Una de las principales fuentes de vibración en máquinas es el desbalance, lo que se relaciona con la actuación de fuerzas no deseadas. Por lo tanto, los departamentos de confiabilidad y mantención deben ocuparse de identificar la presencia de cualquier desbalance fuera de los rangos admisibles.

El desbalance produce un aumento de las amplitudes de vibración en máquinas rotativas. Esta condición se presenta porque el centro de gravedad de un cuerpo que gira no coincide con su centro de rotación. La Figura 1 muestra un caso de excentricidad, ya que el centro de gravedad y de rotación no coinciden. La presencia de un desbalance en el rotor provocará la aplicación de una fuerza centrífuga, la que es proporcional a la velocidad de giro. Si la fuerza es de magnitud considerable, se puede reducir la vida útil de los rodamientos y/o cojinetes hidrodinámicos, lo que a su vez puede incidir en el aumento adicional de la vibración. Las fuerzas causadas por el desbalance son proporcionales al cuadrado de la velocidad, es decir, las máquinas de alta velocidad deberán ser balanceadas con mayor nivel de precisión, que aquellas de baja velocidad. La siguiente ecuación explica este efecto:

donde F es la fuerza de desbalance, m es la masa no equilibrada, r es la distancia al eje de rotación, y w es la velocidad de rotación. Por ejemplo, cuando dos masas no equilibradas actúan en un cuerpo rotante, aparecen sus respectivas fuerzas perturbadoras, como lo muestra la Figura 2. Entre las causas más comunes en un desbalance, están las siguientes:

• Distorsión mecánica o térmica.

• Cavidades en fundiciones.

• Tolerancias de maquinado que permiten errores de montaje.

• Componentes excéntricos.

• Corrosión y desgaste.

• Adhesión de material de proceso o del ambiente.

• Componentes rotos o curvados.

• Defectos ocasionados en la fundición.

• Mala aplicación de las chavetas y chaveteras.

• Tolerancias en los cojinetes o rodamientos.

• Asimetría del diseño.

• Distorsión en servicio.

Para contrarrestar el desbalance producido por cualquiera de las causas anteriores, se recurre a procedimientos de balanceo dinámico y estático, como medida para disminuir sus efectos perjudiciales.

Figura 2. Rotor de máquina mostrando desbalance
en dos puntos m1 y m2.

El balanceo consiste en ajustar la distribución de la masa de una parte rotante, de manera que las fuerzas debido a efectos centrífugos se reduzcan a niveles admisibles. Como efectos del balanceo, están los siguientes: i) se reduce el consumo de energía en máquinas; ii) se reducen los niveles de vibración; y iii) se incrementa la vida útil de los rodamientos y/o cojinetes. Se aclara que en la realidad es imposible conseguir un balanceo perfecto.

Figura 3. Proceso de balanceo de un cuerpo rotante.

Con el balanceo se corrigen o reducen las fuerzas generadoras de perturbaciones vibratorias. Los esfuerzos sobre el bastidor de un mecanismo, o sobre los soportes, pueden variar de manera significativa durante un ciclo completo de operación y provocar vibraciones que, muchas veces, pueden alcanzar amplitudes peligrosas, es decir, en rangos no admisibles. Y, aunque no lo fueran, las vibraciones someten los cojinetes a cargas repetidas que producen fatiga en distintas partes de la máquina. La Figura 3 muestra la forma de compensar la distribución de las masas, para quedar uniformemente distribuida alrededor de su centro de rotación. Con el procedimiento de balanceo se logra acercar lo más posible el centro de masa al centro de rotación.

Un desbalance permisible o aceptable puede ser determinado por:

• Experiencia o historial sobre máquinas similares.

• En la etapa de diseño por la selección de rodamientos.

• Normas seguidas en la industria (por ejemplo, ISO 1940/1 o VDI 2060).

Caso de estudio

Motor eléctrico de 1025HP balanceado dinámicamente.

Un motor eléctrico de 1025HP, 3.3kV, 2.974RPM presentó problemas de excesiva vibración durante su operación. El motor fue revisado en varias oportunidades por el usuario de forma no exitosa, por lo que el problema persistía. Posteriormente, se realizó un peritaje mecánico más detallado, con lo que llegamos a la conclusión de que el eje del rotor estaba flectado (doblado). Con esta información, la solución planteada fue la fabricación y montaje de un nuevo eje para el rotor. La foto muestra una imagen del motor, detallando el rotor y el eje.

Uno de los requerimientos más importantes y exigentes para que este tipo de trabajo tenga un resultado satisfactorio es realizar un correcto procedimiento de balanceo dinámico en dos planos. El proceso final deberá alcanzar valores de desbalance residual dentro de los niveles exigidos por la normativa. En este caso, el balanceo del rotor se hizo en dos etapas. En la primera, el desbalance residual alcanzó los niveles para el plano 1, y para el plano 2, con el balanceo realizado a una velocidad de 1.230RPM. En este nivel, cumplía con la recomendación de la Norma ISO 1940 Calidad del Grado de Balanceo G2.5, sin embargo, este residuo se magnificará cuando el motor gire a la velocidad nominal, transformándose en 4.350 para el plano 1, y 13.050 para el plano 2 a la velocidad de 2.974RPM. Esto fue verificado cuando en la máquina de balanceo se hizo girar a la velocidad de régimen.

Seguidamente, se hizo un segundo balanceo a una velocidad de 2.974RPM, con un nivel residual de 1.050g·mm y 600g·mm en el plano 1 y plano 2, respectivamente, como resultado final. De esta forma, se cumplía el requerimiento de la normativa, y el proceso de balanceo en dos planos estaría dentro de un rango admisible de funcionamiento, y con ello, el motor podía volver a operar dentro de una condición segura y confiable.