Grau de Qualidade do Equilíbrio (G-Grade): Definição, objetivo e aplicação
O que é um Balance Quality Grade (G-Grade)?
A Grau de qualidade do equilíbrio, O grau G, normalmente designado por “grau G”, é uma classificação normalizada definida nas normas ISO 1940-1 e ISO 21940-11 que especifica o desequilíbrio residual máximo permitido para um rotor. Por outras palavras, o grau G indica a precisão com que um rotor deve ser equilibrado. Não mede diretamente os níveis de vibração, mas define uma tolerância de desequilíbrio com base na massa do rotor e na velocidade máxima de funcionamento.
O número que se segue à letra G (por exemplo, G6.3, G2.5) corresponde à velocidade máxima de vibração do centro de massa do rotor, expressa em milímetros por segundo (mm/s). Por exemplo, o grau G6.3 significa que o centro de massa do rotor não deve sofrer vibrações superiores a 6,3 mm/s à velocidade máxima de funcionamento, enquanto o grau mais rigoroso G2.5 limita esta velocidade a 2,5 mm/s. Quanto menor o número G, mais rigorosos são os requisitos de balanceamento: menor tolerância de desbalanceamento e maior precisão de balanceamento.
O propósito do sistema G-Grade
O sistema de grau G foi desenvolvido para estabelecer um padrão universal que define o grau de equilíbrio de um rotor. Em vez de afirmações vagas como “o rotor deve estar bem equilibrado”, os engenheiros podem especificar um objetivo preciso e verificável, como “equilibrar até G6.3”. Esta norma fornece uma linguagem comum aos fabricantes, engenheiros de assistência e clientes, assegurando que o equipamento cumpre as normas de fiabilidade e segurança exigidas. Os principais objectivos do sistema de grau G são:
Limitar a vibração do desequilíbrio a níveis aceitáveis. O desequilíbrio causa forças centrífugas e vibrações que podem levar a ruídos, falhas por fadiga e acidentes. Ao aplicar classes de equilíbrio padrão, estas vibrações podem ser controladas dentro de limites seguros.
Minimizar as cargas dinâmicas nos rolamentos e prolongar a sua vida útil. A vibração contínua actua sobre os rolamentos como um martelo, acelerando o seu desgaste. Ao limitar o desequilíbrio através do grau G necessário, as forças que actuam sobre os rolamentos são reduzidas, prolongando a sua vida útil.
Garantir o funcionamento seguro do rotor à velocidade máxima de projeto. Quanto maior for a velocidade de rotação, mais forte será o efeito de um desequilíbrio, mesmo que pequeno. Um grau de equilíbrio rigoroso garante que o rotor não sofrerá vibrações destrutivas na sua velocidade de funcionamento. Isto é especialmente importante para máquinas de alta velocidade (turbinas, compressores, etc.), onde o desequilíbrio excessivo pode levar à falha.
Fornecer um critério de aceitação claro e mensurável. A existência de uma norma de classe G permite verificar, durante o fabrico e a reparação, se o nível de equilíbrio exigido foi atingido. Se o desequilíbrio residual após a equilibragem não exceder o valor permitido para a classe G em questão, considera-se que o rotor passou na inspeção. Esta abordagem transforma a equilibragem de uma arte numa ciência precisa com critérios verificáveis.
Como são determinadas as notas de qualidade do equilíbrio?
As normas ISO contêm recomendações para a seleção de classes G para centenas de rotores e máquinas típicas. As tabelas normalizadas (por exemplo, ISO 1940-1, atualmente substituída pela ISO 21940-11) listam os graus G recomendados para várias categorias de equipamento. A seleção de um grau específico depende de vários factores:
Tipo de máquina e objetivo. Uma turbina de alta velocidade ou um fuso de precisão requerem um equilíbrio muito mais preciso (menor G) do que um mecanismo agrícola de baixa velocidade. Os projectistas têm em conta a sensibilidade de um determinado tipo de máquina às vibrações e as consequências que o desequilíbrio pode ter.
Massa e dimensões do rotor. Os rotores mais leves são geralmente mais sensíveis ao desbalanceamento e podem ter requisitos mais rigorosos. A massa do rotor entra diretamente no cálculo do desbalanceamento permitido - um rotor mais pesado pode “tolerar” um desbalanceamento absoluto um pouco maior sem aumentar a vibração em comparação com um mais leve.
Velocidade máxima de rotação. Este é um dos factores-chave: quanto maior for a velocidade, mais rigoroso deve ser o equilíbrio. Para a mesma magnitude de desequilíbrio, as forças aumentam proporcionalmente ao quadrado da velocidade de rotação. Portanto, um grau G mais baixo é selecionado para rotores de alta velocidade para compensar o efeito da velocidade.
Estrutura de suporte e condições de montagem. Um rotor montado em suportes flexíveis (elásticos) requer normalmente um equilíbrio mais cuidadoso do que um montado numa base rígida, uma vez que um sistema flexível amortece as vibrações de forma menos eficaz. Por exemplo, podem aplicar-se graus diferentes (G16 vs G40) à mesma cambota, dependendo do facto de o motor estar montado em isoladores de vibrações elásticos ou rígidos.
Exemplos de graus de qualidade de equilíbrio comuns
| Grau G | Velocidade máx. Velocidade (mm/s) | Aplicações típicas |
|---|---|---|
| G 40 | 40 mm/s | Rodas e jantes de automóveis; cambotas para motores de combustão interna de baixa velocidade (baixas rotações). |
| G 16 | 16 mm/s | Peças para trituradores e máquinas agrícolas; veios de transmissão (veios cardan); grandes componentes de máquinas de uso geral com requisitos moderados. |
| G 6.3 | 6,3 mm/s | Classe padrão para a maior parte do equipamento industrial: rotores de motores eléctricos, impulsores de bombas, ventiladores, turbocompressores de baixa velocidade, maquinaria de processo geral. A classe G6.3 é uma das classes mais frequentemente especificadas. |
| G 2.5 | 2,5 mm/s | Rotores de alta velocidade e de alta precisão: turbinas a gás e a vapor, rotores de turbocompressores, accionamentos de máquinas-ferramentas, fusos de alta precisão e máquinas eléctricas de alta velocidade. |
| G 1.0 | 1,0 mm/s | Equilibragem muito precisa para mecanismos de precisão: accionamentos de máquinas de retificação, pequenos motores eléctricos de alta velocidade e turbocompressores para automóveis. |
| G 0.4 | 0,4 mm/s | A mais elevada precisão de equilibragem para dispositivos excecionalmente sensíveis e de alta velocidade: giroscópios, fusos de precisão (por exemplo, para maquinagem de precisão ou equipamento microelectrónico), unidades de disco rígido e outros componentes que exijam vibrações mínimas. |
Nota: O valor da velocidade em mm/s na designação do grau corresponde ao produto da excentricidade específica pela velocidade angular: G = epor-ω. Assim, o número G indica a velocidade limite do movimento do centro de massa deslocado durante o funcionamento do rotor. Na prática, a seleção do grau pode diferir um nível para cima ou para baixo, dependendo dos requisitos específicos e das condições de funcionamento.
Calculando o Desequilíbrio Residual Permissível
Conhecendo o grau G requerido, é possível calcular o desbalanceamento residual máximo permitido - a quantidade de desbalanceamento que pode permanecer após o balanceamento sem exceder o grau especificado. A norma ISO fornece a seguinte fórmula:
Upor (g-mm) = (9549 × G [mm/s] × m [kg]) / n [RPM]
Onde:
- Upor - desequilíbrio residual admissível em gramas-milímetros (g-mm)
- G — grau de qualidade do equilíbrio (mm/s)
- m - massa do rotor (kg)
- n - velocidade máxima de funcionamento (RPM)
Exemplo: Para um rotor com uma massa de 100 kg, rodando a uma velocidade máxima de 3000 RPM, que deve ser equilibrado de acordo com o grau G6.3, o desequilíbrio residual admissível é:
Upor = (9549 × 6.3 × 100) / 3000 ≈ 2005 g-mm
Isto significa que um desequilíbrio total de aproximadamente 2005 g-mm é permitido para este rotor sem exceder G6.3. Na prática, este desbalanceamento residual é distribuído entre os planos de correção. Para a equilibragem (dinâmica) em dois planos, o valor calculado de Upor é dividido entre os planos de forma igual ou proporcional à configuração do rotor. Assim, o técnico de equilibragem recebe um objetivo numérico específico a atingir.
Equilíbrio prático e equipamento
Para atingir o grau de equilíbrio necessário na prática, é utilizado equipamento especializado. Em condições de fabrico, são normalmente utilizadas máquinas de equilibragem estacionárias, onde o rotor é rodado e corrigido até que o desequilíbrio residual desça para o valor normal do grau G selecionado.
No entanto, em condições de campo (por exemplo, quando a vibração ocorre num ventilador ou bomba já instalados), podem ser utilizados instrumentos de equilibragem portáteis. Um exemplo é o Balanset-1A um vibrómetro-balanceador portátil de dois canais. Permite a equilibragem dinâmica de um ou dois planos diretamente no equipamento in-situ (no local, sem remoção do rotor).
Fig. 1: Balanset-1A, um vibrómetro-balanceador portátil ligado a um computador portátil. Este dispositivo compacto inclui um módulo de medição eletrónico, dois sensores de vibração e um tacómetro laser, sendo o controlo e o cálculo do desequilíbrio efectuados por um software para PC.
Fig. 1: Janela de cálculo da tolerância de balanceamento no software Balanset. O programa inclui uma calculadora incorporada que calcula automaticamente o desequilíbrio residual admissível, de acordo com as normas ISO 1940, com base na massa do rotor, na velocidade de funcionamento e na classe G selecionada.
O dispositivo liga-se a um computador portátil, mede a vibração e a fase de desequilíbrio utilizando sensores e um tacómetro ótico, após o que o software calcula automaticamente os pesos de correção necessários. Entre as caraterísticas do Balanset-1A está o cálculo automático do desbalanceamento permitido de acordo com a norma ISO 1940 (graus G) - o próprio dispositivo determina o nível de vibração que deve ser reduzido para atingir, por exemplo, o grau G6.3 ou G2.5.
Instrumentos de balanceamento modernos, como o Balanset-1A, tornam a obtenção do grau de balanceamento necessário mais rápida e confiável. Utilizando a terminologia padrão do grau G e os cálculos de tolerância incorporados, os engenheiros e técnicos sabem exatamente o critério para um balanceamento bem sucedido. Assim, a padronização da qualidade do balanceamento através dos graus G possibilitou uma linguagem comum para descrever a “suavidade” com que um rotor específico deve operar e atingir este nível de confiabilidade de vibração utilizando métodos que são compreensíveis e verificáveis em todo o mundo.
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