Balanceamento de Ventiladores
(Informações usadas de GOST 31350-2007 “VIBRAÇÃO. VENTILADORES INDUSTRIAIS. REQUISITOS PARA VIBRAÇÃO PRODUZIDA E QUALIDADE DE BALANCEAMENTO” — um padrão interestatal desenvolvido a partir de ISO 14694:2003 “Ventiladores industriais — Especificações para qualidade de balanceamento e níveis de vibração”)
Nota da fonte: esta página é baseada nos requisitos de vibração e qualidade de balanceamento de ventiladores equivalentes à ISO 14694:2003 e adotações interestatais (GOST) relacionadas de padrões ISO, cujas designações diferem dos números de publicação ISO originais. Onde aparece a terminologia mais antiga da ISO 1940-1, o padrão atual de qualidade de balanceamento é a ISO 21940-11 (antiga ISO 1940-1).
Vibração produzido pelo ventilador é uma de suas características técnicas mais importantes. Indica a qualidade do projeto e fabricação do produto. Vibração aumentada pode indicar instalação inadequada do ventilador, deterioração de sua condição técnica, etc. Por esse motivo, a vibração do ventilador é geralmente medida durante testes de aceitação, durante a instalação antes da comissionamento, bem como ao executar um programa de monitoramento de condição da máquina. Os dados de vibração do ventilador também são usados no projeto de seu suporte e sistemas conectados (dutos). As medições de vibração são geralmente realizadas com portas de sucção e descarga abertas, mas deve-se notar que a vibração do ventilador pode variar significativamente com mudanças na aerodinâmica do fluxo de ar, velocidade de rotação e outras características.
GOST ISO 10816-1-97 (ISO 10816-1:1995), GOST ISO 10816-3-2002 (ISO 10816-3:1998) e GOST 31351-2007 (ISO 14695:2003) estabelecem métodos de medição e definem localizações de sensores de vibração. Se as medições de vibração forem realizadas para avaliar seu impacto no duto ou na base do ventilador, os pontos de medição são escolhidos de acordo.
As medições de vibração do ventilador podem ser caras e, às vezes, seu custo excede significativamente o custo de fabricação do próprio produto. Portanto, quaisquer restrições aos valores de componentes discretos individuais de vibração ou parâmetros de vibração em bandas de frequência devem ser introduzidas apenas quando o exceder desses valores indicar uma falha no ventilador. O número de pontos de medição de vibração também deve ser limitado com base no uso pretendido dos resultados da medição. Geralmente, é suficiente medir a vibração nos suportes do ventilador para avaliar o estado vibracional do ventilador.
A base é onde o ventilador é montado e o que fornece o suporte necessário para o ventilador. A massa e a rigidez da base são escolhidas para evitar a amplificação da vibração transmitida através dela.
Os suportes são de dois tipos:
- suporte flexível: Um sistema de suporte de ventilador projetado de modo que a primeira frequência natural do suporte seja significativamente menor que a frequência de rotação operacional do ventilador. Ao determinar o grau de flexibilidade do suporte, devem ser considerados os inserts elásticos entre o ventilador e a estrutura de suporte. A flexibilidade do suporte é garantida suspendendo o ventilador em molas ou colocando o suporte em elementos elásticos (molas, isoladores de borracha, etc.). A frequência natural do sistema de suspensão – ventilador é geralmente menor que 25% da frequência correspondente à velocidade de rotação mínima do ventilador testado.
- suporte rígido: Um sistema de suporte de ventilador projetado de modo que a primeira frequência natural do suporte seja significativamente maior que a frequência de rotação operacional. A rigidez da base do ventilador é relativa. Deve ser considerada em comparação com a rigidez dos rolamentos da máquina. A razão entre a vibração da caixa do rolamento e a vibração da base caracteriza a influência da flexibilidade da base. A base pode ser considerada rígida e suficientemente maciça se a amplitude da vibração da base (em qualquer direção) perto dos pés da máquina ou da estrutura de suporte for menor que 25% do resultado máximo de medição de vibração obtido no suporte de rolamento mais próximo (em qualquer direção).
Como a massa e a rigidez da base temporária na qual o ventilador é instalado durante os testes de fábrica podem diferir significativamente das condições de instalação no local de operação, os valores limite das condições de fábrica aplicam-se à vibração de banda estreita na faixa de frequência de rotação, e para testes de ventilador no local – à vibração de banda larga, determinando o estado vibracional geral da máquina. O local de operação é o local de instalação final do ventilador, para o qual as condições operacionais são definidas.
Categorias de Ventiladores (categorias BV)
Os ventiladores são categorizados com base nas características de seu uso pretendido, classes de precisão de balanceamento, e valores limite recomendados de parâmetros de vibração. O projeto e a finalidade do ventilador são critérios que permitem classificar muitos tipos de ventiladores de acordo com aceitáveis desbalanceamento valores e níveis de vibração (categorias BV).
A Tabela 1 apresenta as categorias às quais os ventiladores podem ser atribuídos com base em suas condições de aplicação, considerando valores permitidos de desbalanceamento e níveis de vibração. A categoria do ventilador é determinada pelo fabricante.
Tabela 1 – Categorias de Ventiladores
| Condições de Aplicação | Exemplos | Consumo de Potência, kW | Categoria BV |
| Espaços Residenciais e de Escritório | Ventiladores de Teto e de Ático, Ar-Condicionados de Janela | ≤ 0,15 | BV-1 |
| > 0,15 | BV-2 | ||
| Edifícios e Instalações Agrícolas | Ventiladores para Sistemas de Ventilação e Ar-Condicionado; Ventiladores em Equipamentos em Série | ≤ 3,7 | BV-2 |
| > 3,7 | BV-3 | ||
| Processos Industriais e Geração de Energia | Ventiladores em Espaços Fechados, Minas, Transportadores, Caldeiras, Túneis de Vento, Sistemas de Limpeza de Gás | ≤ 300 | BV-3 |
| > 300 | ver ISO 10816-3 | ||
| Transporte, incluindo Embarcações Marítimas | Ventiladores em Locomotivas, Caminhões e Carros | ≤ 15 | BV-3 |
| > 15 | BV-4 | ||
| Túneis | Ventiladores para Ventilação de Metrôs, Túneis, Garagens | ≤ 75 | BV-3 |
| > 75 | BV-4 | ||
| Qualquer | BV-4 | ||
| Produção Petroquímica | Ventiladores para Remoção de Gases Perigosos e Usados em Outros Processos Tecnológicos | ≤ 37 | BV-3 |
| > 37 | BV-4 | ||
| Produção de Chips de Computador | Ventiladores para Criação de Salas Limpas | Qualquer | BV-5 |
| Notas
1 Este padrão considera apenas ventiladores com potência inferior a 300 kW. A avaliação de vibração de ventiladores com maior potência é de acordo com a ISO 10816-3. No entanto, motores elétricos de série padrão podem ter uma potência nominal de até 355 kW. Ventiladores com esses motores elétricos devem ser aceitos de acordo com este padrão.
2 A Tabela 1 não se aplica a ventiladores axiais leves de baixa velocidade e grande diâmetro (geralmente de 2800 a 12500 mm) usados em trocadores de calor, torres de resfriamento, etc. A classe de precisão de balanceamento para esses ventiladores deve ser G16, e a categoria do ventilador – BV-3
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Ao comprar elementos individuais do rotor (rodas ou impelidores) para instalação subsequente no ventilador, a classe de precisão de balanceamento desses elementos (ver tabela 2) deve ser seguida, e ao comprar o ventilador como um todo, os resultados dos testes de vibração de fábrica (tabela 4) e da vibração no local (tabela 5) também devem ser considerados. Geralmente, essas características são acordadas, então a escolha do ventilador pode ser feita com base em sua categoria BV.
A categoria estabelecida na tabela 1 é típica para o uso normal de ventiladores, mas em casos justificados, o cliente pode solicitar um ventilador de uma categoria BV diferente. Recomenda-se especificar a categoria BV do ventilador, a classe de precisão de balanceamento e os níveis aceitáveis de vibração no contrato de fornecimento de equipamentos.
Um acordo separado entre o cliente e o fabricante pode ser concluído quanto às condições de instalação do ventilador, para que os testes de fábrica do ventilador montado considerem as condições de instalação planejadas no local de operação. Na ausência de tal acordo, não há restrições ao tipo de base (rígida ou flexível) para testes de fábrica.
Balanceamento de Ventiladores
Disposições Gerais
O fabricante do ventilador é responsável por balanceamento os ventiladores de acordo com o documento normativo relevante. Este padrão é baseado nos requisitos de ISO 1940-1. O balanceamento é geralmente realizado em altamente sensíveis, especialmente projetados máquinas de balanceamento, permitindo uma avaliação precisa de desbalanceamento residual.
Classes de Precisão de Balanceamento de Ventiladores
As classes de precisão de balanceamento para rodas de ventilador são aplicadas de acordo com a tabela 2. O fabricante do ventilador pode realizar o balanceamento para vários elementos em montagem, que podem incluir, além da roda, o eixo, acoplamento, polia, etc. Além disso, elementos individuais de montagem podem exigir balanceamento.
Tabela 2 – Classes de Precisão de Balanceamento
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Categoria do Ventilador
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Classe de Precisão de Balanceamento do Rotor (Roda)
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BV-1
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G16
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BV-2
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G16
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BV-3
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G6.3
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BV-4
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G2.5
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BV-5
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G1.0
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Nota: Ventiladores da categoria BV-1 podem incluir ventiladores de pequeno porte com peso inferior a 224 g, para os quais é difícil manter a precisão de balanceamento especificada. Neste caso, a uniformidade da distribuição de massa em relação ao eixo de rotação do ventilador deve ser garantida pela tecnologia de fabricação.
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Medição de Vibração do Ventilador
Requisitos de Medição
Disposições Gerais
As Figuras 1 – 4 mostram alguns pontos de medição possíveis e direções em cada rolamento do ventilador. Os valores dados na tabela 4 referem-se a medições na direção perpendicular ao eixo de rotação. O número e a localização dos pontos de medição para testes de fábrica e medições no local são determinados a critério do fabricante ou por acordo com o cliente. Recomenda-se medir nos rolamentos do eixo da roda do ventilador (impelidor). Se isso não for possível, o sensor deve ser instalado em um local onde a conexão mecânica mais curta entre ele e o rolamento seja garantida. O sensor não deve ser montado em painéis sem suporte, na carcaça do ventilador, elementos de fechamento ou outros lugares não diretamente conectados ao rolamento (esses resultados de medição podem ser usados, mas não para avaliar o estado vibracional do ventilador, mas para obter informações sobre a vibração transmitida ao duto ou base – ver ISO 14695 (GOST 31351) e ISO 5348.
Figura 1. Localização de um sensor tridimensional para um ventilador axial montado horizontalmente
Figura 2. Localização de um sensor tridimensional para um ventilador radial de sucção simples
Figura 3. Localização de um sensor tridimensional para um ventilador radial de sucção dupla
Figura 4. Localização de um sensor tridimensional para um ventilador axial montado verticalmente
As medições na direção horizontal devem ser realizadas em ângulo reto em relação ao eixo do eixo. As medições na direção vertical devem ser realizadas em ângulo reto em relação à direção de medição horizontal e perpendicular ao eixo do ventilador. As medições na direção longitudinal devem ser realizadas paralelamente ao eixo do eixo.
Medições usando sensores do tipo inercial
Todos os valores de vibração especificados neste padrão referem-se a medições realizadas usando sensores do tipo inercial, cujo sinal reproduz o movimento da caixa do rolamento.
Os sensores usados podem ser acelerômetros ou sensores de velocidade. Atenção especial deve ser dada ao correto fixação dos sensores: sem folgas na superfície de suporte, sem oscilações e ressonâncias. O tamanho e a massa dos sensores e do sistema de fixação não devem ser excessivamente grandes para evitar mudanças significativas na vibração medida. O erro total causado pelo método de fixação do sensor e calibração do sistema de medição não deve exceder +/- 10% do valor medido.
Medições usando sensores sem contato
Por acordo entre o usuário e o fabricante, podem ser estabelecidos requisitos para o deslocamento máximo admissível do eixo (veja ISO 7919-1) dentro dos mancais de deslizamento. As medições correspondentes podem ser realizadas usando sensores sem contato.
Neste caso, o sistema de medição determina o deslocamento da superfície do eixo em relação à caixa do rolamento. É óbvio que a amplitude admissível de deslocamentos não deve exceder o valor da folga do rolamento. O valor da folga depende do tamanho e tipo do rolamento, da carga (radial ou axial) e da direção de medição (alguns designs de rolamento têm um furo elíptico, para o qual a folga na direção horizontal é maior do que na direção vertical). A variedade de fatores que precisam ser considerados não permite estabelecer limites uniformes de deslocamento do eixo, mas algumas recomendações são apresentadas na tabela 3. Os valores fornecidos nesta tabela representam uma porcentagem do valor total da folga radial no rolamento em cada direção.
Tabela 3 – Deslocamento Relativo Máximo do Eixo dentro do Rolamento
| Estado Vibracional do Ventilador | Deslocamento Máximo Recomendado, Porcentagem do Valor da Folga (Ao Longo de Qualquer Eixo) |
| Comissionamento/Estado Satisfatório | Menos de 25% |
| Aviso | +50% |
| Parada | +70% |
| 1) Os valores de folga radial e axial para um rolamento específico devem ser obtidos de seu fornecedor. | |
Os valores dados levam em conta deslocamentos “falsos” da superfície do eixo. Esses deslocamentos “falsos” aparecem nos resultados de medição porque, além da vibração do eixo, excentricidades de rotação mecânicas também afetam esses resultados se o eixo estiver curvado ou tiver uma forma fora de redondo. Ao usar um sensor sem contato, os resultados de medição também incluirão excentricidades de rotação elétricas determinadas pelas propriedades magnéticas e elétricas do material do eixo no ponto de medição. Acredita-se que durante o comissionamento e a operação normal subsequente do ventilador, a faixa da soma das excentricidades de rotação mecânicas e elétricas no ponto de medição não deve exceder o maior de dois valores: 0,0125 mm ou 25% do valor de deslocamento medido. As excentricidades de rotação são determinadas girando lentamente o eixo (a uma velocidade de 25 a 400 rpm), quando o efeito das forças causadas pelo desbalanceamento no rotor é insignificante. Para atender à tolerância de excentricidade de rotação estabelecida, pode ser necessária usinagem adicional do eixo. Sensores sem contato devem, se possível, ser montados diretamente na caixa do rolamento.
Os valores limite dados aplicam-se apenas a um ventilador operando em seu modo nominal. Se o design do ventilador permitir operação com velocidade de rotação variável, níveis de vibração mais altos são possíveis em outras velocidades devido à influência inevitável de ressonâncias.
Se o design do ventilador permitir alterar as posições das pás em relação ao fluxo de ar na porta de entrada, os valores dados devem ser aplicados para condições com as pás totalmente abertas. Deve-se notar que o estol do fluxo de ar, especialmente perceptível em grandes ângulos das pás em relação ao fluxo de ar de entrada, pode levar a níveis de vibração aumentados.
Sistema de Suporte do Ventilador
O estado vibracional dos ventiladores após a instalação é determinado considerando a rigidez do suporte. Um suporte é considerado rígido se a primeira frequência natural do sistema “ventilador – suporte” exceder a velocidade de rotação. Geralmente, quando montado em grandes fundações de concreto, o suporte pode ser considerado rígido, e quando montado em isoladores de vibração – flexível. Uma estrutura de aço, frequentemente usada para montagem de ventiladores, pode pertencer a qualquer um dos dois tipos de suporte. Em caso de dúvida sobre o tipo de suporte do ventilador, cálculos ou testes podem ser realizados para determinar a primeira frequência natural do sistema. Em alguns casos, o suporte do ventilador deve ser considerado rígido em uma direção e flexível em outra.
Limites de Vibração Admissível do Ventilador durante Testes de Fábrica
Os níveis de vibração limite dados na tabela 4 aplicam-se a ventiladores montados. Eles se referem a medições de velocidade de vibração de banda estreita nos suportes de rolamento para a frequência de rotação usada durante os testes de fábrica.
Tabela 4 – Valores Limite de Vibração durante Testes de Fábrica
| Categoria do Ventilador | Velocidade de Vibração RMS Limite, mm/s | |
| Suporte Rígido | Suporte Flexível | |
| BV-1 | 9.0 | 11.2 |
| BV-2 | 3.5 | 5.6 |
| BV-3 | 2.8 | 3.5 |
| BV-4 | 1.8 | 2.8 |
| BV-5 | 1.4 | 1.8 |
| Notas
1 As regras para conversão de unidades de velocidade de vibração para unidades de deslocamento ou aceleração para vibração de banda estreita são especificadas no Apêndice A.
2 Os valores nesta tabela aplicam-se à carga nominal e à frequência de rotação nominal do ventilador operando no modo com pás guia de entrada abertas. Os valores limite para outras condições de carga devem ser acordados entre o fabricante e o cliente, mas recomenda-se que não excedam os valores da tabela em mais de 1,6 vezes.
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Limites de Vibração Admissível do Ventilador durante Testes no Local
A vibração de qualquer ventilador no local de operação depende não apenas de sua qualidade de balanceamento. Fatores relacionados à instalação, como a massa e a rigidez do sistema de suporte, também terão influência. Portanto, o fabricante do ventilador não é responsável pelo nível de vibração do ventilador em seu local de operação, a menos que seja especificado no contrato.
A tabela 5 fornece valores limite recomendados (em unidades de velocidade de vibração para vibração de banda larga nas caixas de rolamento) para a operação normal de ventiladores em várias categorias.
Tabela 5 – Valores Limite de Vibração no Local de Operação
| Estado Vibracional do Ventilador | Categoria do Ventilador | Velocidade de Vibração RMS Limite, mm/s | |
| Suporte Rígido | Suporte Flexível | ||
| Comissionamento | BV-1 | 10 | 11.2 |
| BV-2 | 5.6 | 9.0 | |
| BV-3 | 4.5 | 6.3 | |
| BV-4 | 2.8 | 4.5 | |
| BV-5 | 1.8 | 2.8 | |
| Aviso | BV-1 | 10.6 | 14.0 |
| BV-2 | 9.0 | 14.0 | |
| BV-3 | 7.1 | 11.8 | |
| BV-4 | 4.5 | 7.1 | |
| BV-5 | 4.0 | 5.6 | |
| Parada | BV-1 | __1) | __1) |
| BV-2 | __1) | __1) | |
| BV-3 | 9.0 | 12.5 | |
| BV-4 | 7.1 | 11.2 | |
| BV-5 | 5.6 | 7.1 | |
| 1) O nível de desligamento para ventiladores das categorias BV-1 e BV-2 é estabelecido com base em análise de longo prazo dos resultados de medição de vibração. | |||
A vibração de novos ventiladores sendo comissionados não deve exceder o nível de “comissionamento”. À medida que o ventilador opera, espera-se que seu nível de vibração aumente devido a processos de desgaste e ao efeito cumulativo de fatores influentes. Tal aumento de vibração é geralmente natural e não deve causar preocupação até que atinja o nível de “alerta”.
Ao atingir o nível de vibração de “alerta”, é necessário investigar as causas do aumento da vibração e determinar medidas para reduzi-la. A operação do ventilador neste estado deve estar sob monitoramento constante e limitada ao tempo necessário para identificar medidas para eliminar as causas do aumento da vibração.
Se o nível de vibração atingir o nível de “desligamento”, medidas para eliminar as causas do aumento da vibração devem ser tomadas imediatamente, caso contrário, o ventilador deve ser parado. Atrasar a redução do nível de vibração a um nível aceitável pode levar a danos nos rolamentos, trincas no rotor e nos pontos de soldagem da carcaça do ventilador, resultando finalmente na destruição do ventilador.
Ao avaliar o estado vibracional do ventilador, é essencial monitorar as mudanças nos níveis de vibração ao longo do tempo. Uma mudança súbita no nível de vibração indica a necessidade de inspeção imediata do ventilador e medidas de manutenção. Ao monitorar mudanças de vibração, processos transitórios causados, por exemplo, por substituição de lubrificante ou procedimentos de manutenção não devem ser considerados.
A Influência do Procedimento de Montagem
Além das rodas, os ventiladores incluem outros elementos rotativos que podem afetar o nível de vibração do ventilador: polias de acionamento, correias, acoplamentos, rotores do motor ou outros dispositivos de acionamento. Se as condições do pedido exigirem o fornecimento do ventilador sem um dispositivo de acionamento, pode ser impraticável para o fabricante conduzir testes de montagem para determinar os níveis de vibração. Nesse caso, mesmo que o fabricante tenha balanceado a roda do ventilador, não há certeza de que o ventilador funcionará suavemente até que o eixo do ventilador seja conectado ao acionamento e toda a máquina seja testada para vibração durante o comissionamento.
Geralmente, após a montagem, é necessário balanceamento adicional para reduzir o nível de vibração a um nível aceitável. Para todos os novos ventiladores das categorias BV-3, BV-4 e BV-5, recomenda-se medir a vibração para a máquina montada antes do comissionamento. Isso estabelecerá um valor de referência e delineará medidas de manutenção futuras.
Os fabricantes de ventiladores não são responsáveis pelo impacto na vibração de partes de acionamento instaladas após os testes de fábrica.
Ferramentas de Medição de Vibração e Calibração
Ferramentas de Medição
As ferramentas de medição e as máquinas de balanceamento utilizadas devem ser verificadas e atender aos requisitos da tarefa. O intervalo entre as verificações é determinado pelas recomendações do fabricante para as ferramentas de medição (teste). O estado das ferramentas de medição deve garantir seu funcionamento normal durante todo o período de teste.
O pessoal que trabalha com ferramentas de medição deve ter habilidades e experiência suficientes para detectar possíveis avarias e deterioração na qualidade das ferramentas de medição.
Calibração
Todas as ferramentas de medição devem ser calibradas de acordo com as normas. A complexidade do procedimento de calibração pode variar de uma simples inspeção física à calibração de todo o sistema. As massas de correção usadas para determinar o desbalanceamento residual de acordo com a ISO 1940-1 também podem ser usadas para calibrar ferramentas de medição.
Documentation
Balanceamento
Sob solicitação, se previsto nos termos do contrato, um relatório de teste de balanceamento do ventilador pode ser fornecido ao cliente, recomendando-se que inclua as seguintes informações:
– Nome do fabricante da máquina de balanceamento, número do modelo;
– Tipo de instalação do rotor: entre apoios ou em balanço;
– Método de balanceamento: estático ou dinâmico;
– Massa das partes rotativas do conjunto do rotor;
– Desbalanceamento residual em cada plano de correção (use nosso calculadora de desbalanceamento residual (ISO 21940-11) para determinar valores admissíveis);
– Desbalanceamento residual admissível em cada plano de correção;
– Classe de precisão de balanceamento;
– Critérios de aceitação: aceito/rejeitado;
– Certificado de balanceamento (se necessário).
– Nome do fabricante da máquina de balanceamento, número do modelo;
– Tipo de instalação do rotor: entre apoios ou em balanço;
– Método de balanceamento: estático ou dinâmico;
– Massa das partes rotativas do conjunto do rotor;
– Desbalanceamento residual em cada plano de correção (use nosso calculadora de desbalanceamento residual (ISO 21940-11) para determinar valores admissíveis);
– Desbalanceamento residual admissível em cada plano de correção;
– Classe de precisão de balanceamento;
– Critérios de aceitação: aceito/rejeitado;
– Certificado de balanceamento (se necessário).
Vibração
Sob solicitação, se previsto nos termos do contrato, um relatório de teste de vibração do ventilador pode ser fornecido ao cliente, recomendando-se que inclua as seguintes informações:
– Ferramentas de medição utilizadas;
– Método de fixação do sensor de vibração;
– Parâmetros operacionais do ventilador (vazão de ar, pressão, potência);
– Frequência rotacional do ventilador;
– Tipo de apoio: rígido ou flexível;
– Vibração medida:
1) Posições dos sensores de vibração e eixos de medição,
2) Unidades de medição e níveis de referência de vibração,
3) Faixa de frequência de medição (faixa de frequência estreita ou larga);
– Nível(is) de vibração admissível(is);
– Nível(is) de vibração medido(s);
– Critérios de aceitação: aceito/rejeitado;
– Certificado de nível de vibração (se necessário).
– Ferramentas de medição utilizadas;
– Método de fixação do sensor de vibração;
– Parâmetros operacionais do ventilador (vazão de ar, pressão, potência);
– Frequência rotacional do ventilador;
– Tipo de apoio: rígido ou flexível;
– Vibração medida:
1) Posições dos sensores de vibração e eixos de medição,
2) Unidades de medição e níveis de referência de vibração,
3) Faixa de frequência de medição (faixa de frequência estreita ou larga);
– Nível(is) de vibração admissível(is);
– Nível(is) de vibração medido(s);
– Critérios de aceitação: aceito/rejeitado;
– Certificado de nível de vibração (se necessário).
MÉTODOS DE BALANCEAMENTO DE VENTILADORES EM MÁQUINA DE BALANCEAMENTO
B.1. Ventilador com Acionamento Direto
B.1.1. Disposições Gerais
A roda do ventilador, que é montada diretamente no eixo do motor durante a montagem, deve ser balanceada de acordo com a mesma regra para contabilização do efeito do rasgo de chaveta que para o eixo do motor.
Motores de anos anteriores de produção podiam ser balanceados usando um rasgo de chaveta completo. Atualmente, os eixos dos motores são balanceados usando um rasgo de chaveta parcial, conforme prescrito pela ISO 8821 (adotada como GOST 31322) e marcados com a letra H (ver ISO 8821).
B.1.2. Motores Balanceados com Rasgo de Chaveta Completo
A roda do ventilador, montada no eixo do motor balanceado com um rasgo de chaveta completo, deve ser balanceada sem chaveta em um eixo de balanceamento cônico.
B.1.3. Motores Balanceados com Rasgo de Chaveta Parcial
Para a roda do ventilador montada no eixo do motor balanceado com um rasgo de chaveta parcial, as seguintes opções são possíveis:
a) se a roda tiver um cubo de aço, corte um rasgo de chaveta nele após o balanceamento;
b) balanceie em um eixo de balanceamento cônico com uma meia-chaveta inserida no rasgo de chaveta;
c) balanceie em um eixo de balanceamento com um ou mais rasgos de chaveta (ver B.3), usando chavetas completas.
a) se a roda tiver um cubo de aço, corte um rasgo de chaveta nele após o balanceamento;
b) balanceie em um eixo de balanceamento cônico com uma meia-chaveta inserida no rasgo de chaveta;
c) balanceie em um eixo de balanceamento com um ou mais rasgos de chaveta (ver B.3), usando chavetas completas.
B.2. Ventiladores Acionados por Outro Eixo
Sempre que possível, todos os elementos rotativos, incluindo o eixo do ventilador e a polia, devem ser balanceados como uma única unidade. Se isso for impraticável, o balanceamento deve ser realizado em um eixo de balanceamento (ver B.3) usando a mesma regra de contabilização do rasgo de chaveta que para o eixo.
B.3. Eixo de Balanceamento
O eixo de balanceamento no qual a roda do ventilador é montada durante o balanceamento deve atender aos seguintes requisitos:
a) ser o mais leve possível;
b) estar em estado balanceado, garantido por manutenção adequada e inspeções regulares;
c) preferencialmente ser cônico para reduzir erros associados à excentricidade, resultantes das tolerâncias do furo do cubo e das dimensões do eixo de balanceamento. Se o eixo de balanceamento for cônico, a posição real dos planos de correção em relação aos mancais deve ser considerada nos cálculos de desbalanceamento.
a) ser o mais leve possível;
b) estar em estado balanceado, garantido por manutenção adequada e inspeções regulares;
c) preferencialmente ser cônico para reduzir erros associados à excentricidade, resultantes das tolerâncias do furo do cubo e das dimensões do eixo de balanceamento. Se o eixo de balanceamento for cônico, a posição real dos planos de correção em relação aos mancais deve ser considerada nos cálculos de desbalanceamento.
Se for necessário usar um eixo de balanceamento cilíndrico, ele deve ter um rasgo de chaveta cortado nele, no qual uma chaveta completa é inserida para transmitir o torque do eixo de balanceamento para a roda do ventilador.
Outra opção é cortar dois rasgos de chaveta em extremidades opostas do diâmetro do eixo, permitindo o uso do método de balanceamento reverso. Este método envolve as seguintes etapas. Primeiro, meça o desbalanceamento da roda inserindo uma chaveta completa em um rasgo de chaveta e uma meia-chaveta no outro. Em seguida, gire a roda 180° em relação ao eixo de balanceamento e meça seu desbalanceamento novamente. A diferença entre os dois valores de desbalanceamento deve-se ao desbalanceamento residual do eixo de balanceamento e da junta universal de acionamento. Para obter o valor real do desbalanceamento do rotor, tome metade da diferença dessas duas medições.
FONTES DE VIBRAÇÃO DO VENTILADOR
Existem muitas fontes de vibração dentro do ventilador, e a vibração em certas frequências pode estar diretamente ligada a características específicas de projeto da máquina. Este apêndice cobre apenas as fontes de vibração mais comuns observadas na maioria dos tipos de ventiladores. A regra geral é que qualquer folga mecânica no sistema de suporte causa deterioração no estado vibracional do ventilador.
Desbalanceamento do Ventilador
Esta é a principal fonte de vibração do ventilador; é caracterizada pela presença de um componente de vibração na frequência de rotação (primeiro harmônico). A causa do desbalanceamento é que o eixo da massa rotativa é excêntrico ou inclinado em relação ao eixo de rotação. Isso pode ser causado por distribuição desigual de massa, a soma das tolerâncias nas dimensões do furo do cubo e do eixo, empenamento do eixo ou uma combinação desses fatores. A vibração causada pelo desbalanceamento atua principalmente na direção radial.
O empenamento temporário do eixo pode resultar de aquecimento mecânico desigual – devido ao atrito entre elementos rotativos e estacionários – ou de natureza elétrica. O empenamento permanente pode resultar de mudanças nas propriedades do material ou desalinhamento do eixo e da roda do ventilador quando o ventilador e o motor são montados separadamente.
Durante a operação, o desbalanceamento da roda do ventilador pode aumentar devido ao depósito de partículas do ar. Quando operando em um ambiente agressivo, o desbalanceamento pode resultar de erosão ou corrosão desigual da roda.
O desbalanceamento pode ser corrigido por balanceamento adicional nos planos apropriados, mas antes de realizar o procedimento de balanceamento, as fontes de desbalanceamento devem ser identificadas, eliminadas e a estabilidade vibracional da máquina verificada.
Desalinhamento do Ventilador e do Motor
Este defeito pode ocorrer quando os eixos do motor e do ventilador são conectados via acionamento por correia ou acoplamento flexível. O desalinhamento pode às vezes ser identificado por componentes característicos de frequência de vibração, geralmente os primeiros e segundos harmônicos da frequência de rotação. No caso de desalinhamento paralelo dos eixos, a vibração ocorre principalmente na direção radial, enquanto se os eixos se cruzarem em um ângulo, a vibração longitudinal pode se tornar dominante.
Se os eixos estiverem conectados em um ângulo e acoplamentos rígidos forem usados, forças alternadas começam a atuar na máquina, causando aumento do desgaste dos eixos e acoplamentos. Este efeito pode ser significativamente reduzido pelo uso de acoplamentos flexíveis.
Vibração do Ventilador Devido à Excitação Aerodinâmica
A excitação de vibração pode ser causada pela interação da roda do ventilador com elementos estacionários do projeto, como pálias direcionais, motor ou suportes de rolamento, valores de folga incorretos ou estruturas de entrada e exaustão de ar projetadas incorretamente. Uma característica distintiva dessas fontes é a ocorrência de vibração periódica associada à frequência de rotação da roda, contra o fundo de flutuações aleatórias na interação das pás da roda com o ar. A vibração pode ser observada na harmônicos da frequência das pás, que é o produto da frequência de rotação da roda e do número de pás da roda.
A instabilidade aerodinâmica do fluxo de ar, causada pelo seu descolamento da superfície da pá e subsequente formação de vórtices, causa vibração de banda larga, cuja forma do espectro muda dependendo da carga do ventilador.
O ruído aerodinâmico é caracterizado pelo fato de não estar relacionado à frequência de rotação da roda e pode ocorrer em subharmônicos da frequência de rotação (ou seja, em frequências abaixo da frequência de rotação). Neste caso, pode-se observar vibração significativa da carcaça do ventilador e dos dutos.
Se o sistema aerodinâmico do ventilador estiver mal ajustado às suas características, impactos agudos podem ocorrer nele. Esses impactos são facilmente distinguíveis pelo ouvido e são transmitidos como impulsos ao sistema de suporte do ventilador.
Se as causas acima mencionadas levarem à vibração das pás, sua natureza pode ser investigada instalando sensores em diferentes partes da estrutura.
Vibração do Ventilador Devido ao Whirl na Camada de Óleo
Os oil whirls que podem ocorrer na camada de lubrificação de mancais de deslizamento são observados em uma frequência característica ligeiramente abaixo da frequência de rotação do rotor, a menos que o ventilador opere em uma velocidade que exceda a primeira crítica. Neste último caso, a instabilidade do cunha de óleo será observada na primeira velocidade crítica, e às vezes este efeito é chamado de whirl ressonante.
Fontes de Vibração do Ventilador de Natureza Elétrica
O aquecimento desigual do rotor do motor pode fazê-lo empenar, levando ao desbalanceamento (manifestando-se no primeiro harmônico).
No caso de um motor assíncrono, a presença de um componente em uma frequência igual à frequência de rotação multiplicada pelo número de chapas do rotor indica defeitos relacionados às chapas do estator, e vice-versa, componentes em uma frequência igual à frequência de rotação multiplicada pelo número de chapas do rotor indicam defeitos relacionados às chapas do rotor.
Muitos componentes de vibração de natureza elétrica são caracterizados pelo seu desaparecimento imediato quando a alimentação de energia é desligada.
Vibração do Ventilador Devido à Excitação do Acionamento por Correia
Geralmente, existem dois tipos de problemas relacionados aos acionamentos por correia: quando a operação do acionamento é influenciada por defeitos externos e quando os defeitos estão na própria correia.
No primeiro caso, embora a correia vibre, isso se deve a forças de excitação de outras fontes, portanto, substituir a correia não produzirá os resultados desejados. Fontes comuns de tais forças são desbalanceamento no sistema de acionamento, excentricidade da polia, desalinhamento e conexões mecânicas frouxas. Portanto, antes de trocar as correias, deve-se realizar uma análise de vibração para identificar a fonte de excitação.
Se as correias responderem a forças de excitação externas, sua frequência de vibração provavelmente será a mesma que a frequência de excitação. Neste caso, a frequência de excitação pode ser determinada usando uma lâmpada estroboscópica, ajustando-a para que a correia pareça estacionária na luz da lâmpada.
No caso de um acionamento com múltiplas correias, tensão desigual das correias pode levar a um aumento significativo na vibração transmitida.
Casos em que as fontes de vibração são as próprias correias estão relacionados a seus defeitos físicos: rachaduras, pontos duros e macios, sujeira na superfície da correia, material faltando em sua superfície, etc. Para correias em V, mudanças em sua largura farão com que a correia suba e desça na pista da polia, criando vibração devido à mudança em sua tensão.
Se a fonte de vibração for a própria correia, as frequências de vibração são geralmente os harmônicos da frequência de rotação da correia. Em um caso específico, a frequência de excitação dependerá da natureza do defeito e do número de polias, incluindo os tensores.
Em alguns casos, a amplitude de vibração pode ser instável. Isso é especialmente verdadeiro para acionamentos com correias múltiplas.
Defeitos mecânicos e elétricos são fontes de vibração, que subsequentemente se convertem em ruído aéreo. O ruído mecânico pode estar associado ao desbalanceamento do ventilador ou do motor, ruído de rolamentos, desalinhamento do eixo, vibrações das paredes do duto e painéis da carcaça, vibrações das pás do amortecedor, vibrações de pás, amortecedores, tubos e suportes, bem como à transmissão de vibrações mecânicas através da estrutura. O ruído elétrico está relacionado a várias formas de conversão de energia elétrica: 1) As forças magnéticas são determinadas pela densidade do fluxo magnético, pelo número e forma dos polos e pela geometria do entreferro; 2) O ruído elétrico aleatório é determinado por escovas, faíscas, descargas elétricas, etc.
O ruído aerodinâmico pode estar associado à formação de vórtices, pulsações de pressão, resistência do ar, etc., e pode ter natureza tanto de banda larga quanto de banda estreita. O ruído de banda larga pode ser causado por: a) pás, amortecedores e outros obstáculos no caminho do fluxo de ar; b) rotação do ventilador como um todo, correias, fendas, etc.; c) mudanças bruscas na direção do fluxo de ar ou na seção transversal do duto, diferenças nas velocidades de fluxo, separação do fluxo devido a efeitos de fronteira, efeitos de compressão do fluxo, etc. O ruído de banda estreita pode ser causado por: a) ressonâncias (efeito de tubo de órgão, vibrações de cordas, vibrações de painéis, elementos estruturais, etc.); b) formação de vórtices em arestas afiadas (excitação de coluna de ar); c) rotações (efeito de sirene, fendas, orifícios, ranhuras em partes rotativas).
Impactos criados pelo contato entre vários elementos mecânicos da estrutura produzem ruído semelhante ao produzido por um golpe de martelo, trovão, caixa vazia em ressonância, etc. Sons de impacto podem ser ouvidos de impactos entre dentes de engrenagem e batidas de correias defeituosas. Impulsos de impacto podem ser tão fugazes que, para distinguir impulsos de impacto periódicos de processos transitórios, é necessário equipamento especial de gravação de alta velocidade. A área onde muitos impulsos de impacto ocorrem, a sobreposição de seus picos cria um efeito de zumbido constante.
Dependência da Vibração do Tipo de Suporte do Ventilador
A escolha correta do suporte do ventilador ou do projeto da fundação é necessária para seu funcionamento suave e sem problemas. Para garantir o alinhamento dos componentes rotativos durante a instalação do ventilador, do motor e de outros dispositivos de acionamento, utiliza-se uma estrutura de aço ou uma base de concreto armado. Às vezes, a tentativa de economizar na construção do suporte leva à incapacidade de manter o alinhamento necessário dos componentes da máquina. Isso é especialmente inaceitável quando a vibração é sensível a mudanças de alinhamento, particularmente para máquinas consistindo de partes separadas conectadas por elementos de fixação metálicos.
A fundação sobre a qual a base é assentada também pode influenciar a vibração do ventilador e do motor. Se a frequência natural da fundação estiver próxima da frequência de rotação do ventilador ou do motor, a fundação entrará em ressonância durante a operação do ventilador. Isso pode ser detectado medindo a vibração em vários pontos na fundação, no piso ao redor e nos suportes do ventilador. Frequentemente, em condições de ressonância, o componente de vibração vertical excede significativamente o horizontal. A vibração pode ser amortecida tornando a fundação mais rígida ou aumentando sua massa. Mesmo que o desbalanceamento e o desalinhamento sejam eliminados, permitindo reduzir as forças de excitação, condições significativas de vibração podem ainda existir. Isso significa que, se o ventilador, junto com seu suporte, estiver próximo da ressonância, alcançar valores de vibração aceitáveis exigirá balanceamento mais preciso e alinhamento de eixo mais exato do que normalmente exigido para tais máquinas. Essa situação é indesejável e deve ser evitada aumentando a massa e/ou a rigidez do suporte ou do bloco de concreto.
Guia de Monitoramento de Condição de Vibração e Diagnósticos
O princípio principal do monitoramento de condição de vibração de máquinas (doravante referido como condição) é observar os resultados de medições adequadamente planejadas para identificar uma tendência de aumento nos níveis de vibração e considerá-la sob a perspectiva de problemas potenciais. O monitoramento é aplicável em situações onde o dano se desenvolve lentamente e a deterioração da condição do mecanismo se manifesta por meio de sinais físicos mensuráveis.
A vibração do ventilador, resultante do desenvolvimento de defeitos físicos, pode ser monitorada em determinados intervalos e, quando um aumento no nível de vibração for detectado, a frequência de observação pode ser aumentada e uma análise detalhada da condição pode ser realizada. Nesse caso, as causas das mudanças de vibração podem ser identificadas com base na análise da frequência de vibração, o que permite determinar as medidas necessárias e planejar sua implementação muito antes que o dano se torne grave. Geralmente, as medidas são consideradas necessárias quando o nível de vibração aumenta em 1,6 vezes ou em 4 dB em comparação com o nível de referência.
O programa de monitoramento de condição consiste em várias etapas, que podem ser brevemente formuladas da seguinte forma:
- a) identificar a condição do ventilador e determinar o nível de vibração de referência (pode diferir do nível obtido durante os testes de fábrica devido a diferentes métodos de instalação, etc.);
- b) selecionar os pontos de medição de vibração;
- c) determinar a frequência de observação (medição);
- d) estabelecer o procedimento de registro de informações;
- e) determinar os critérios para avaliação do estado vibratório do ventilador, valores limites para vibração absoluta e mudanças de vibração, resumir a experiência de operação de máquinas semelhantes.
Como os ventiladores geralmente operam sem problemas em velocidades que não se aproximam da crítica, o nível de vibração não deve mudar significativamente com pequenas mudanças de velocidade ou carga, mas é importante notar que, quando o ventilador opera com velocidade de rotação variável, os valores limites de vibração estabelecidos se aplicam à velocidade de rotação operacional máxima. Se a velocidade de rotação máxima não puder ser atingida dentro do limite de vibração estabelecido, isso pode indicar a presença de um problema sério e exigir uma investigação especial.
Algumas recomendações de diagnóstico fornecidas no Apêndice C são baseadas na experiência de operação de ventiladores e destinam-se à aplicação sequencial ao analisar as causas do aumento da vibração.
Para avaliar qualitativamente a vibração de um ventilador específico e determinar diretrizes para ações futuras, podem ser usadas as fronteiras das zonas de condição de vibração estabelecidas pela ISO 10816-1.
Espera-se que, para ventiladores novos, seus níveis de vibração estejam abaixo dos valores limites dados na tabela 3. Esses valores correspondem à fronteira da zona A da condição de vibração de acordo com a ISO 10816-1. Valores recomendados para níveis de aviso e desligamento são estabelecidos com base na análise de informações coletadas sobre tipos específicos de ventiladores.
INFORMAÇÕES DE CONFORMIDADE
PADRÕES INTERNACIONAIS DE REFERÊNCIA USADOS COMO REFERÊNCIAS NORMATIVAS NESTA NORMA
Tabela H.1
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Designação do Padrão Interestatal de Referência
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Designação e Título do Padrão Internacional de Referência e a Designação Condicional do Seu Grau de Conformidade com o Padrão Interestatal de Referência
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GOST ISO 1940-1-2007
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ISO 1940-1:1986. Vibração. Requisitos para a Qualidade de Balanceamento de Rotores Rígidos. Parte 1. Determinação do Desbalanceamento Admissível (IDT)
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GOST ISO 5348-2002
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ISO 5348:1999. Vibração e Choque. Montagem Mecânica de Acelerômetros (IDT)
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GOST ISO 7919-1-2002
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ISO 7919-1:1996. Vibração de Máquinas Não Alternativas. Medições em Eixos Rotativos e Critérios de Avaliação. Parte 1. Diretrizes Gerais (IDT)
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GOST ISO 10816-1-97
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ISO 10816-1:1995. Vibração. Avaliação da Condição da Máquina por Medições de Vibração em Partes Não Rotativas. Parte 1. Diretrizes Gerais (IDT)
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GOST ISO 10816-3-2002
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ISO 10816-3:1998. Vibração. Avaliação da Condição da Máquina por Medições de Vibração em Partes Não Rotativas. Parte 3. Máquinas Industriais com Potência Nominal Superior a 15 kW e Velocidades Nominais de 120 a 15000 rpm, Medições In Situ (IDT)
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GOST 10921-90
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ISO 5801:1997. Ventiladores Industriais. Testes de Desempenho Usando Dutos Padronizados (NEQ)
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GOST 19534-74
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ISO 1925:2001. Vibração. Balanceamento. Vocabulário (NEQ)
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GOST 24346-80
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ISO 2041:1990. Vibração e Choque. Vocabulário (NEQ)
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GOST 31322-2006 (ISO 8821:1989)
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ISO 8821:1989. Vibração. Balanceamento. Diretrizes para Consideração do Efeito do Rasgo de Chaveta ao Balancear Eixos e Peças Acopladas (MOD)
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GOST 31351-2007 (ISO 14695:2003)
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ISO 14695:2003. Ventiladores Industriais. Métodos de Medição de Vibração (MOD)
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Nota: As seguintes designações condicionais do grau de conformidade da norma são usadas nesta tabela: IDT – normas idênticas;
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