en micrones. Para desbalances mayores a 50 gramos, el crecimiento de la amplitud de vibración se ralentiza.
Ejemplos de objetos no lineales
Los ejemplos de objetos no lineales en el contexto del balanceo incluyen:
- Rotores con grietas: Las grietas en el rotor pueden provocar cambios no lineales en la rigidez y, como resultado, una relación no lineal entre la vibración y el desbalance.
- Rotores con juego en los rodamientos: Los juegos en los rodamientos pueden provocar cambios bruscos en la vibración bajo ciertas condiciones.
- Rotores con elementos elásticos no lineales: Algunos elementos elásticos, como los amortiguadores de goma, pueden presentar características no lineales, afectando la dinámica del rotor.
Tipos de no linealidad
1. Soft-stiff nonlinearity
En estos sistemas, se observan dos segmentos: blando y rígido. En el segmento blando, el comportamiento se asemeja a la linealidad, donde la amplitud de la vibración aumenta proporcionalmente a la masa de desbalance. Sin embargo, después de un cierto umbral (punto de quiebre), el sistema transita a un modo rígido, donde el crecimiento de la amplitud se ralentiza.
2. Elastic nonlinearity
Los cambios en la rigidez de los soportes o contactos dentro del sistema hacen que la relación vibración-desbalance sea compleja. Por ejemplo, la vibración puede aumentar o disminuir repentinamente al cruzar umbrales de carga específicos.
3. Friction-induced nonlinearity
En sistemas con fricción significativa (por ejemplo, en rodamientos), la amplitud de la vibración puede ser impredecible. La fricción puede reducir la vibración en un rango de velocidades y amplificarla en otro.
Causas comunes de no linealidad
The most common causes of nonlinearity are increased bearing clearances, bearing wear, dry friction, loosened supports, and cracks in the structure. Operation near a resonancia is a separate problem: it does not make the object nonlinear, but it destroys measurement repeatability and is therefore just as fatal for the influence-coefficient method. Often, the object exhibits so-called soft–hard nonlinearity. At small unbalance levels the system behaves almost linearly, but as vibration increases, stiffer elements of the supports or casing become involved. In such cases, balancing is possible only within a narrow operating range and does not provide stable long-term results.
Inestabilidad de vibración
Another serious issue is vibration instability. Even a formally linear object may show changes in amplitude and phase over time. This is caused by thermal effects, changes in lubricant viscosity, thermal expansion, unstable friction in the supports, and varying external loads acting on the machine. As a result, measurements taken only minutes apart can produce different vibration vectors. Under these conditions, meaningful comparison of measurements becomes impossible, and the balancing calculation loses reliability.
Note the distinction: a nonlinear object gives a different influence coefficient for a different trial-weight mass; a non-stationary (unstable) object gives a different influence coefficient for the same trial weight measured at a different time. Both break the calculation, but the remedies differ — nonlinearity is fixed mechanically, instability is fixed by stabilizing the operating regime and measuring quickly.
Balanceo cerca de la resonancia
Balancing near resonance is especially problematic. When the rotational frequency is close to a frecuencia natural of the system, even a small unbalance produces a sharp increase in vibration, and both amplitude and phase become extremely sensitive to small speed variations. Note that resonance itself is not nonlinearity: a linear system has resonances, and at resonance the vibration is still proportional to the unbalance. What is lost is repeatability — a ±1% scatter in rotational speed near the critical speed changes the measured vector far more than the trial weight does, so the influence coefficient measured in this zone is unusable in practice. (A large resonant response can, in addition, push the supports into a genuinely nonlinear range — but that is a consequence, not the definition.) In such cases the balancing speed must be moved away from the natural frequency, or the mechanical structure changed, before balancing is attempted.
Alta vibración después de un balanceo «exitoso»
En la práctica, es común encontrar situaciones en las que, después de un procedimiento de balanceo formalmente exitoso, el nivel general de vibración permanece alto. Esto no indica un error del instrumento ni del operador. El balanceo elimina solo el desbalance de masa. Si la vibración es causada por defectos en la cimentación, elementos de fijación aflojados, desalineación o resonancia, los pesos de corrección no resolverán el problema. En estos casos, analizar la distribución espacial de la vibración a través de la máquina y su cimentación ayuda a identificar la causa real.
Balancing nonlinear objects: a complex task with unconventional solutions
El balanceo de objetos no lineales es una tarea desafiante que requiere métodos y enfoques especializados. El método estándar de peso de prueba, desarrollado para objetos lineales, puede arrojar resultados erróneos o ser completamente inaplicable.
Métodos de balanceo para objetos no lineales
- Balanceo paso a paso: Este método implica reducir gradualmente el desbalance instalando pesos correctivos en cada etapa. Después de cada etapa, se toman mediciones de vibración y se determina un nuevo peso correctivo basado en el estado actual del objeto. Este enfoque tiene en cuenta los cambios en el coeficiente de influencia durante el proceso de balanceo.
- Balancing at several speeds: Influence coefficients are speed-dependent, so a rotor that must run over a wide speed range may need coefficients measured at more than one speed. This is the domain of modal (multi-speed) balancing of flexible rotors and requires a linear, repeatable object, several correction planes and, as a rule, a balancing machine. It is not a workaround for a nonlinear object, and it does not mean balancing near a resonance — measurement speeds must still be chosen away from the critical speeds. The Balanset-1A implements the single-speed influence-coefficient method: all runs (Run 0 / Run 1 / Run 2 / Run T) must be performed at the same rotational speed.
- Uso de modelos matemáticos: Para objetos no lineales complejos, se pueden emplear modelos matemáticos que describan la dinámica del rotor teniendo en cuenta los efectos no lineales. Estos modelos ayudan a predecir el comportamiento del objeto bajo diversas condiciones y a determinar los parámetros óptimos de balanceo.
La experiencia y la intuición de un especialista juegan un papel crucial en el balanceo de objetos no lineales. Un balanceador experimentado puede reconocer signos de no linealidad, seleccionar un método apropiado y adaptarlo a la situación específica. Analizar los espectros de vibración, observar los cambios de vibración a medida que varían los parámetros de operación del objeto y considerar las características de diseño del rotor ayudan a tomar las decisiones correctas y lograr los resultados deseados.
How to balance nonlinear objects using a tool designed for linear objects
Esta es una buena pregunta. Mi método personal para balancear este tipo de objetos comienza con la reparación del mecanismo: reemplazar rodamientos, soldar grietas, apretar pernos, verificar anclajes o aisladores de vibración y comprobar que el rotor no roce contra elementos estructurales fijos.
Next, I identify resonance frequencies, as it is impossible to balance a rotor at speeds close to resonance. To do this, I use the impact method for resonance determination (the Bump Test function in the Balanset-1A software) or a rotor coast-down graph (the RunDown function).
Luego, determino la posición del sensor en el mecanismo: vertical, horizontal o en un ángulo.
Después de las pruebas de funcionamiento, el dispositivo indica el ángulo y el peso de las cargas de corrección. Reduzco a la mitad el peso de la carga de corrección, pero utilizo los ángulos sugeridos por el dispositivo para la colocación en el rotor. Si la vibración residual después de la corrección aún supera el nivel aceptable, realizo otra prueba de funcionamiento del rotor. Naturalmente, esto toma más tiempo, pero los resultados a veces son inspiradores.
The art and science of balancing rotating equipment
El balanceo de equipos rotativos es un proceso complejo que combina elementos de ciencia y arte. Para objetos lineales, el balanceo implica cálculos relativamente simples y métodos estándar. Sin embargo, trabajar con objetos no lineales requiere una comprensión profunda de la dinámica de rotores, la capacidad de analizar señales de vibración y la habilidad para elegir las estrategias de balanceo más efectivas.
La experiencia, la intuición y la mejora continua de las habilidades son lo que hacen de un balanceador un verdadero maestro de su oficio. Después de todo, la calidad del balanceo no solo determina la eficiencia y confiabilidad del funcionamiento del equipo, sino que también garantiza la seguridad de las personas.
Repetibilidad de la medición
Los problemas de medición también juegan un papel importante. La instalación incorrecta de los sensores de vibración, los cambios en los puntos de medición o la orientación inadecuada del sensor afectan directamente tanto la amplitud como la fase. Para el balanceo, no basta con medir la vibración; la repetibilidad y la estabilidad de las mediciones son críticas. Por esta razón, en el trabajo práctico, los lugares de montaje y las orientaciones de los sensores deben controlarse estrictamente.
Enfoque práctico para objetos no lineales
El balanceo de un objeto no lineal siempre comienza no con la instalación de un peso de prueba, sino con la evaluación del comportamiento de la vibración. Si la amplitud y la fase se desplazan claramente con el tiempo, cambian de un arranque a otro o reaccionan bruscamente a pequeñas variaciones de velocidad, la primera tarea es lograr el modo de operación más estable posible. Sin esto, cualquier cálculo será aleatorio.
El primer paso práctico es elegir la velocidad correcta. Los objetos no lineales son extremadamente sensibles a la resonancia, por lo que el balanceo debe realizarse a una velocidad lo más alejada posible de las frecuencias naturales. Esto a menudo significa moverse por debajo o por encima del rango de operación habitual. Incluso si la vibración a esta velocidad es mayor, pero estable, es preferible al balanceo en una zona resonante.
A continuación, es importante minimizar todas las fuentes de no linealidad adicional. Antes del balanceo, se deben verificar y apretar todos los elementos de fijación, eliminar los juegos en la medida de lo posible e inspeccionar los soportes y unidades de rodamiento en busca de holgura mecánica. El balanceo no compensa los juegos ni la fricción, pero puede ser posible si estos factores se llevan a una condición estable.
Al trabajar con un objeto no lineal, no se deben usar pesos de prueba pequeños por hábito. Un peso de prueba demasiado pequeño a menudo no logra mover el sistema a una región repetible, y el cambio de vibración se vuelve comparable al ruido de inestabilidad. El peso de prueba debe ser lo suficientemente grande como para causar un cambio claro y reproducible en el vector de vibración, pero no tan grande que impulse al objeto a un régimen de operación diferente.
Las mediciones deben realizarse rápidamente y en condiciones idénticas. Cuanto menos tiempo pase entre las mediciones, mayor será la probabilidad de que los parámetros dinámicos del sistema permanezcan sin cambios. Es aconsejable realizar varias pasadas de control sin cambiar la configuración para confirmar que el objeto se comporta de manera consistente.
Es muy importante fijar los puntos de montaje del sensor de vibración y su orientación. Para objetos no lineales, incluso un pequeño desplazamiento del sensor puede causar cambios notables en la fase y la amplitud, lo que puede interpretarse erróneamente como el efecto del peso de prueba.
En los cálculos, se debe prestar atención no a la concordancia numérica exacta, sino a las tendencias. Si la vibración disminuye consistentemente con correcciones sucesivas, esto indica que el balanceo se está moviendo en la dirección correcta, incluso si los coeficientes de influencia no convergen formalmente.
No se recomienda almacenar y reutilizar coeficientes de influencia para objetos no lineales. Incluso si un ciclo de balanceo es exitoso, durante el siguiente arranque el objeto puede entrar en un régimen diferente y los coeficientes anteriores ya no serán válidos.
Debe recordarse que el balanceo de un objeto no lineal a menudo es un compromiso. El objetivo no es lograr la vibración más baja posible, sino llevar la máquina a una condición estable y repetible con un nivel de vibración aceptable. En muchos casos, esta es una solución temporal hasta que se reparen los rodamientos, se restauren los soportes o se modifique la estructura.
El principio práctico principal es estabilizar el objeto primero, luego balancearlo y solo después evaluar el resultado. Si no se puede lograr la estabilización, el balanceo debe considerarse una medida auxiliar en lugar de una solución final.
Técnica de reducción del peso de corrección
En la práctica, al balancear objetos no lineales, otra técnica importante a menudo resulta efectiva. Si el instrumento calcula un peso de corrección usando un algoritmo estándar, instalar el peso calculado completo frecuentemente empeora la situación: la vibración puede aumentar, la fase puede saltar y el objeto puede cambiar a un modo de operación diferente.
En tales casos, instalar un peso de corrección reducido funciona bien: dos o a veces incluso tres veces más pequeño que el valor calculado por el instrumento. Esto ayuda a evitar “lanzar” el sistema fuera de la región condicionalmente lineal a otro régimen no lineal. En efecto, la corrección se aplica suavemente, con un paso pequeño, sin causar un cambio brusco en los parámetros dinámicos del objeto.
Después de instalar el peso reducido, se debe realizar una pasada de control y evaluar la tendencia de vibración. Si la amplitud disminuye constantemente y la fase permanece relativamente estable, la corrección puede repetirse usando el mismo enfoque, acercándose gradualmente al nivel mínimo de vibración alcanzable. Este método paso a paso a menudo es más confiable que instalar el peso de corrección calculado completo de una vez.
Esta técnica es especialmente efectiva para objetos con juegos, fricción seca y soportes blandos-duros, donde la corrección calculada completa impulsa inmediatamente el sistema fuera de la zona condicionalmente lineal. El uso de masas de corrección reducidas permite que el objeto permanezca en el régimen de operación más estable y hace posible lograr un resultado práctico incluso donde el balanceo se considera formalmente imposible.
Es importante entender que esto no es un “error del instrumento”, sino una consecuencia de la física de los sistemas no lineales. El instrumento calcula correctamente para un modelo lineal, mientras que el ingeniero adapta el resultado en la práctica al comportamiento real del sistema mecánico.
Principio final
En última instancia, el balanceo exitoso no se trata simplemente de calcular un peso y un ángulo. Requiere comprender el comportamiento dinámico del objeto, su linealidad, estabilidad de vibración y distancia de las condiciones de resonancia. El Balanset-1A proporciona todas las herramientas necesarias para medición, análisis y cálculo, pero el resultado final siempre está determinado por la condición mecánica del sistema en sí. Esto es lo que distingue un enfoque formal de la práctica de ingeniería real en vibración y balanceo de rotores.
Preguntas & respuestas
This is a sign of a nonlinear object. In a linear object, vibration amplitude is proportional to the amount of unbalance, and the phase changes by the same angle as the angular position of the weight. When these conditions are violated, the influence coefficient is no longer constant and the standard balancing algorithm starts to produce errors. Typical causes are bearing clearances, loosened supports, friction, and operation near resonance — which is not nonlinearity in itself, but amplifies the vibration and destroys the repeatability of the readings (check it with the Bump Test).
Un objeto lineal es un sistema de rotor en el que, a la misma velocidad de rotación, la amplitud de la vibración es directamente proporcional a la magnitud del desbalance y la fase de la vibración sigue estrictamente la posición angular de la masa desbalanceada. Para estos objetos, el coeficiente de influencia es constante y no depende de la masa del peso de prueba.
Un objeto no lineal es un sistema en el que se viola la proporcionalidad entre la vibración y el desbalance y/o la constancia de la relación de fase. La amplitud y la fase de la vibración comienzan a depender de la masa del peso de prueba. Lo más a menudo esto se asocia con juegos de rodamientos, desgaste, fricción seca, soportes blandos-duros o el acoplamiento de elementos estructurales más rígidos.
Sí, pero el resultado es inestable y depende del modo de operación. El balanceo es posible solo dentro de un rango limitado donde el objeto se comporta de manera condicionalmente lineal. Fuera de este rango, los coeficientes de influencia cambian y se pierde la repetibilidad del resultado.
El coeficiente de influencia es una medida de la sensibilidad de la vibración a los cambios en el desbalance. Muestra cuánto cambiará el vector de vibración cuando se instale un peso de prueba conocido en un plano dado a una velocidad dada.
El coeficiente de influencia es inestable si el objeto es no lineal, si la vibración es inestable con el tiempo, o si hay resonancia, calentamiento térmico, elementos de fijación aflojados o condiciones de fricción cambiantes. En tales casos, los arranques repetidos producen diferentes valores de amplitud y fase.
Los coeficientes de influencia almacenados solo pueden usarse para rotores idénticos que operan a la misma velocidad, bajo las mismas condiciones de instalación y rigidez de soporte. El objeto debe ser lineal y estable en vibración. Incluso un ligero cambio en las condiciones hace que los coeficientes antiguos sean poco confiables.
Durante el calentamiento, cambian los juegos de los rodamientos, la rigidez de los soportes, la viscosidad del lubricante y el nivel de fricción. Esto altera los parámetros dinámicos del sistema y, como resultado, cambia la amplitud y la fase de la vibración.
La inestabilidad de vibración es un cambio en la amplitud y/o fase con el tiempo a una velocidad de rotación constante. El balanceo se basa en comparar vectores de vibración, por lo que cuando la vibración es inestable, la comparación pierde sentido y el cálculo se vuelve poco confiable.
Existe inestabilidad estructural inherente, inestabilidad lenta de "arraastre", variación de un arranque a otro, inestabilidad relacionada con el calentamiento e inestabilidad relacionada con la resonancia cuando se opera cerca de las frecuencias naturales.
In the resonance zone, even a small unbalance causes a sharp increase in vibration, and both amplitude and phase become extremely sensitive to small speed variations. Resonance itself is not nonlinearity — a linear system has resonances, and at resonance the vibration is still proportional to the unbalance. What is lost is repeatability: the normal scatter in rotational speed near the critical speed changes the measured vector far more than the trial weight does, so the influence coefficient measured in this zone is unusable in practice. The balancing speed must be moved away from the natural frequency before balancing is attempted.
Typical signs are a sharp increase in vibration with small speed changes, unstable phase, broad humps in the spectrum, and high sensitivity of vibration to minor RPM variations. A vibration maximum is often observed during run-up or coast-down. The most reliable indicator is the phase: as the speed passes through a resonance, the phase lag goes through about 90° at the peak and reverses by roughly 180° above it. Watch the phase readout during a slow run-up or coast-down — a 180° swing together with an amplitude maximum locates the critical speed.
Una vibración alta puede ser causada por resonancia, estructuras aflojadas, defectos en la cimentación o problemas en los rodamientos. En tales casos, el balanceo no eliminará la causa de la vibración.
El desplazamiento de vibración caracteriza la amplitud del movimiento, la velocidad de vibración caracteriza la rapidez de este movimiento y la aceleración de vibración caracteriza la aceleración. Estas cantidades están relacionadas, pero cada una es más adecuada para detectar ciertos tipos de defectos y rangos de frecuencia.
Vibration velocity reflects the energy level of vibration over a wide frequency range and is convenient for assessing the overall condition of machines according to ISO standards such as ISO 10816-1.
La conversión correcta es posible solo para vibración armónica de frecuencia única. Para espectros de vibración complejos, dichas conversiones proporcionan solo resultados aproximados.
Las posibles razones incluyen resonancia, defectos en la cimentación, elementos de fijación aflojados, desgaste de rodamientos, desalineación o no linealidad del objeto. El balanceo elimina solo el desbalance, no otros defectos.
Si no se detectan defectos mecánicos y la vibración no disminuye después del balanceo, es necesario analizar la distribución de la vibración en la máquina y la cimentación. Las señales típicas son una vibración alta de la carcasa y la base, y desplazamientos de fase entre los puntos de medición.
Una instalación incorrecta del sensor distorsiona la amplitud y la fase, reduce la repetibilidad de la medición y puede llevar a conclusiones diagnósticas incorrectas y resultados de balanceo erróneos.
La vibración se distribuye de manera desigual en toda la estructura. La rigidez, las masas y las formas modales difieren, por lo que la amplitud y la fase pueden variar significativamente de un punto a otro.
Por lo general, no. El desgaste y el aumento de los juegos hacen que el objeto sea no lineal. El balanceo se vuelve inestable y no proporciona un resultado a largo plazo. Las excepciones son posibles solo con juegos de diseño y condiciones estables.
El arranque genera altas cargas dinámicas. Si la estructura está aflojada, las posiciones relativas de los elementos cambian después de cada arranque, lo que provoca cambios en los parámetros de vibración.
El balanceo en serie es posible para rotores idénticos instalados en condiciones idénticas, con estabilidad de vibración y ausencia de resonancia. En este caso, los coeficientes de influencia del primer rotor pueden aplicarse a los posteriores.
Esto suele deberse a cambios en la rigidez del soporte, diferencias de montaje, cambios en la velocidad de rotación o la transición del objeto a un régimen de operación no lineal.
La reducción de la vibración a un nivel estable mientras se mantiene la repetibilidad de la amplitud y la fase de un arranque a otro, y la ausencia de señales de resonancia o no linealidad.
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