Duas Observações sobre a Razoabilidade dos Requisitos dos Clientes para Fabricantes de Máquinas de Balanceamento

Introdução

Nos últimos ano e meio, nossa empresa recebeu mais de 30 consultas sobre a compra de vários tipos de máquinas de balanceamento. Uma análise das Especificações Técnicas anexadas a essas consultas revela que a maioria inclui uma série de características que impactam significativamente os prazos de produção e os custos das máquinas e também minimizam a lista de fornecedores potenciais. Dentre eles, dois requisitos se destacam:

• O requisito de garantir um desbalanceamento residual, que não deve exceder 0,1 g*mm/kg (µm).
• O requisito de incluir a máquina de balanceamento no Registro de Instrumentos de Medição.

Vamos analisar a razoabilidade e a viabilidade de implementar esses requisitos do ponto de vista de um consumidor real.

1. Análise dos Requisitos de Precisão para a Máquina

Verificaremos a validade dos requisitos de precisão do cliente usando uma Especificação Técnica para uma máquina de balanceamento projetada para balancear rotores de motores elétricos, unidades turbo e compressores com peso entre 10 e 1500 kg. A especificação define uma tolerância para o desbalanceamento residual específico que, segundo o cliente, não deve exceder 0,1 g*mm/kg.

Para verificar este requisito, referimo-nos à Tabela 1 da ISO 1940-1 “Vibração mecânica – Requisitos de qualidade de balanceamento para rotores.” Com base nas recomendações desta tabela, assumimos que a precisão de balanceamento dos rotores de motores elétricos, unidades turbo e compressores, que a máquina encomendada deve garantir, deve atender ao grau de qualidade G2.5 grau. Assumindo que a frequência rotacional operacional esperada do rotor balanceado seja, por exemplo, 200 Hz (o que com uma ampla margem cobre as frequências rotacionais da maioria das máquinas conhecidas), podemos facilmente calcular o desbalanceamento residual específico admissível para balanceamento estático (plano único) usando a fórmula 5 da norma: eper = 2500 / (6,28 * 200) = 1,99 g*mm/kg.

Considerando as recomendações da mesma norma ISO 1940-1 (hoje substituída por ISO 21940-11), fornecida na seção 7, o valor admissível definido para um rotor assimétrico de dois apoios durante o balanceamento dinâmico deve ser de pelo menos 0,3 * eper, o que, no nosso caso, seria 0,6 g*mm/kg, e não 0,1 g*mm/kg, conforme exigido na Especificação Técnica inicial. Essa divisão do desbalanceamento admissível balancing tolerance entre os dois planos de correção pode ser verificada com nosso Calculadora de Desbalanceamento Residual (ISO 21940-11).

Em outras palavras, como mostra nossa análise, os requisitos de precisão da máquina de balanceamento nesta Especificação Técnica (e em muitos outros documentos semelhantes) são claramente excessivos. A implementação prática desses requisitos excessivos envolve o fabricante na resolução de sérias tarefas de projeto e tecnológicas, que geralmente surgem na produção de máquinas de precisão excepcionalmente alta, o que sem dúvida afeta o custo e o tempo de produção das máquinas. Além disso, esses requisitos nem sempre são tecnicamente viáveis.

Também é importante observar que a operação eficaz de máquinas de alta precisão como essas pode exigir que o cliente potencial cumpra várias condições adicionais, como a necessidade de salas termostáticas e limpas, fundações isolantes de vibração etc., cujos custos de criação podem até superar os custos associados à aquisição da máquina. Em resposta à possível objeção do representante do cliente (autor da referida Especificação Técnica) de que o cumprimento desse requisito permite alcançar um desbalanceamento residual significativamente menor na máquina, correspondendo na verdade ao grau G0.4, pode-se recomendá-lo a familiarizar-se com as recomendações da GOST 22061-76 “Máquinas e equipamentos tecnológicos. Sistema de graus de qualidade de balanceamento. Disposições básicas” (uma norma nacional cujo equivalente internacional moderno é a ISO 21940-11, anteriormente ISO 1940-1), que estava em vigor antes da introdução da ISO 1940-1.

A Seção 3 desta norma, preparada pelos melhores especialistas em balanceamento da União Soviética, estabelece razoavelmente o seguinte:

1. Os rotores de produtos classificados no 1º grau de qualidade de balanceamento (grau G0.4 de acordo com a ISO 1940-1) devem ser balanceados em seus próprios mancais, dentro de sua própria carcaça, sob todas as condições de operação, usando seu próprio acionamento.
2. Os rotores de produtos classificados no 2º grau de qualidade de balanceamento (grau G1.0) devem ser balanceados em seus próprios mancais ou dentro de sua própria carcaça, com uma unidade motriz especial se não houver unidade motriz própria disponível.
3. Os rotores de produtos classificados nos graus de qualidade de balanceamento de 3º a 11º (graus G2.5 a G4000) podem ser balanceados como peças ou unidades de montagem.

A essência dessas recomendações é que o esforço para alcançar graus de qualidade de balanceamento G0.4 e G1.0 na máquina de balanceamento é frequentemente tecnicamente e economicamente sem sentido. Após a instalação dos rotores na máquina, a precisão alcançada é perdida e, para restaurá-la, é necessário um re-balanceamento adicional da montagem do rotor (em seus próprios mancais e com sua própria unidade motriz), realizado usando equipamentos portáteis de balanceamento de vibração.

Como exemplo ilustrativo dessa tese, podemos considerar o balanceamento de uma roda de esmerilhamento destinada ao uso em uma retificadora cilíndrica de alta precisão (classe de precisão “C”). De acordo com os requisitos da Tabela 1 da ISO 1940-1 mencionada anteriormente, a qualidade de balanceamento da roda de esmerilhamento deve atender, pelo menos, ao grau G0.4. Dado que a frequência rotacional esperada da roda de esmerilhamento durante a operação será de 6000 rpm (100 Hz), usando a conhecida fórmula 7 da ISO 1940-1, determinamos o desbalanceamento residual específico admissível eper, que será de 0,64 g*mm/kg.

Em outras palavras, após o balanceamento na máquina de balanceamento, garantindo essa tolerância, o deslocamento do centro de massa da roda de esmerilhamento em relação ao eixo tecnológico (eixo do mandril da máquina de balanceamento) não deve exceder 0,64 µm. Como o erro de batimento radial admissível do fuso de uma retificadora de classe “C” de acordo com a norma nacional GOST 11654-90 é de 2 µm, após montar nossa roda de esmerilhamento nela (redefinindo a referência da roda do eixo tecnológico para o eixo de trabalho), o desbalanceamento residual específico pode aumentar significativamente e exceder a tolerância recomendada pela ISO 1940-1 em pelo menos três vezes. Em tais e outros casos semelhantes, como observado anteriormente, é necessário um balanceamento adicional para compensar os erros que surgem durante a etapa de montagem.

O acima nos permite afirmar que na grande maioria dos casos, o requisito de precisão para máquinas de balanceamento de porte médio e pesado pode ser limitado a um nível de desbalanceamento residual específico de 0,5 g*mm/kg ou até 1,0 g*mm/kg. A implementação desta recomendação na prática permite ao fabricante reduzir significativamente a complexidade e o custo de fabricação da máquina, enquanto o cliente (desde que um processo tecnológico racional seja implementado) pode alcançar a precisão de balanceamento necessária. A principal exceção a esta regra pode ser máquinas de balanceamento pequenas e especializadas usadas, por exemplo, para balancear rotores de giroscópios, turbocompressores automotivos, etc. As características de projeto dessas máquinas permitem alcançar um nível de desbalanceamento residual específico de 0,1 g*mm/kg ou inferior, o que é tecnicamente justificado e economicamente viável.

2. Sobre a Necessidade de Incluir Máquinas de Balanceamento no Registro de Instrumentos de Medição

Nos últimos anos, uma descoberta surpreendente foi feita em nosso país que poderia confundir os especialistas “partidos em paz” do ENIMS**, que desenvolveram o classificador de máquinas-ferramenta de usinagem. Com a “leve mão” de alguém, um tipo completamente novo de equipamento apareceu no mercado de máquinas – “Máquinas de Balanceamento de Medição de Vibração,” que devem ter um Certificado do Padrão Estadual Russo e a marcação correspondente.*)

E tudo estaria bem, mas de repente descobriu-se que clientes “avançados” começaram a incluir em suas Especificações Técnicas um requisito obrigatório para a inclusão de máquinas de balanceamento no Registro de Instrumentos de Medição. Vamos tentar entender o quão legal e tecnicamente justificado é este requisito, bem como sua viabilidade econômica.

Para começar, é útil entender como este requisito se relaciona com as recomendações de documentos normativos existentes. Vamos começar com a ISO 8-82 “Máquinas-ferramenta de usinagem. Requisitos Gerais para Testes de Precisão.” Esta norma estabelece os conceitos básicos e princípios de classificação de máquinas por precisão, requisitos gerais para testes de precisão e requisitos gerais para métodos de verificação de precisão. É importante observar que as referências a procedimentos para avaliar as características qualitativas das máquinas nesta norma usam apenas o termo “verificação” e não há menção à necessidade de incluir máquinas no Registro de Instrumentos de Medição e, consequentemente, à necessidade de sua “calibração.”

O próximo documento a que se deve prestar atenção é a ISO 21940-21 (antiga ISO 2953) “Vibração mecânica – Balanceamento de rotores – Parte 21: Descrição e avaliação de máquinas de balanceamento.” Essa norma, que estabelece requisitos específicos para as características técnicas das máquinas de balanceamento e seus métodos de “verificação”, também não inclui requisitos que prevejam a necessidade de calibrar as máquinas e incluí-las no Registro de Instrumentos de Medição. A esse respeito, deve-se observar que requisitos relacionados à calibração estão ausentes nas normas para outros tipos de máquinas-ferramenta, como as ISO para retificadoras e máquinas CNC, que também podem incluir vários sistemas de medição.

Além disso, requisitos semelhantes não são encontrados na documentação técnica de todos os modelos conhecidos de máquinas de balanceamento estrangeiras, o que, em nossa opinião, também é um precedente importante. Com base nos argumentos apresentados acima, podem ser tiradas as seguintes conclusões:

1. Os documentos normativos e técnicos existentes desenvolvidos para máquinas-ferramenta e, em particular, para máquinas de balanceamento, não incluem requisitos para sua inclusão no Registro de Instrumentos de Medição e, consequentemente, a necessidade de sua calibração. Como resultado, a inclusão de tais requisitos nas Especificações Técnicas durante procedimentos de compras competitivas “de fato” aumenta significativamente os custos de produção das máquinas e os gastos com sua operação subsequente e, como nos parece, “de jure” viola os direitos dos fabricantes de máquinas de boa fé que seguem a letra e o espírito dos documentos normativos existentes.
2. Os testes de rotina do sistema de medição podem e devem ser realizados como parte da máquina de balanceamento, de acordo com os requisitos e recomendações da ISO 21940-21 (antiga ISO 2953), que preveem o uso de um rotor de referência, um conjunto de massas de teste e balanças calibradas durante as verificações. Esses testes devem necessariamente incluir os seguintes tipos de verificações:
   • Verificação do desbalanceamento residual minimamente alcançável (Umar);
   • Verificação do coeficiente de redução de desbalanceamento (URR);
   • Verificação do funcionamento do circuito de balanceamento condicional (com o procedimento de rotação do rotor de 180°).

É importante observar que essas verificações são realizadas sem desmontar o sistema de medição da máquina e não exigem o uso de um banco de vibração de calibração, o que elimina a necessidade de envolver especialistas de organizações externas e reduz significativamente a intensidade de trabalho e o custo do trabalho. Além das verificações principais mencionadas acima, se necessário, outros parâmetros importantes do sistema de medição podem ser verificados diretamente na máquina (usando o referido rotor de referência, um conjunto de massas de teste e balanças calibradas), incluindo:

• Repetibilidade das leituras de amplitude e fase do sinal de vibração de medição para medição;
• Linearidade das leituras do sistema de medição pela amplitude do sinal de vibração;
• Capacidade de resolução do sistema de medição (nível mínimo de desbalanceamento registrado consistentemente pelo sistema de medição), etc.

Conclusão

O autor espera que tanto os clientes quanto os fabricantes de máquinas de balanceamento compreendam os argumentos e recomendações estabelecidos neste trabalho, cujo objetivo principal é minimizar os custos de produção para ambas as partes, garantindo ao mesmo tempo a qualidade adequada das operações de balanceamento.

*Nota: Se esta tendência continuar a se desenvolver, não é descartável que em breve saibamos sobre a criação de Retificadoras de Medição de Vibração, Prensas de Medição de Vibração e até Laminação de Medição de Vibração. Afinal, elas compartilham com as máquinas de balanceamento o possível uso de equipamentos especializados de medição de vibração.

ENIMS significa “Instituto de Pesquisa Experimental de Máquinas-Ferramenta de Usinagem” (Экспериментально-исследовательский институт металлорежущих станков). Este era um instituto de pesquisa na União Soviética dedicado ao desenvolvimento e melhoria de vários tipos de máquinas e equipamentos de usinagem. O instituto desempenhou um papel significativo no avanço da indústria de construção de máquinas e na padronização de equipamentos de usinagem, desenvolvendo documentos normativos e padrões, como classificadores para máquinas-ferramenta e métodos para testes de precisão.

V.D. Feldman, Especialista Chefe da LLC “Kinematics,” 2024