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1 Introducción El desbalance es una de las fuerzas que más causan problemas en los rotores y por consecuencia en las máquinas rotativas. Si una máquina no está correctamente balanceada, generalmente presenta altos niveles de vibración, ruido y desgaste que son evidentes. También, existe una reducción en la resistencia a la fatiga de la máquina. Un área que está sumamente relacionada al uso de rotores es el de la Turbo maquinaria (turbinas, compresores, bombas, motores de helicópteros, jets, turbojets, cohetes, etc.). En dicha área, una de las fuentes más comunes de vibraciones es el desbalance en los rotores. Debido a los hechos anteriores, los rotores son balanceados como parte de su proceso de manufactura, antes de que la máquina sea utilizada. Las fuerzas de vibración en el desbalance se deben a que el centro de masa del rotor es excéntrico al eje de rotación, por lo tanto, se generan fuerzas centrífugas que actúan sobre la masa del rotor y que deben ser contenidas por los rodamientos y su carcaza o estructura de soporte. En el caso en que el centro de masa del rotor coincida con el eje de rotación, todavía puede darse el hecho de que se presente un desalineamiento entre el eje de rotación y el principal eje de inercia. Por lo tanto, se debe entender que un balanceo perfecto se presenta cuando las distancias radiales entre el centro de gravedad del rotor (que coincide con uno de los ejes principales de inercia) y el eje de rotación son cero. La tolerancia dimensional es una definición propia de la metrología industrial, que se aplica a la fabricación de piezas en serie. Dada una magnitud significativa y cuantificable propia de un producto industrial (sea alguna de sus dimensiones, resistencia, peso o cualquier otra) , el margen de tolerancia es el intervalo de valores en el que debe encontrarse dicha magnitud para que se acepte como válida, lo que determina la aceptación o el rechazo de los componentes fabricados, según sus valores queden dentro o fuera de ese intervalo. El propósito de los intervalos de tolerancia es el de admitir un margen para las imperfecciones en la manufactura del componente, ya que se considera imposible la precisión absoluta desde el punto de vista técnico, o bien no se recomienda por motivos de eficiencia: es una buena práctica de ingeniería el especificar el mayor valor posible de tolerancia mientras el componente en cuestión mantenga su funcionalidad, dado que cuanto menor sea el margen de tolerancia, la pieza será más difícil de producir y por lo tanto más costosa.

Debemos tener en cuenta que definir el grado de precisión de equilibrado es esencial para que las máquinas funcionen correctamente, sin vibraciones, y con el menor coste posible; esto depende en gran medida del tipo de rotor y si éste es una pieza simple o un conjunto, además influyen las revoluciones de trabajo real y su tamaño y forma; en este mismo capítulo se presentan unas tablas de ejemplos para ayudar a seleccionar los grados de

2 equilibrado que pueden aplicarse a los rotores que necesitemos equilibrar. Debemos tener en cuenta que el no ajustarse "a lo necesario" puede suponer que se quede corto en la calidad y el rotor vibre o bien que se pase de calidad lo cual será beneficioso para el rotor pero habrá tenido un coste muy alto sin ser necesario. Supongamos que debemos montar un rotor con unos rodamientos los cuales, según el fabricante, permiten una excentricidad de 10 micras; está claro que el desequilibrio admisible en el rotor no debe provocar un desplazamiento del eje superior a 10 micras; en este caso debemos entrar en una calidad de equilibrado Q que nos asegure este margen. El grado de calidad se representa mm/s que es la unidad que representa la velocidad de desplazamiento de la excentricidad, del eje del rotor, provocada por el desequilibrio. Este grado de precisión de equilibrado establecido comprende desde el G 0,4 mm/s hasta G 630 mm/s. La tolerancia de equilibrado, en el taller, es un dato que normalmente debe constar en los planos de construcción de cualquier rotor y normalmente se expresa en gramos/cm. o gramos /mm. y éste dato es el que debemos tener en cuenta en el momento de equilibrar. El hecho de balancear idealmente sería mucho más sencillo si la forma del rotor y la flecha no variaran con respecto a su rotación aunque esta fuera a altas velocidades. Bajo algunas condiciones iniciales se puede asumir que un rotor es rígido: (1) bajas velocidades de la flecha, (2) soportes de rodamientos altamente flexibles, comparados con la flecha y (3) rango pequeño de velocidades de operación. Si se asume alguno de estos incisos, entonces se puede justificar el uso de los métodos de balanceo para rotores rígidos. Un rotor rígido se dice que está perfectamente balanceado cuando un eje principal de inercia que pasa por su centro de gravedad (c.g.) coincide con el eje de rotación del rotor. Otra definición utilizada es que un rotor se encuentra perfectamente balanceado cuando el valor medido de las vibraciones sincrónicas en la máquina es reducido a cero.

Un rotor rígido puede ser balanceado mediante la adición de contrapesos o quitando material del rotor en cualquiera dos planos normales al eje de la flecha (mientras más separado mejor porque la masa de los contrapesos será menor). La mayoría de la bibliografía se dedica a tratar sobre la adición de contrapesos debido a que es un método más sencillo de verificar en cuanto a su estimación por medio de métodos teóricos. Éstos métodos son: (1) La adición de estaño (2) adición de rondanas mediante tornillos o remaches, (3) adición de hierro fundido o contrapesos de plomo

3 (4) la adición de contrapesos de soldadura. Por otro lado, los métodos utilizados para balancear rotores quitando material del rotor constituyen una buena opción e incluyen: (1) Taladrado, (2) Fresado (3) Pulido. La función de los contrapesos (o de quitar material) es trasladar el centro de gravedad hasta que este se encuentre sobre el eje de rotación para después lograr que el eje principal de inercia que pasa a través del c.g. coincida con el eje rotación o sea paralelo a él. Fuentes de desbalanceo Las principales fuentes de desbalanceo en los rotores, son ocasionadas por: 1. Falta de simetría (desplazamientos de corazones en la fundición, superficies con acabado superficial pobre) 2. Material no homogéneo (Inclusiones en materiales forjados o rolados, variaciones en la red cristalina causadas por las variaciones de densidad del material) 3. Distorsión a la velocidad de operación 4. Excentricidad 5. Desalineamiento de los rodamientos 6. Desplazamiento de las partes debido a la deformación plástica 7. Desbalance hidráulico o aerodinámico (cavitación o turbulencia) 8. Gradientes térmicos

La alineación es la condición que se presenta cuando dos o más maquinas tienen las líneas centrales de sus ejes coincidentes entre sí, son colineales. Una buena alineación tiene las siguientes ventajas: Aumenta la vida útil de los rodamientos. Reduce el riesgo de la rotura del acople.

4 Reduce en consumo eléctrico. Disminuye las amplitudes de vibración. Aumenta la confiabilidad de la máquina. Disminuye el riesgo de sobrecalentamientos. Aumenta los niveles de producción del equipo. Minimiza las paradas improvistas de la máquina. La desalineación se define como la condición en que los ejes de la maquina conductora y conducida no poseen la misma línea de centros. Siempre va existir una pequeña desalienación, la alineación perfecta no existe, por ende es de suma importancia escoger un acoplamiento que logre absorber dicho defecto con el fin de minimizar los esfuerzos generados. Las causas de una desalineación son: • Defecto asociado al acoplamiento durante su montaje. • Mal mecanizado del acople. • Dilataciones térmicas durante el funcionamiento. • Fuerzas transmitidas debido a las tensiones de las cañerías. • Fundiciones irregulares o en mal estado (Asentamientos) • Bases débiles (pata coja o pie elástico). • Solturas de fijaciones. • Deformaciones Desbalance Ahora bien, una de las principales causas asociada al aumento de las amplitudes de vibración estaría asociado al desbalance, donde el mismo se debe a que el centro de gravedad de un cuerpo giratorio (como por ejemplo; el rotor) no coincide con su centro de rotación

5 Las causas más comunes en un desbalance 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 (Cuñeros). • Tolerancias en los cojinetes o rodamientos. Efectos del Desbalance • 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 desbalance 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 serian: • 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.

6 • 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

7 Ventajas de las tolerancias de desbalance A) B) C) D)

Evita falla por fatiga en estructuras y elementos asociadas al elemento rotatorio incrementa la vida útil el sistema rotatorio y/o maquina Ahorro de energía Prevenir cargas excesivas en rodamientos debido a sobrecargas

Ventajas de las Tolerancias del Desbalance Instrumentos para medir el Desbalance El efecto del desbalance se mide en términos de la amplitud y el ángulo de fase de una variable dinámica. La variable dinámica medida depende, fundamentalmente, de la técnica usada para el balanceo. Las variables medidas y los correspondientes sensores normalmente usados son: A. La fuerza ejercida por el rotor sobre los cojinetes, es medida con celdas de carga o transductores de fuerza en máquinas balanceadoras de soportes rígidos. B. La velocidad o aceleración del movimiento vibratorio de los soportes, se mide con sensores sísmicos (de velocidad) o acelerómetros. C. El desplazamiento de los muñones del rotor con respecto a los cojinetes, se mide con sensores de proximidad para el balanceo en sitio. D. La velocidad o aceleración del movimiento vibratorio de la carcasa de la máquina cerca de los cojinetes, se mide también para el balanceo en sitio, con sensores de velocidad o aceleración. La aplicación de una técnica matemática y de un equipo de medición para reducir al desbalanceo a sus más bajos límites de vibración, muchas veces resulta inapropiado y muy costoso, debido a eso surgen normas que satisfacen los requerimientos para asegurar el buen funcionamiento de estos elementos La vibración se clasifica por dos motivos: El mantenimiento predictivo. Aceptación de maquinaria nueva. Podemos definir que los niveles de vibración permisibles son aquellos valores estadísticos satisfactorios, obtenidos y probados por la experiencia. Para determinar el desbalance en un ,maquina se pueden utilizar tablas de tolerancia las cuales se crean en base a estadísticas existiendo diferentes tablas para diferentes casos. Normas ISO 1940 La norma comúnmente utilizada para evaluar la severidad del desbalance es la ISO 1940. Conclusión Si todos los errores se evitan y el rotor está correctamente balanceado, y luego incorporado en la máquina, aún es posible para el conjunto completo a vibrar en la operación. La calidad de equilibrio alcanzado en la máquina de equilibrio no es necesariamente una medida directa del comportamiento de un rotor en una máquina o,

8 menos aún, para el comportamiento de la vibración de la máquina misma. Equilibrio de rotores se realiza normalmente a temperatura ambiente. En la máquina, sin embargo, el rotor puede ser en muchos casos a una temperatura mucho más alta, que puede conducir a la expansión desigual y tensiones. El comportamiento de la vibración de una máquina completa no sólo está determinada por las partes en rotación, sino también por las masas vibrantes con ellos (la vivienda, la fundación), por la rigidez general, en régimen de suspensión, elementos de rodamientos vibraciones, las fuerzas electromagnéticas, armónicos debido a la anisotropía de los rotores, la turbulencia del aire, la vivienda y la rigidez del rodamiento, la influencia de las máquinas en las inmediaciones, y mucho más.

Podemos definir que los niveles de vibración permisibles son aquellos valores estadísticos satisfactorios, obtenidos y probados por la experiencia.