Parte I: Fundamentos teóricos e regulatórios do balanceamento dinâmico

O balanceamento dinâmico em campo é uma das principais operações na tecnologia de ajuste de vibração, visando prolongar a vida útil de equipamentos industriais e prevenir situações de emergência. O uso de instrumentos portáteis como o Balanset-1A permite que essas operações sejam realizadas diretamente no local de operação, minimizando o tempo de inatividade e os custos associados à desmontagem. No entanto, o balanceamento bem-sucedido exige não apenas a capacidade de trabalhar com o instrumento, mas também um profundo conhecimento dos processos físicos subjacentes à vibração, bem como o conhecimento da estrutura regulatória que rege a qualidade do trabalho.

O princípio da metodologia baseia-se na instalação de pesos de teste e no cálculo dos coeficientes de influência do desequilíbrio. Simplificando, o instrumento mede a vibração (amplitude e fase) de um rotor em rotação, após o que o usuário adiciona sequencialmente pequenos pesos de teste em planos específicos para "calibrar" a influência da massa adicional na vibração. Com base nas mudanças na amplitude e na fase da vibração, o instrumento calcula automaticamente a massa e o ângulo de instalação necessários dos pesos corretivos para eliminar o desequilíbrio.

Essa abordagem implementa o chamado método de três execuções Para balanceamento em dois planos: medição inicial e duas medições com pesos de teste (um em cada plano). Para balanceamento em um único plano, geralmente são suficientes duas medições – uma sem peso e outra com um peso de teste. Nos instrumentos modernos, todos os cálculos necessários são realizados automaticamente, simplificando significativamente o processo e reduzindo os requisitos de qualificação do operador.

Seção 1.1: Física do Desequilíbrio: Análise em Profundidade

No cerne de qualquer vibração em equipamentos rotativos está o desequilíbrio, ou desbalanceamento. Desbalanceamento é uma condição em que a massa do rotor é distribuída de forma desigual em relação ao seu eixo de rotação. Essa distribuição desigual leva à ocorrência de forças centrífugas, que por sua vez causam vibração nos suportes e em toda a estrutura da máquina. As consequências do desequilíbrio não corrigido podem ser catastróficas: desde desgaste prematuro e destruição de rolamentos até danos à fundação e à própria máquina. Para um diagnóstico e eliminação eficazes do desequilíbrio, é necessário distinguir claramente seus tipos.

Tipos de Desequilíbrio

Desequilíbrio estático (plano único): Este tipo de desequilíbrio é caracterizado pelo deslocamento do centro de massa do rotor paralelo ao eixo de rotação. Em estado estático, tal rotor, instalado sobre prismas horizontais, sempre girará com o lado mais pesado para baixo. O desequilíbrio estático é predominante em rotores finos em forma de disco, onde a relação comprimento-diâmetro (C/D) é menor que 0,25, por exemplo, em rebolos ou rotores de ventiladores estreitos. A eliminação do desequilíbrio estático é possível instalando um peso corretivo em um plano de correção, diametralmente oposto ao ponto mais pesado.

Desequilíbrio de casal (momento): Este tipo ocorre quando o eixo principal de inércia do rotor intercepta o eixo de rotação no centro de massa, mas não é paralelo a ele. O desequilíbrio de par pode ser representado como duas massas desbalanceadas de igual magnitude, mas com direções opostas, localizadas em planos diferentes. Em um estado estático, tal rotor está em equilíbrio, e o desequilíbrio se manifesta apenas durante a rotação na forma de "balanço" ou "oscilação". Para compensá-lo, é necessária a instalação de pelo menos dois pesos corretivos em dois planos diferentes, criando um momento de compensação.

Desequilíbrio dinâmico: Este é o tipo mais comum de desequilíbrio em condições reais, representando uma combinação de desequilíbrios estáticos e de binário. Neste caso, o eixo central principal de inércia do rotor não coincide com o eixo de rotação e não o intercepta no centro de massa. Para eliminar o desequilíbrio dinâmico, é necessária a correção da massa em pelo menos dois planos. Instrumentos de dois canais, como o Balanset-1A, são projetados especificamente para resolver este problema.

Desequilíbrio quase estático: Este é um caso especial de desequilíbrio dinâmico em que o eixo principal de inércia intercepta o eixo de rotação, mas não o centro de massa do rotor. Esta é uma distinção sutil, mas importante para o diagnóstico de sistemas de rotores complexos.

Rotores rígidos e flexíveis: distinção crítica

Um dos conceitos fundamentais do balanceamento é a distinção entre rotores rígidos e flexíveis. Essa distinção determina a possibilidade e a metodologia de um balanceamento bem-sucedido.

Rotor rígido: Um rotor é considerado rígido se sua frequência de rotação operacional for significativamente menor que sua primeira frequência crítica e não sofrer deformações elásticas significativas (deflexões) sob a ação de forças centrífugas. O balanceamento de tal rotor é normalmente realizado com sucesso em dois planos de correção. Os instrumentos Balanset-1A são projetados principalmente para trabalhar com rotores rígidos.

Rotor flexível: Um rotor é considerado flexível se operar a uma frequência de rotação próxima ou superior a uma de suas frequências críticas. Nesse caso, a deflexão elástica do eixo torna-se comparável ao deslocamento do centro de massa e, por si só, contribui significativamente para a vibração geral.

Antes de iniciar o trabalho, é extremamente importante classificar o rotor correlacionando sua velocidade de operação com as frequências críticas conhecidas (ou calculadas). Se for impossível contornar a ressonância, recomenda-se alterar temporariamente as condições de montagem da unidade durante o balanceamento para deslocar a ressonância.

Seção 1.2: Estrutura regulatória: Normas ISO

As normas na área de balanceamento desempenham várias funções essenciais: estabelecem uma terminologia técnica unificada, definem requisitos de qualidade e, principalmente, servem como base para o equilíbrio entre a necessidade técnica e a viabilidade econômica.

ISO 1940-1-2007 (ISO 1940-1): Requisitos de qualidade para balanceamento de rotores rígidos

Esta norma é o documento fundamental para determinar o desequilíbrio residual admissível. Ela introduz o conceito de grau de qualidade de balanceamento (G), que depende do tipo de máquina e da sua frequência de rotação operacional.

Grau de qualidade G: Cada tipo de equipamento corresponde a um grau de qualidade específico que permanece constante independentemente da velocidade de rotação. Por exemplo, o grau G6.3 é recomendado para britadores e o G2.5 para turbinas e armaduras de motores elétricos.

Cálculo do desequilíbrio residual admissível (U_por): A norma permite o cálculo de um valor de desequilíbrio admissível específico que serve como indicador-alvo durante o balanceamento. O cálculo é realizado em duas etapas:

1. Determinação do desequilíbrio específico admissível (e_por) usando a fórmula:
   e por = (G × 9549) / n
   onde G é o grau de qualidade do balanceamento (por exemplo, 2,5), n é a frequência de rotação operacional, rpm. A unidade de medida para e_por é g·mm/kg ou μm.
2. Determinação do desequilíbrio residual admissível (U_por) para todo o rotor:
   U por = e por × M
   onde M é a massa do rotor, kg. A unidade de medida para U_por é g·mm.

ISO 20806-2007 (ISO 20806): Balanceamento no local

Esta norma regula diretamente o processo de balanceamento de campo.

Vantagens: A principal vantagem do balanceamento no local é que o rotor é balanceado em condições reais de operação, sobre seus suportes e sob carga operacional. Isso leva em consideração automaticamente as propriedades dinâmicas do sistema de suporte e a influência dos componentes do trem de eixos conectados.

Desvantagens e limitações:

• Acesso limitado: Muitas vezes, o acesso aos planos de correção em uma máquina montada é difícil, limitando as possibilidades de instalação de pesos.
• Necessidade de testes: O processo de balanceamento requer vários ciclos de "ligar e desligar" da máquina.
• Dificuldade com desequilíbrio severo: Em casos de desequilíbrio inicial muito grande, limitações na seleção do plano e na massa de peso corretivo podem não permitir atingir a qualidade de balanceamento necessária.

Parte II: Guia prático para balanceamento com instrumentos Balanset-1A

O sucesso do balanceamento 80% depende da minuciosidade do trabalho preparatório. A maioria das falhas não está relacionada ao mau funcionamento do instrumento, mas à negligência de fatores que afetam a repetibilidade da medição. O principal princípio da preparação é excluir todas as outras possíveis fontes de vibração, de modo que o instrumento meça apenas o efeito do desbalanceamento.

Seção 2.1: Base do Sucesso: Diagnóstico de Pré-balanceamento e Preparação da Máquina

Etapa 1: Diagnóstico de vibração primária (É realmente desequilíbrio?)

Antes do balanceamento, é útil realizar uma medição preliminar de vibração no modo vibrometro. O software Balanset-1A possui um modo "Medidor de Vibração" (botão F5) onde você pode medir a vibração geral e separadamente a vibração do componente na frequência de rotação (1×) antes de instalar quaisquer contrapesos.

Sinal clássico de desequilíbrio: O espectro de vibração deve ser dominado por um pico na frequência de rotação do rotor (pico na frequência de 1x RPM). A amplitude desse componente nas direções horizontal e vertical deve ser comparável, e as amplitudes dos outros harmônicos devem ser significativamente menores.

Sinais de outros defeitos: Se o espectro contiver picos significativos em outras frequências (por exemplo, 2x, 3x RPM) ou em frequências não múltiplas, isso indica a presença de outros problemas que devem ser eliminados antes do balanceamento.

Etapa 2: Inspeção mecânica abrangente (lista de verificação)

• Rotor: Limpe cuidadosamente todas as superfícies do rotor, removendo sujeira, ferrugem e resíduos de produtos. Mesmo uma pequena quantidade de sujeira em um raio grande pode causar desequilíbrio significativo. Verifique se há elementos quebrados ou faltantes.
• Rolamentos: Verifique se os conjuntos de rolamentos apresentam folga excessiva, ruídos estranhos e superaquecimento. Rolamentos desgastados não permitirão a obtenção de leituras estáveis.
• Fundação e estrutura: Certifique-se de que a unidade esteja instalada sobre uma base rígida. Verifique o aperto dos parafusos de ancoragem e a ausência de rachaduras na estrutura.
• Dirigir: Para transmissões por correia, verifique a tensão e o estado da correia. Para conexões de acoplamento, verifique o alinhamento do eixo.
• Safety: Garantir a presença e a operacionalidade de todas as proteções.

Seção 2.2: Configuração e instalação do instrumento

Instalação de hardware

Sensores de vibração (acelerômetros):

• Conecte os cabos do sensor aos conectores do instrumento correspondentes (por exemplo, X1 e X2 para Balanset-1A).
• Instale sensores nas caixas de mancais o mais próximo possível do rotor.
• Prática fundamental: Para obter o sinal máximo, os sensores devem ser instalados na direção da vibração. Utilize uma base magnética potente ou um suporte roscado para garantir um contato firme.

Sensor de fase (tacômetro a laser):

• Conecte o sensor à entrada especial (X3 para Balanset-1A).
• Cole um pequeno pedaço de fita refletora no eixo ou em outra parte giratória do rotor.
• Instale o tacômetro de forma que o feixe de laser atinja a marca de maneira estável durante toda a rotação.

Configuração de software (Balanset-1A)

• Inicie o software (como administrador) e conecte o módulo de interface USB.
• Acesse o módulo de balanceamento. Crie um novo registro para a unidade que está sendo balanceada.
• Selecione o tipo de balanceamento: 1 plano (estático) para rotores estreitos ou 2 planos (dinâmico) para a maioria dos outros casos.
• Defina os planos de correção: escolha os locais no rotor onde os pesos corretivos possam ser instalados com segurança.

Seção 2.3: Procedimento de balanceamento: guia passo a passo

Execução 0: Medição inicial

• Ligue a máquina e deixe-a atingir uma velocidade de operação estável. É extremamente importante que a velocidade de rotação seja a mesma em todas as operações subsequentes.
• No programa, inicie a medição. O instrumento registrará os valores iniciais de amplitude e fase da vibração.

Execução 1: Peso de teste no plano 1

• Pare a máquina.
• Seleção de peso de teste: A massa do peso de teste deve ser suficiente para causar uma mudança perceptível nos parâmetros de vibração (variação de amplitude de pelo menos 20-30% OU mudança de fase de pelo menos 20-30 graus).
• Instalação do peso de teste: Fixe firmemente o peso de teste previamente pesado em um raio conhecido no plano 1. Registre a posição angular.
• Ligue a máquina na mesma velocidade estável.
• Realize a segunda medição.
• Pare a máquina e REMOVA o peso de teste.

Execução 2: Peso de teste no plano 2 (para balanceamento de 2 planos)

• Repita exatamente o procedimento da etapa 2, mas instale o peso de teste no plano 2.
• Comece, meça, pare e REMOVA o peso de teste.

Cálculo e instalação de pesos corretivos

• Com base nas alterações vetoriais registradas durante os testes, o programa calculará automaticamente a massa e o ângulo de instalação do peso corretivo para cada avião.
• O ângulo de instalação geralmente é medido a partir do local do peso de teste na direção da rotação do rotor.
• Fixe firmemente os pesos corretivos permanentes. Ao usar soldagem, lembre-se de que a própria solda também possui massa.

Execução 3: Medição de verificação e balanceamento fino

• Ligue a máquina novamente.
• Execute uma medição de controle para avaliar o nível de vibração residual.
• Compare o valor obtido com a tolerância calculada de acordo com a norma ISO 1940-1.
• Se a vibração ainda exceder a tolerância, o instrumento calculará uma pequena correção "fina" (de ajuste).
• Ao concluir, salve o relatório e os coeficientes de influência para possível uso futuro.

Parte III: Resolução Avançada de Problemas e Solução de Problemas

Esta seção é dedicada aos aspectos mais complexos do balanceamento de campo — situações em que o procedimento padrão não produz resultados.

Seção 3.1: Diagnóstico e superação da instabilidade de medição

Sintoma: Durante medições repetidas sob condições idênticas, as leituras de amplitude e/ou fase mudam significativamente ("flutuação", "salto"). Isso impossibilita o cálculo de correção.

Causa raiz: O instrumento não está com defeito. Ele indica corretamente que a resposta vibracional do sistema é instável e imprevisível.

Algoritmo de diagnóstico sistemático:

• Frouxidão mecânica: Essa é a causa mais frequente. Verifique o aperto dos parafusos de fixação da caixa de rolamentos e dos parafusos de ancoragem da estrutura. Verifique se há rachaduras na fundação ou na estrutura.
• Defeitos nos rolamentos: Folgas internas excessivas em rolamentos ou desgaste da carcaça do rolamento permitem que o eixo se mova de forma caótica dentro do suporte.
• Instabilidade relacionada ao processo:
  • Aerodinâmico (ventiladores): O fluxo de ar turbulento e a separação do fluxo nas pás podem causar efeitos de força aleatórios.
  • Hidráulica (bombas): A cavitação cria choques hidráulicos poderosos e aleatórios que mascaram o sinal periódico do desequilíbrio.
  • Movimento interno de massa (trituradores, moinhos): O material pode se redistribuir dentro do rotor, atuando como um "desbalanceamento móvel".
• Ressonância: Se a velocidade de operação estiver muito próxima da frequência natural da estrutura, mesmo pequenas variações de velocidade causam grandes mudanças na amplitude e na fase da vibração.
• Efeitos térmicos: À medida que a máquina aquece, a expansão térmica pode causar empenamento do eixo ou alterações de alinhamento.

Seção 3.2: Quando o balanceamento não ajuda: Identificando defeitos de raiz

Sintoma: O procedimento de balanceamento foi realizado, as leituras estão estáveis, mas a vibração final permanece alta.

Usando o analisador de espectro para diagnóstico diferencial:

• Desalinhamento do eixo: Sinal principal: pico de vibração elevado em uma frequência de 2x RPM. Vibração axial elevada é característica.
• Defeitos em rolamentos: Manifesta-se como vibração de alta frequência em frequências características de "rolamento" (BPFO, BPFI, BSF, FTF).
• Arco do eixo: Manifesta-se como um pico elevado a 1x RPM, mas frequentemente acompanhado por um componente perceptível a 2x RPM.
• Problemas elétricos (motores elétricos): A assimetria do campo magnético pode causar vibrações com o dobro da frequência da rede elétrica (100 Hz para uma rede de 50 Hz).

Erros comuns de balanceamento e dicas de prevenção

• Balanceamento de um rotor defeituoso ou sujo: Verifique sempre o estado do mecanismo antes de realizar o balanceamento.
• Peso de teste muito pequeno: Procure seguir a regra de mudança de vibração 20-30%.
• Descumprimento do princípio da constância do regime: Mantenha sempre uma velocidade de rotação estável e idêntica durante todas as medições.
• Erros de fase e marcação: Monitore cuidadosamente a determinação do ângulo. O ângulo de correção do peso é geralmente medido a partir da posição do peso de teste na direção da rotação.
• Fixação incorreta ou perda de pesos: Siga rigorosamente a metodologia - se for necessário remover o peso de teste, remova-o.

Equilibrando os Padrões de Qualidade

Parte IV: Perguntas frequentes e notas de aplicação

Seção 4.1: Perguntas frequentes gerais (FAQ)

Quando usar balanceamento de 1 plano e quando usar balanceamento de 2 planos?
Use balanceamento de 1 plano (estático) para rotores estreitos em forma de disco (relação L/D < 0,25). Use balanceamento dinâmico em dois planos para praticamente todos os outros rotores, especialmente com L/D > 0.25.

O que fazer se o peso de teste causou um aumento perigoso de vibração?
Pare a máquina imediatamente. Isso significa que o peso de teste foi instalado próximo ao ponto de maior peso existente. A solução: gire o peso de teste 180 graus em relação à sua posição original.

Os coeficientes de influência salvos podem ser usados para outra máquina?
Sim, mas apenas se a outra máquina for absolutamente idêntica — mesmo modelo, mesmo rotor, mesma base, mesmos rolamentos. Qualquer alteração na rigidez estrutural invalidará a comparação.

Como contabilizar rasgos de chaveta? (ISO 8821)
A prática padrão é usar uma "meia-chaveta" na ranhura da chaveta do eixo ao balancear sem a peça correspondente. Isso compensa a massa da parte da chaveta que preenche a ranhura no eixo.

Seção 4.2: Guia de balanceamento para tipos específicos de equipamentos

Ventiladores industriais e exaustores de fumaça:

• Problema: Mais suscetível ao desequilíbrio devido ao acúmulo de produto nas lâminas ou ao desgaste abrasivo.
• Procedimento: Limpe sempre bem o impulsor antes de começar o trabalho. Preste atenção às forças aerodinâmicas que podem causar instabilidade.

Bombas:

• Problema: Principal inimigo - cavitação.
• Procedimento: Antes de realizar o balanceamento, assegure-se de que haja margem de cavitação suficiente na entrada (NPSHa). Verifique se a tubulação de sucção não está obstruída.

Trituradores, moedores e trituradores:

• Problema: Desgaste extremo, possibilidade de grandes alterações de desequilíbrio devido à quebra ou desgaste do martelo.
• Procedimento: Verificar a integridade e a fixação dos elementos de trabalho. Pode ser necessário reforçar a ancoragem da estrutura da máquina.

Induzidos para motores elétricos:

• Problema: Pode ter fontes de vibração mecânicas e elétricas.
• Procedimento: Utilize um analisador de espectro para verificar a presença de vibração no dobro da frequência da rede elétrica. Sua ocorrência indica mau funcionamento elétrico, e não desequilíbrio.

Conclusão

O balanceamento dinâmico de rotores em posição, utilizando instrumentos portáteis como o Balanset-1A, é uma ferramenta poderosa para aumentar a confiabilidade e a eficiência da operação de equipamentos industriais. No entanto, o sucesso desse procedimento depende menos do instrumento em si e mais da qualificação do especialista e da capacidade de aplicar uma abordagem sistemática.

Princípios fundamentais:

• A preparação determina o resultado: A limpeza completa do rotor, a verificação do estado dos rolamentos e da base, bem como o diagnóstico preliminar de vibração, são condições obrigatórias para um balanceamento bem-sucedido.
• A conformidade com as normas é a base da qualidade: A aplicação da norma ISO 1940-1 transforma a avaliação subjetiva em um resultado objetivo, mensurável e juridicamente significativo.
• O instrumento não é apenas um balanceador, mas também uma ferramenta de diagnóstico: A incapacidade de manter o equilíbrio ou a instabilidade na leitura são sinais diagnósticos importantes que indicam problemas mais sérios.
• Entender a física dos processos é fundamental para resolver tarefas não padronizadas: O conhecimento das diferenças entre rotores rígidos e flexíveis, e a compreensão da influência da ressonância, permitem que os especialistas tomem decisões corretas.

Seguir as recomendações descritas neste guia permitirá que os técnicos especializados não só lidem com sucesso com tarefas típicas, como também diagnostiquem e resolvam com eficácia problemas complexos e não triviais de vibração em equipamentos rotativos.