Documento 432260

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
Mc/mc.
INGENIERIA CIVIL MECÁNICA
GUIA DE LABORATORIO
ASIGNATURA
15035-0 TÓPICOS III – SÓLIDOS - VIBRACIONES
NIVEL 12
EXPERIENCIA C237
“Balanceo dinámico de sistemas rotantes”
HORARIO: VIERNES, MÓDULOS V3-V4
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UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
MC/mc..
TITULO:
1.
Balanceo dinámico de sistemas rotantes
OBJETIVO GENERAL
Balancear un sistema rotante formado por un motor eléctrico y un volante.
2.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
a)
Familiarizar al alumno con herramientas de medición de amplitudes y
velocidades de vibración en un sistema rotante.
Capacitar al alumno para identificar si un sistema como el propuesto está o no
desbalanceado.
Describir la magnitud de la fuerza descompensada del sistema a través de toma
de mediciones.
Encontrar la masa compensatoria y su posición tal que se mejore el equilibrio en
rotación del sistema.
b)
c)
d)
3.
BREVE INTRODUCCIÓN TEÓRICA
La medición del movimiento vibratorio de sistemas rotantes es compleja y
requiere de la identificación de las diferentes frecuencias que constituyen el espectro
de vibración del mismo. La magnitud de la amplitud de vibración asociada a la
frecuencia en que se presenta permite identificar las causas principales de vibración de
un sistema. Así, por ejemplo, la respuesta de rotores desbalanceados se presenta a la
misma frecuencia de velocidad de rotación del rotor y es predominantemente en
dirección radial al mismo. Mientras que, si bien la respuesta en vibraciones del
desalineamiento de ejes en sistemas rotantes se presenta para frecuencias iguales a la
de rotación suelen presentar también amplitudes longitudinales significativas.
Las amplitudes admisibles en los sistemas mecánicos se fijan por norma (ISO
Internacionales) y deben ser verificadas al momento de instalación y puesta en marcha
de los equipos. Su medición es, además, un instrumento para el mantenimiento
predictivo y para la determinación de fallas.
Un rotor puede estar desbalanceado (y normalmente lo está) en más de un
plano, condición que se produce cuando el eje principal de inercia de la masa rotante
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no coincide con el eje de rotación ni lo corta. Estas situaciones más desfavorables
requieren del balanceo por planos en más de un plano.
En el presente laboratorio sólo consideraremos el balanceo en un plano y su
aplicación se limita a sistemas conformados por discos rotantes delgados, es decir
para rotores de espesor pequeño comparado con su radio.
El proceso de corrección del desbalanceo inicial producido por una masa m0 es
ejemplificado en la Figura 1. Si bien se desconoce la magnitud y la ubicación de la
masa que produce el desbalanceo, la respuesta X0 puede medirse en magnitud y
dirección. Colocando en el disco una masa de prueba m1 se mide nuevamente la
respuesta del mismo sistema ante las dos cargas actuantes (ya que la m0 no se puede
remover por desconocida), es decir el sistema se ve afectado por la fuerza producida
por ambas masas m0 y m1 (FT) cuya respuesta es XT. Por composición de fuerzas se
obtiene X1 que es la respuesta del sistema si sólo se considerara m1, siendo XT=X0+X1.
Si X1 coincidiera en módulo y dirección con X0 pero actuase en sentido contrario, X1
equilibraría a X0 y el disco estaría balanceado. Con esta premisa se modifica la
posición y el valor de la masa de prueba para obtener la posición de la masa y la
magnitud de la masa de corrección m2. La respuesta X2 deberá estar adelantada
(considerando positivo el sentido antihorario) a X1 en un ángulo  por lo que la posición
de la masa m2 estará adelantada a la posición de la masa m1 en el mismo ángulo. La
magnitud de la masa de corrección se calcula tal que guarde la siguiente proporción
m2 / | X0| = m1 / | X1| siempre que mantenga la misma excentricidad que m1.
Figura 1. Esquema del proceso de balanceo experimental de un disco.
Los valores de X1 y el ángulo quedan determinados por la ley del coseno en
triángulos a partir de las mediciones de X0 y XT y del ángulo comprendido entre ellas,
siendo  la diferencia de los ángulos de fase medidos para X0 y XT, si bien los referidos
ángulos de fase son relativos a la posición del sensor fotoeléctrico dependiendo por lo
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tanto del montaje de la experiencia, la diferencia entre ellos es absoluta. Se tiene
entonces las siguientes expresiones:
|X1|2 = |X0|2+|XT| 2 - 2|X0||XT| cos()
cos()= (|X0|2+|X1|2 – |XT|2)/(2|X0||X1|)
de las que se obtiene X1 y .
La Figura 2. ilustra la disposición de la experiencia y la instrumentación. En ella
se observa el disco rotante a balancear y el sensor fotoeléctrico con el que se mide la
velocidad de rotación del mismo. El sensor electromagnético que permite la medición
de las vibraciones en una dirección no es observable en la foto.
Figura 2. Montaje de la experiencia.
4.
DESCRIPCIÓN DEL MÉTODO A SEGUIR
4.1.
Realizar mediciones de amplitudes, velocidades y los correspondientes ángulos
de fase para la vibración en una dirección en el sistema original (condiciones
iniciales).
Verificar la coherencia de los datos medidos.
Colocar una masa de prueba, realizar nuevamente las mediciones.
Determinar la masa de corrección de acuerdo a los valores de las mediciones
realizadas.
Ubicar la masa de corrección obtenida en el sistema rotante y verificar la
corrección de las vibraciones iniciales a través de mediciones de las variables
que caracterizan el problema.
4.2
4.3
4.4
4.5
4
5.-
VARIABLES A CONTROLAR
5.1.
5.2.
5.3.
5.4
Velocidad de rotación.
Amplitud y ángulo de fase de la vibración (en una dirección).
Velocidad y ángulo de fase de la respuesta vibratoria.
Masa de compensación.
6.-
TEMAS DE INTERROGACIÓN
6.1. Vibraciones forzadas amortiguadas. Cargas excéntricas.
6.2 Interpretación del comportamiento del sistema, amplitudes y fase del movimiento
vibratorio.
7.-
EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR
- motor eléctrico trifásico con volante de inercia.
- Vibraport Schenck y accesorios (censor electromagnético, celda fotoeléctrica,
cables conectores, masas)
- balanza de precisión.
- prensa, destornillador de paleta, varios.
8.
LO QUE SE PIDE EN EL INFORME
8.1.
Describir el proceso de toma de datos para el balanceo el sistema rotante y
resumir el principio de funcionamiento del instrumental utilizado (sensor
fotoeléctrico, sensor electromagnético e instrumento de medición).
Realizar las mediciones y resumir en una Tabla los valores de las mismas para
las distintas condiciones (inicial, masa de prueba y masa de corrección) de
acuerdo a la condición inicial dada al momento de realización del laboratorio.
Desarrollo del cálculo de la masa de corrección.
Diagrama vectorial de las mediciones realizadas.
Un análisis de los resultados, comentarios y conclusiones.
8.2.
8.3.
8.4.
8.5.
5
9.-
BIBLIOGRAFÍA
9.1
“Vibration problems in Engineering”, S. Timoshenko, D.H. Young, W. Weaver,Jr.
John Willey & Sons.
“Teoría de vibraciones – Aplicaciones”, William T. Thompson. Prentice-Hall S.A.
Manual del Instrumento de medición Vibroport Schenck.
Apuntes de cátedra de la asignatura Tópicos III - Sólidos (15035).
9.2
9.3
9.4
Profesor responsable: Marcela Cruchaga
Ayudante:
Pablo Cortés
Colaboradores:
Profesores Pablo Pavlov y Baldomero Westermann.
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