¿Cómo afecta el desbalanceo en la confiabilidad de una máquina rotante?

Hoy en día la gran parte de los departamentos de confiabilidad o de mantenimiento se preocupan o no, en el momento en que identifican la presencia de un desbalanceo fuera del rango admisible de funcionamiento. Por lo que, la incógnita que nos debemos plantear es el hecho del POR QUE DEBEMOS PRESTAR ATENCIÓN A LA PRESENCIA DE UN DESBALANCEO EN UNA MAQUINA ROTANTE.

Un análisis estadístico de las ocurrencias de los distintos problemas asociados a las maquinarias rotativas nos indica que aproximadamente:

  • El 40% de los problemas se debe a desbalanceo.
  • El 30% de los fallas es debido a la desalineación en máquinas acopladas.
  • El 30% de los problemas es debido a problemas de correas y poleas en máquinas a polea.
  • El 20% de los inconvenientes es debido a los rodamientos.
  • El 10% de los problemas estaría relacionado a las resonancias.
  • El 10% de las fallas se debería a otras causas como: cavitación, remolino de aceite, huelgos o juegos mecánicos, turbulencias en cañerías, etc.

Una de las causas más comunes asociada al aumento de las amplitudes de vibración estaría asociada al desbalanceo, lo que significa que el centro de gravedad de un cuerpo giratorio (como por ejemplo; el rotor) no coincide con su centro de rotación.

Figura 1
Figura 1

Las causas más comunes en un desbalanceo son:

  • Distorsión mecánica o térmica (dilataciones no simétricas).
  • Cavidades en fundiciones.
  • Tolerancias de maquinado que permiten errores de montaje.
  • Componentes excéntricos.
  • Corrosión y desgaste (desgaste no simétrico del material).
  • Adhesión de material de proceso o del ambiente.
  • Componentes rotos o curvados.
  • Defectos ocasionados en la fundición.
  • Mala Aplicación de las chavetas y chaveteros.
  • Tolerancias en los cojinetes o rodamientos.

¿Qué significa Balancear?

Primeramente debemos aclarar que en la realidad es imposible conseguir un balanceo perfecto.

Figura 2
Figura 2

Es el arte de compensar o ajustar la distribución de las masas, para que este uniformemente distribuida alrededor de su centro geométrico o de rotación, por lo que con el procedimiento de balanceo lograremos acercar lo mas que se puede el centro de masa al centro de rotación.

Figura 3
Figura 3
Figura 4
Figura 4

El por qué se debe balancear estaría íntimamente ligado al hecho de reducir las fuerzas centrifugas presentes en las partes rotativas, debido al efecto producido por la descompensación de las masas producidas por errores en la fabricación o en el mecanizado de las partes rotativas que generan fuerzas o momentos que serían las fuentes generadoras de fuerzas excitatrices o de perturbación, con lo cual aumentarían las amplitudes de vibraciones. La fuerza de desbalanceo (Fuerza Centrífuga) que genera la vibración se puede expresar como:

Ecuación 1
Ecuación 1

Efectos del Desbalanceo en la Producción

  • Disminuye la expectativa de vida de una máquina, la integridad estructural y la vida de los rodamientos.
  • Disminuye tiempo entre fallas.
  • Disminuye la calidad de producción.
  • Afecta la calidad del ambiente de trabajo.

Unos de los principales razones por las cuales se debe balancear, es debido a que reduce el consumo de energía en las máquinas, reduce los niveles de vibración e incrementa la vida útil de los rodamientos a veces de manera importante.

Vibraciones ocasionadas por el desbalanceo

Ecuación 2
Ecuación 2

No existe una relación fácil entre el desbalanceo del rotor y las vibraciones en la máquina. La respuesta al desbalanceo depende esencialmente de la velocidad, de las proporciones geométricas, de la distribución de masa del rotor, de la rigidez dinámica del eje, del tipo de rodamientos o cojinetes y de la fundición. La rigidez de la máquina es desconocida incluso por los fabricantes y dueños en la mayoría de los casos. La combinación de todos estos factores da como resultado complicadas ecuaciones. En otras palabras mientras que la cantidad de desbalanceo sea constante la vibración por desbalanceo para un rotor en particular tendrá diferentes valores dependiendo de la velocidad de operación, del tipo de rodamientos, de la fundición, etc.

Las principales características serían:

  • A medida que el rotor gira, se produce vibración debido a que existen fuerzas desiguales. La vibración va a tener las mismas características de la fuerza que la causa.
  • La vibración dominante ocurre a la velocidad de rotación del rotor.
  • La vibración será mayor en la dirección radial.
  • La amplitud y el ángulo de fase de la vibración son estables y repetibles.

Identificación y Confirmación del Desbalanceo

Espectro de Vibración

  • Una amplitud significativa del 1X de la frecuencia de giro con muy poco contenido de armónicos y sin ningún otro pico significativo de vibración.
  • La amplitud del 1X en horizontal y vertical no son muy diferentes (menor de 3:1) excepto que exista una rigidez asimétrica en la estructura.
  • El nivel de vibración axial del 1X debe ser significativamente menor que el nivel radial.

Señal temporal o Forma de Onda en el tiempo

  • Muy sinusoidal y forma de onda simétrica por cada revolución del eje. Sin presencia de cortes y discontinuidades.
  • La presencia de modulación de amplitud indica la existencia de dos frecuencias muy cercanas.

Análisis de Fase (1X de la frecuencia de giro)

  • La diferencia de fase vertical – horizontal en el mismo plano debe ser de 90º (±30º).
  • La relación entre las lecturas de fase verticales y horizontales debe ser aproximadamente la misma (±30º). Siendo 0º en caso de un desbalanceo estático y 180º en caso de una cupla de desbalanceo.
  • Lecturas de fase relativamente estables con una variación de 15º-20º.

Tipos de Desbalanceo en los rotores

Figura 5
Figura 5

Tolerancias en un Desbalanceo

El término desbalanceo se refiere a dos cantidades. La primera el límite aceptable de un rotor y es usualmente llamado desbalanceo permisible o aceptable. El segundo es el desbalanceo existente o residual en un rotor.

Figura 6
Figura 6

El desbalanceo permisible o aceptable puede ser determinado por:

  • Experiencia o historial sobre maquinas similares.
  • En la etapa de diseño la selección de rodamientos.
  • Normas seguidas en la industria como la ISO 1940/1 o VDI 2060.
Figura 7
Figura 7

Caso Real “Desbalanceo de un rotor de un motor vertical”

Motor Marca: WEG ; Potencia: 200 Hp; Velocidad: 2964 RPM

Espectro en Velocidad – Lado Opuesto Acople

Figura 8
Figura 8

Espectro en Velocidad – Lado Acople

Figura 9
Figura 9

En los espectros de velocidad, se observa el predominio del 1X de la frecuencia de giro debido a la presencia de una desbalanceo en el rotor.

Como conclusión, se debe resaltar el hecho de que cuando un motor eléctrico se encuentra con un desbalanceo no admisible de funcionamiento, se deben tomar los recaudos necesarios para minimizar los esfuerzos que genera la presencia de dicha fuerza excitatriz, con el único objetivo que es el de aumentar la confiabilidad de la máquina en funcionamiento.

Autor: Martín Lémoli
Analista de Vibraciones Categoría 3
Correos: mlemoli@hotmail.com / mlemoli@yahoo.com

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