Cualquier maquinaria rotatoria es propensa a sufrir de fenómenos tales como las vibraciones y el desbalanceo. El balanceo estuvo presente en casi cualquier aspecto de la historia humana. Sin embargo, los primeros esfuerzos para balancear una distribución de masa comenzaron en el desarrollo de embarcaciones. No obstante, es importante refrescar el concepto de vibraciones.
La vibración es un fenómeno oscilatorio periódico presente en la mayoría de los objetos activos. Al decir que es un fenómeno periódico nos referimos a una propiedad llamada periodicidad T. De ahí, tenemos la frecuencia f = 1/T. Naturalmente, los objetos vibratorios giran alrededor de un posición inicial de equilibrio. Por otro lado, debemos tener en cuenta que cualquier equipo funcional es propenso a presentar fallas en su funcionamiento. Haga click aquí para saber más sobre las vibraciones mecánicas y aquí para conocer sobre el análisis de vibraciones.
No obstante, podemos detectar dichas fallas usando herramientas como vibrómetros para estudiar el rendimiento de una máquina, por ejemplo. De esta forma, verificar que no presenta fallas y en caso de haberlas, actuar a tiempo y repararlas. Esto se conoce como mantenimiento predictivo, haga click aquí para conocer más acerca de esta estrategia y sus técnicas.
Desbalanceo mecánico
El desbalanceo mecánico es la fuente de vibración más común en sistemas con elementos rotativos. De aquí, podemos decir que todo rotor mantiene un nivel de desbalanceo residual. Si estos generan vibraciones o no, depende si trabajan dentro de las tolerancias de calidad establecidas en las normas de características y velocidades del rotor.
Causas del desbalance mecánico
Muchos factores pueden causar el desbalanceo mecánico en una máquina rotatoria. No obstante, podemos presentar algunas de las más comunes:
- cambio de los componentes del rotor durante operaciones de mantenimiento,
- depósitos de materia acumulados en la operación de la máquina,
- distorsión del rotor debido a la temperatura,
- desgaste irregular de los materiales.
Tipos de desbalanceo mecánico
Naturalmente, existen 3 tipos de desbalanceo presentes en un sistema dinámico rotatorio. Entonces, podemos clasificarlos como:
1. Desbalanceo estático
Podemos afirmar que el desbalanceo estático es el más simple de todos. El desbalanceo estático ocurre en un rotor uniforme, con una masa m. Primero, representamos al rotor con una flecha. Posteriormente, imaginamos a la masa m montada en la flecha y coincide su eje rotación con su eje de simetría geométrica. Entonces, si la masa m se fija al rotor con una distancia r a partir del eje de rotación el rotor estaría desbalanceado. Podemos definir la fuerza centrifuga como: F = m*r*ω2.
Donde:
- F es la fuerza centrifuga,
- r es el radio desde el centro de rotación,
- ω es la velocidad angular, medida en radianes/segundo.
2. Desbalanceo par
Para este caso, tenemos a un cilindro con dos masas iguales colocadas a distancias iguales pero opuestas del centro de gravedad. Entonces, en este caso, el rotor se encuentra en un equilibrio estático. No obstante, las dos masas provocan un cambio de orientación de los ejes de inercia principales centroidales. En otras palabras, cuando gira, produce fuerzas centrífugas en los rodamientos que estarán en fase opuesta. Asimismo, un rotor puede tener desbalanceo estático y desbalanceo de par de fuerzas al mismo tiempo y esta condición se llama desbalanceo dinámico.
3. Desbalanceo dinámico
En la mayoría de los casos, los desbalances presentes en los rotores es la combinación del desbalanceo estático y el desbalanceo par. Por lo tanto, para corregir el desbalanceo dinámico es necesario realizar mediciones de vibración mientras el motor está funcionando. De esta forma, se logran hacer correcciones en dos planos.
Severidad del desbalanceo mecánico
En la mayoría de los casos, aplicar una técnica matemática y equipos de medición para reducir al desbalanceo resulta inapropiado y muy costoso. Por lo tanto, surgen normas para satisfacer los requerimientos. De esta forma, asegurar el buen funcionamiento de estos elementos, conjugando el compromiso técnico y el económico.
A continuación, presentamos algunas normas para tomar en cuenta antes de seleccionar los criterios de aceptación del desbalanceo residual. Algunas de estas consideraciones son:
- geometría propia del elemento rotatorio,
- velocidad de giro,
- gasa inercial del elemento,
- planos de corrección.
Existen diversas normas para la obtención de límites de error del desbalanceo residual, todas estas aplican de acuerdo a las características indicadas anteriormente.
Medición del desbalanceo mecánico
La magnitud de desbalanceo residual debe ser obtenida midiendo magnitudes como la masa y la amplitud de vibración. Para esto, se precisa de instrumentos como el vibrómetro para medir la vibración del rotor. Como sabemos, los sensores de vibraciones al ser estimulados por una fuerza externa generan una señal eléctrica proporcional a la fuerza excitadora. Luego, la señal es tratada y se envía al instrumento que muestra la señal. Posteriormente, se realizan pruebas en el rotor haciendo mediciones con la vibración y velocidad para obtener la fase de vibración.
Computando estos datos, se puede calcular la magnitud y posición de la masa que debe tener una masa de corrección para balancear el motor. Por tal motivo, es importante asegurar las mediciones, o calibrar los instrumentos, y el montaje correcto de la masa de corrección.
Resumen
El balanceo es un parámetro sumamente importante para cualquier máquina rotatoria. Como vimos, los rotores desbalanceados pueden causar fallas importantes en los equipos industriales. Por tal motivo, debemos tener en cuenta cómo prevenir el fenómeno del desbalanceo usando herramientas como vibrómetros. Así, podemos obtener los datos de frecuencia, fase y velocidad y, posteriormente, saber la magnitud de la masa de corrección de balance.
En resumen, el desbalanceo es un fenómeno que siempre estará presente en nuestros equipos industriales. Afortunadamente, conociendo cómo funciona podemos aplicar esos conocimientos para reducir al máximo las posibilidades de cualquiera de los tres tipos de desbalanceo ya vistos. Además, las herramientas disponibles en la actualidad nos facilitan el trabajo al momento de medir magnitudes físicas como la vibración, velocidad, aceleración, etc. De esta forma, lograremos aumentar la vida útil de nuestros equipos industriales, abaratar los costos de mantenimiento, mano de obra o incluso la adquisición de equipos completamente nuevos. Así, aseguramos mantener la máxima productividad.
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