Comprensión del equilibrado multiplano
Definición: ¿Qué es el equilibrado multiplano?
Equilibrado multiplano es un avanzado equilibrando procedimiento que utiliza tres o más planos de corrección distribuidas a lo largo de la longitud de un rotor para lograr niveles de vibración aceptables. Esta técnica es necesaria para rotores flexibles—rotores que se doblan o flexionan significativamente durante el funcionamiento debido a que giran a velocidades superiores a una o más velocidades críticas.
Mientras equilibrio de dos planos Si bien es suficiente para la mayoría de los rotores rígidos, el equilibrado multiplano extiende el principio para adaptarse a las complejas formas de deflexión (modos de vibración) que presentan los rotores flexibles a altas velocidades.
¿Cuándo es necesario el equilibrado multiplano?
El equilibrado multiplano se vuelve necesario en varias situaciones específicas:
1. Rotores flexibles que operan por encima de velocidades críticas
La aplicación más común es para rotores flexibles—rotores largos y delgados que funcionan a velocidades superiores a su primera (y a veces segunda o tercera) velocidad crítica. Algunos ejemplos son:
- rotores de turbinas de vapor y gas
- ejes de compresores de alta velocidad
- rollos de máquina de papel
- rotores de generadores grandes
- rotores de centrífuga
- husillos de alta velocidad
Estos rotores sufren una flexión considerable durante su funcionamiento, y su forma de deflexión varía según la velocidad de rotación y el modo de vibración activado. Dos planos de corrección resultan insuficientes para controlar la vibración en todo el rango de velocidades de funcionamiento.
2. Rotores rígidos muy largos
Incluso algunos rotores rígidos, si son extremadamente largos en relación con su diámetro, pueden beneficiarse de tres o más planos de corrección para minimizar la vibración en múltiples ubicaciones de cojinetes a lo largo del eje.
3. Rotores con distribución de masa compleja
Los rotores con múltiples discos, ruedas o impulsores en diversas ubicaciones axiales pueden requerir el equilibrado individual de cada elemento, lo que da como resultado un procedimiento de equilibrado multiplano.
4. Cuando el equilibrio en dos planos resulta insuficiente
Si un intento de equilibrado en dos planos reduce la vibración en las ubicaciones de los cojinetes medidas, pero la vibración sigue siendo alta en ubicaciones intermedias a lo largo del rotor (como la deflexión en el centro del vano), es posible que se necesiten planos de corrección adicionales.
El desafío: Dinámica de rotores flexibles
Los rotores flexibles presentan desafíos únicos que hacen que el equilibrado multiplano sea complejo:
Formas de moda
Cuando un rotor flexible pasa a través de un velocidad crítica, Vibra siguiendo un patrón específico denominado modo de vibración. El primer modo suele mostrar la flexión del eje describiendo un arco suave; el segundo, una curva en forma de S con un nodo central; y los modos superiores presentan formas cada vez más complejas. Cada modo requiere una distribución de ponderación de corrección específica.
Comportamiento dependiente de la velocidad
La respuesta al desequilibrio de un rotor flexible varía drásticamente con la velocidad. Una corrección que funciona bien a una velocidad puede resultar ineficaz o incluso contraproducente a otra. El equilibrado multiplano debe tener en cuenta todo el rango de velocidades de funcionamiento.
Efectos de acoplamiento cruzado
En el equilibrado multiplano, un peso de corrección en cualquier plano influye en la vibración en todos los puntos de medición. Con tres, cuatro o más planos de corrección, las relaciones matemáticas se vuelven considerablemente más complejas que en el equilibrado de dos planos.
El procedimiento de equilibrado multiplano
El procedimiento extiende el método del coeficiente de influencia utilizado en el equilibrado de dos planos:
Paso 1: Mediciones iniciales
Mida la vibración en varios puntos del rotor (normalmente en cada cojinete y, a veces, en puntos intermedios) a la velocidad de funcionamiento deseada. En el caso de rotores flexibles, puede ser necesario realizar mediciones a diferentes velocidades.
Paso 2: Definir planos de corrección
Identifique N planos de corrección donde se puedan añadir pesos. Estos deben distribuirse a lo largo del rotor en ubicaciones accesibles como bridas de acoplamiento, llantas de ruedas o anillos de equilibrio especialmente diseñados.
Paso 3: Pruebas de peso secuenciales
Realizar N ensayos de prueba, cada uno con un peso de prueba en un plano de corrección. Por ejemplo, con cuatro planos de corrección:
- Prueba 1: Peso de prueba solo en el plano 1
- Prueba 2: Peso de prueba solo en el plano 2
- Prueba 3: Peso de prueba solo en el plano 3
- Prueba 4: Peso de prueba solo en el plano 4
Durante cada ejecución, mida la vibración en todas las ubicaciones de los sensores. Esto genera una matriz completa de coeficientes de influencia que describe cómo afecta cada plano de corrección a cada punto de medición.
Paso 4: Calcular los pesos de corrección
El software de equilibrado resuelve un sistema de N ecuaciones simultáneas (donde N es el número de planos de corrección) para calcular el óptimo. pesos de corrección para cada plano. Este cálculo utiliza álgebra matricial y es demasiado complejo para realizarlo manualmente; es esencial un software especializado.
Paso 5: Instalar y verificar
Instale simultáneamente todos los contrapesos calculados y verifique los niveles de vibración. En el caso de rotores flexibles, la verificación debe realizarse en todo el rango de velocidades de funcionamiento para garantizar una vibración aceptable a todas las velocidades.
Equilibrio modal: un enfoque alternativo
Para rotores altamente flexibles, se utiliza una técnica avanzada llamada equilibrio modal Puede ser más eficaz que el equilibrado multiplano convencional. El equilibrado modal se centra en modos de vibración específicos en lugar de velocidades específicas. Al calcular ponderaciones de corrección que se ajustan a las formas modales naturales del rotor, se pueden obtener mejores resultados con menos ensayos. Sin embargo, este método requiere herramientas de análisis sofisticadas y un profundo conocimiento de la dinámica del rotor.
Complejidad y consideraciones prácticas
El equilibrado multiplano es significativamente más complejo que el equilibrado en dos planos:
Número de ensayos
El número de ensayos necesarios aumenta linealmente con el número de planos. Una balanza de cuatro planos requiere cuatro ensayos, además de los ensayos inicial y de verificación, lo que supone un total de seis arranques y paradas. Esto incrementa el coste, el tiempo y el desgaste de la máquina.
Complejidad matemática
Calcular los N pesos de corrección requiere invertir una matriz N×N, lo cual es computacionalmente intensivo y puede ser numéricamente inestable si las mediciones son ruidosas o si los planos de corrección están mal posicionados.
Precisión de la medición
Dado que el equilibrado multiplano se basa en la resolución de múltiples ecuaciones simultáneas, los errores de medición y el ruido tienen un mayor impacto que en el equilibrado biplano. Es fundamental utilizar sensores de alta calidad y recopilar datos con precisión.
Accesibilidad del plano de corrección
Encontrar N ubicaciones de planos de corrección accesibles y eficaces puede resultar complicado, especialmente en máquinas que no fueron diseñadas originalmente para el equilibrado multiplano.
Requisitos de equipo y software
El equilibrado multiplano requiere:
- Software avanzado de equilibrado: Capaz de manejar matrices de coeficientes de influencia N×N y resolver sistemas de ecuaciones vectoriales complejas.
- Múltiples sensores de vibración: Se recomiendan al menos N sensores (uno por cada punto de medición), aunque algunos instrumentos pueden funcionar con menos sensores si se reposicionan entre ejecuciones.
- Tacómetro/Fasor de teclas: Esencial para la precisión fase medición.
- Personal experimentado: La complejidad del equilibrado multiplano exige técnicos con formación avanzada en dinámica de rotores y análisis de vibraciones.
Aplicaciones típicas
El equilibrado multiplano es una práctica estándar en industrias con maquinaria de alta velocidad:
- Generación de energía: Grandes grupos turbogeneradores de vapor y gas
- Petroquímico: Compresores centrífugos de alta velocidad y turboexpansores
- Pulpa y papel: rollos largos de secadora para máquinas de papel y rollos de calandra
- Aeroespacial: rotores de motores de aeronaves y turbomáquinas
- Fabricación: Husillos de máquinas herramienta de alta velocidad
En estas aplicaciones, la inversión en equilibrado multiplano se justifica por la criticidad del equipo, las consecuencias de un fallo y las ganancias en eficiencia operativa derivadas de un funcionamiento con vibraciones mínimas.
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