Entendendo o balanceamento em múltiplos planos
Definição: O que é balanceamento multiplano?
balanceamento multiplano é um avançado balanceamento procedimento que utiliza três ou mais planos de correção distribuídas ao longo do comprimento do rotor para atingir níveis de vibração aceitáveis. Essa técnica é necessária para rotores flexíveis—rotores que se dobram ou flexionam significativamente durante a operação porque funcionam a velocidades acima de um ou mais velocidades críticas.
Enquanto balanceamento de dois planos O balanceamento em múltiplos planos é suficiente para a maioria dos rotores rígidos, ampliando o princípio para acomodar as formas de deflexão complexas (modos de vibração) que os rotores flexíveis apresentam em altas velocidades.
Quando é necessário o balanceamento multiplano?
O balanceamento multiplanar torna-se necessário em diversas situações específicas:
1. Rotores flexíveis operando acima de velocidades críticas
A aplicação mais comum é para rotores flexíveis—rotores longos e esguios que operam em velocidades superiores à sua primeira (e, às vezes, segunda ou terceira) velocidade crítica. Exemplos incluem:
- Rotores de turbinas a vapor e a gás
- Eixos de compressores de alta velocidade
- Bobinas de máquina de papel
- Grandes rotores de gerador
- Rotores de centrífuga
- Eixos de alta velocidade
Esses rotores sofrem flexão significativa durante a operação, e o formato de sua deflexão varia dependendo da velocidade de rotação e do modo de vibração excitado. Dois planos de correção são simplesmente insuficientes para controlar a vibração em todas as velocidades de operação.
2. Rotores rígidos muito longos
Mesmo alguns rotores rígidos, se extremamente longos em relação ao seu diâmetro, podem se beneficiar de três ou mais planos de correção para minimizar a vibração em vários pontos de apoio ao longo do eixo.
3. Rotores com Distribuição de Massa Complexa
Rotores com múltiplos discos, rodas ou impulsores em diversas posições axiais podem exigir o balanceamento individual de cada elemento, resultando em um procedimento de balanceamento multiplano.
4. Quando o balanceamento em dois planos se mostra inadequado
Se uma tentativa de balanceamento em dois planos reduzir a vibração nos locais de medição dos mancais, mas a vibração permanecer alta em locais intermediários ao longo do rotor (como a deflexão no meio do vão), planos de correção adicionais podem ser necessários.
O Desafio: Dinâmica de Rotores Flexíveis
Os rotores flexíveis apresentam desafios únicos que tornam o balanceamento em múltiplos planos complexo:
Formas de Modo
Quando um rotor flexível passa por um velocidade crítica, Ele vibra em um padrão específico chamado modo de vibração. O primeiro modo normalmente mostra o eixo se curvando em um único arco suave, o segundo modo mostra uma curva em S com um ponto nodal no meio, e os modos superiores mostram formas cada vez mais complexas. Cada modo requer uma distribuição de peso de correção específica.
Comportamento dependente da velocidade
A resposta ao desbalanceamento de um rotor flexível varia drasticamente com a velocidade. Uma correção que funciona bem em uma determinada velocidade pode ser ineficaz ou até mesmo contraproducente em outra. O balanceamento multiplano deve levar em consideração toda a faixa de velocidades de operação.
Efeitos de acoplamento cruzado
No balanceamento multiplano, um peso de correção em qualquer plano influencia a vibração em todos os pontos de medição. Com três, quatro ou mais planos de correção, as relações matemáticas tornam-se significativamente mais complexas do que no balanceamento em dois planos.
O procedimento de balanceamento multiplano
O procedimento prolonga o método do coeficiente de influência Utilizado no balanceamento em dois planos:
Etapa 1: Medições iniciais
Meça a vibração em vários pontos ao longo do rotor (normalmente em cada mancal e, às vezes, em pontos intermediários) na velocidade de operação de interesse. Para rotores flexíveis, pode ser necessário realizar medições em várias velocidades.
Etapa 2: Definir planos de correção
Identifique N planos de correção onde pesos podem ser adicionados. Estes devem ser distribuídos ao longo do comprimento do rotor em locais acessíveis, como flanges de acoplamento, aros das rodas ou anéis de balanceamento especialmente projetados.
Etapa 3: Execuções sequenciais de testes de peso
Realize N execuções de teste, cada uma com um peso de teste Em um plano de correção. Por exemplo, com quatro planos de correção:
- Execução 1: Peso de teste apenas no Plano 1
- Execução 2: Peso de teste apenas no Plano 2
- Execução 3: Peso de teste apenas no Plano 3
- Execução 4: Peso de teste apenas no Plano 4
Durante cada execução, meça a vibração em todos os pontos de medição. Isso gera uma matriz completa de coeficientes de influência, descrevendo como cada plano de correção afeta cada ponto de medição.
Etapa 4: Calcular os pesos de correção
O software de balanceamento resolve um sistema de N equações simultâneas (onde N é o número de planos de correção) para calcular o valor ótimo. pesos de correção para cada plano. Esse cálculo utiliza álgebra matricial e é complexo demais para ser realizado manualmente — é essencial o uso de software especializado.
Etapa 5: Instalar e verificar
Instale todos os pesos de correção calculados simultaneamente e verifique os níveis de vibração. Para rotores flexíveis, a verificação deve ser realizada em toda a faixa de velocidade de operação para garantir vibração aceitável em todas as velocidades.
Equilíbrio Modal: Uma Abordagem Alternativa
Para rotores altamente flexíveis, utiliza-se uma técnica avançada chamada equilíbrio modal Pode ser mais eficaz do que o balanceamento multiplano convencional. O balanceamento modal visa modos de vibração específicos, em vez de velocidades específicas. Ao calcular pesos de correção que correspondem aos modos de vibração naturais do rotor, é possível obter melhores resultados com menos ensaios. No entanto, esse método requer ferramentas de análise sofisticadas e um profundo conhecimento da dinâmica de rotores.
Complexidade e Considerações Práticas
O balanceamento em múltiplos planos é significativamente mais complexo do que o balanceamento em dois planos:
Número de execuções de teste
O número de ensaios necessários aumenta linearmente com o número de planos. Uma balança de quatro planos requer quatro ensaios, além dos ensaios inicial e de verificação — um total de seis partidas e paradas. Isso aumenta o custo, o tempo e o desgaste da máquina.
Complexidade Matemática
Resolver o problema para determinar os N pesos de correção exige a inversão de uma matriz N×N, o que é computacionalmente intensivo e pode ser numericamente instável se as medições forem ruidosas ou se os planos de correção estiverem mal posicionados.
Precisão de medição
Como o balanceamento em múltiplos planos depende da resolução de muitas equações simultâneas, os erros de medição e o ruído têm um impacto maior do que no balanceamento em dois planos. Sensores de alta qualidade e coleta de dados cuidadosa são essenciais.
Acessibilidade do Plano de Correção
Encontrar N locais de planos de correção acessíveis e eficazes pode ser um desafio, especialmente em máquinas que não foram originalmente projetadas para balanceamento multiplano.
Requisitos de equipamento e software
O balanceamento em múltiplos planos requer:
- Software de balanceamento avançado: Capaz de lidar com matrizes de coeficientes de influência N×N e resolver sistemas de equações vetoriais complexas.
- Múltiplos sensores de vibração: Recomenda-se o uso de pelo menos N sensores (um por local de medição), embora alguns instrumentos possam funcionar com menos sensores, reposicionando-os entre as execuções.
- Tacômetro/Fasor de chave: Essencial para precisão fase medição.
- Pessoal experiente: A complexidade do balanceamento em múltiplos planos exige técnicos com formação avançada em dinâmica de rotores e análise de vibrações.
Aplicações típicas
O balanceamento em múltiplos planos é uma prática padrão em indústrias com máquinas de alta velocidade:
- Geração de energia: Grandes conjuntos de turbinas a vapor e a gás com geradores
- Petroquímica: Compressores centrífugos de alta velocidade e turboexpansores
- Celulose e Papel: Bobinas longas para secadoras de máquinas de papel e bobinas para calendários.
- Aeroespacial: Rotores de motores de aeronaves e turbomáquinas
- Fabricação: Fusos de máquinas-ferramentas de alta velocidade
Nessas aplicações, o investimento em balanceamento multiplano se justifica pela criticidade do equipamento, pelas consequências de uma falha e pelos ganhos de eficiência operacional resultantes da operação com vibração mínima.
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