ISO 21940-12: Procedimentos e Tolerâncias para Rotores com Comportamento Flexível
ISO 21940-12 é a norma internacional que aborda o problema mais complexo do balanceamento de rotores flexíveis — rotores cuja forma e distribuição de desequilíbrio se alteram significativamente com a velocidade, particularmente quando se aproximam e ultrapassam as suas frequências de velocidades críticas. O seu título completo é “Vibração mecânica — Balanceamento de rotores — Parte 12: Procedimentos e tolerâncias para rotores com comportamento flexível.” Unlike a rotor rígido, que pode ser equilibrado uma vez a baixa velocidade e em que se pode confiar para permanecer equilibrado, um rotor flexível equilibrado em repouso pode vibrar violentamente à sua velocidade de serviço. Esta norma fornece os procedimentos especializados de múltiplas velocidades e múltiplos planos que estes rotores exigem, sendo o complemento natural de ISO 21940-11, que rege os rotores rígidos.
1. Âmbito e Classificação dos Rotores
A norma aplica-se a qualquer rotor cuja distribuição de desequilíbrio e/ou forma deflectida se altera com a velocidade. A ISO 21940-12 enquadra o trabalho em torno de configurações de rotores com comportamento flexível e os procedimentos de equilibragem adequados a cada um, em vez de um sistema de classes numeradas. O amplamente citado esquema de cinco categorias abaixo descrito tem origem na ISO 11342:1998, entretanto revogada, e continua a ser um guia útil para a complexidade do trabalho; os rotores variam de quase rígidos a altamente flexíveis:
- Classe 1 — Rotores rígidos: comportam-se de forma rígida em toda a gama de velocidades e são tratados ao abrigo da ISO 21940-11.
- Classe 2 — Rotores quase-rígidos: podem ser equilibrados a baixa velocidade, mas podem necessitar de uma equilíbrio de acabamento à velocidade de serviço para corrigir a flexão residual.
- Classe 3 — Rotores que requerem balanceamento a várias velocidades: passando tipicamente por uma ou mais velocidades críticas, equilibrados mais frequentemente com o coeficiente de influência método.
- Classes 4 e 5 — Rotores altamente flexíveis: como grandes veios de turbinas-geradores, que excitam múltiplos modos de flexão e necessitam de procedimentos avançados equilíbrio modal para corrigir cada modo.
Colocar um rotor na classe correcta indica ao analista, desde o início, o grau de complexidade do trabalho e qual o procedimento a adoptar.
2. Procedimentos de Balanceamento: Dois Métodos Fundamentais
Este capítulo constitui o núcleo técnico da norma. A sua mensagem central é que um equilibrado a baixa velocidade por si só é insuficiente para um rotor flexível e deve ser complementado por trabalho a alta velocidade que tenha em conta a flexão do veio. A ISO 21940-12 organiza este trabalho como uma família de procedimentos de equilibragem — procedimentos a baixa velocidade (designados de A a F, como plano único, dois planos e equilibragem por fases durante a montagem) e procedimentos a alta velocidade (G a I, efectuados a uma ou mais velocidades elevadas). Os procedimentos a alta velocidade assentam em duas técnicas principais:
Método do Coeficiente de Influência
Esta técnica versátil e amplamente utilizada coloca um peso de teste num plano de correcção de cada vez e regista a vibração resposta — ambos amplitude e fase — em múltiplos pontos de medição e a múltiplas velocidades. Repetindo este procedimento para cada plano, constrói-se uma matriz de coeficientes de influência que descreve matematicamente como o desequilíbrio em qualquer plano afecta a vibração em qualquer ponto e velocidade. Um computador inverte então essa matriz para determinar o conjunto de massas e ângulos das pesas de correcção que minimizam simultaneamente a vibração em toda a gama de funcionamento. A mesma base matemática sustenta o trabalho em plano único; pode explorá-la de forma interactiva com o Calculadora de Coeficiente de Influência.
Balanceamento modal
A equilibragem modal é a abordagem fisicamente mais intuitiva: trata cada modo de flexão mode do rotor como um problema de desequilíbrio independente. O rotor é operado a ou próximo de uma velocidade crítica escolhida para excitar ao máximo a forma modal correspondente; as medições de vibração localizam então o “ponto pesado” efectivo para esse modo, e as pesas de correcção são colocadas nos pontos de máxima deflexão — os anti-nós — para o contrariar. O processo repete-se modo a modo para cada modo de flexão significativo dentro da gama de funcionamento, equilibrando o rotor um modo de cada vez. Os dois métodos não são rivais; as máquinas de grande porte são frequentemente equilibradas com um método híbrido que utiliza o discernimento modal para escolher os planos e os coeficientes de influência para refinar as pesas.
3. Especificação das Tolerâncias de Balanceamento
The simple Grau G a tolerância que funciona tão bem para rotores rígidos é geralmente inadequada para os flexíveis, porque um único valor de excentricidade não consegue captar a flexão dependente da velocidade. A ISO 21940-12 introduz, por isso, critérios de tolerância mais abrangentes, que podem basear-se em:
- Limits on the desequilíbrio modal residual para cada modo de flexão significativo.
- Limits on the amplitudes absolutas de vibração do veio em locais e velocidades especificados, especialmente à velocidade de serviço.
- Limits on the forças transmitidas aos rolamentos.
Estes limites baseados em vibração e força associam os critérios de aceitação a normas de severidade em serviço, como a ISO 20816 série, em vez de um único valor de desequilíbrio residual.
4. Verificação do Estado Final de Balanceamento
A aceitação de um rotor flexível é fundamentalmente diferente da de um rotor rígido. Um rotor rígido é verificado a uma única velocidade; um rotor flexível tem de ser confirmado em equilíbrio ao longo de toda a sua inteiro gama de funcionamento. Após as correcções finais, o rotor é submetido a uma aceleração, com a vibração continuamente monitorizada em locais-chave, como os rolamentos e os pontos de deflexão máxima. O rotor só é aceite se a vibração medida se mantiver abaixo dos limites predefinidos a todas as velocidades — em particular durante a passagem por cada velocidade crítica e durante a permanência à velocidade máxima contínua de funcionamento. Esta verificação abrangente confirma que o comportamento dinâmico global do rotor’ foi colocado sob controlo.
5. A Dimensão de Campo e Ferramentas Práticas
Embora grande parte do trabalho com rotores flexíveis ocorra em bancadas de balanceamento de alta velocidade, as mesmas competências de medição de amplitude e fase aplicam-se ao equilíbrio de campo e ao balanceamento de ajuste fino após a instalação de uma máquina. Um analisador portátil de dois canais como o Conjunto de equilíbrio-1a capta a amplitude e a fase 1× nos próprios rolamentos da máquina’, calcula os coeficientes de influência e permite ao engenheiro aplicar e verificar uma correcção de ajuste fino à velocidade de funcionamento sem desmontagem — uma necessidade frequente para rotores quasi-rígidos de Classe 2 que passam o balanceamento em oficina mas ainda apresentam ligeira flexão em serviço. Para máquinas de médio e grande porte instaladas, os procedimentos e salvaguardas dedicados de balanceamento in situ de ISO 21940-13 aplicar em conjunto com esta parte.
6. Conceitos-Chave a Reter
- Comportamento flexível vs. rígido: um rotor é tratado como flexível quando a sua velocidade de funcionamento atinge uma fracção significativa — tipicamente acima de 70% — da sua primeira frequência natural. À medida que gira mais rapidamente, as forças centrífugas flectem-no e alteram o seu desequilíbrio.
- Velocidades críticas e formas modais: conhecer as velocidades críticas do rotor’ e as formas que este assume ao flectir em cada uma delas é essencial; cada modo constitui um problema de balanceamento independente.
- Múltiplos planos, múltiplas velocidades: correcções em vários planos, baseadas em medições a várias velocidades, são a regra e não a excepção.
- Equilíbrio modal: uma estratégia poderosa em que os contrapesos são adicionados especificamente para contrariar o desequilíbrio de cada modo de flexão nos seus anti-nós.
