Herramienta de ingeniería gratuita · #007
Fuerza centrífuga por desbalance
Calcule la fuerza centrífuga generada por el desbalance residual en una pieza rotativa. Ingrese el desbalance y la velocidad para ver los resultados de fuerza al instante.
Resultados
Fuerza centrífuga por desbalance
Cuando un rotor tiene un desbalance residual U (masa × excentricidad), la rotación genera una fuerza centrífuga:
- F — fuerza centrífuga (N)
- U — desbalance en kg·m (= g·mm × 10⁻⁶)
- ω — velocidad angular = 2πn/60 (rad/s)
- n — velocidad de rotación (RPM)
Dependencia de la velocidad
Dado que la fuerza depende de ω², la relación con las RPM es cuadrática:
Duplicar la velocidad cuadruplica la fuerza centrífuga. Por esta razón, los equipos de alta velocidad (turbinas, turbocompresores) requieren tolerancias de balanceo mucho más estrictas.
Carga estática equivalente
La masa estática equivalente es la masa que, colocada en reposo sobre un rodamiento, produciría la misma carga que la fuerza de desbalance rotativa:
Ejemplo práctico
Datos: Desbalance U = 1000 g·mm, Velocidad n = 3000 RPM
ω = 2π × 3000 / 60 = 314.16 rad/s
U (SI) = 1000 × 10⁻⁶ = 0.001 kg·m
F = 0.001 × 314.16² = 98.7 N
Carga estática equivalente: 98.7 / 9.81 = 10.06 kg
Fuerzas típicas por desbalance
| Desbalance (g·mm) | Velocidad (RPM) | Fuerza (N) | Aplicación |
|---|---|---|---|
| 100 | 10 000 | 109.7 | Turbocompresor |
| 1 000 | 3 000 | 98.7 | Motor eléctrico |
| 5 000 | 1 500 | 123.4 | Bomba centrífuga |
| 10 000 | 750 | 61.7 | Ventilador grande |
| 50 000 | 300 | 49.3 | Trituradora |
⚠️ Nota: Este cálculo asume un rotor rígido por debajo de la primera velocidad crítica. Por encima de la primera velocidad crítica, la respuesta dinámica es más compleja y requiere un análisis de dinámica de rotores.
Utilice la fórmula F = U × ω², donde U es el desequilibrio en kg·m y ω es la velocidad angular en rad/s.
Si su desequilibrio está en g·mm, conviértalo a kg·m dividiendo por 10⁶. La velocidad angular es ω = 2π × n / 60, donde n son las RPM.
Ejemplo: 1000 g·mm a 3000 RPM → F = 0.001 × 314.16² ≈ 98.7 N
El desequilibrio se mide en masa × distancia:
- g·mm (gramo-milímetros) — la unidad más común en la industria
- oz·in (onza-pulgadas) — Norteamérica
- kg·m — unidad del SI
1 oz·in = 720 g·mm. Para convertir g·mm a kg·m, divida por 10⁶.
La fuerza centrífuga es F = m × r × ω². Dado que ω es proporcional a las RPM, duplicar la velocidad cuadruplica la fuerza.
Esta es la razón fundamental por la que las máquinas de alta velocidad (turbinas, husillos, turbocompresores) requieren grados de calidad de equilibrado mucho más estrictos que las máquinas lentas.
La fuerza de desequilibrio genera un vector de carga rotativo a 1× RPM. Esto:
- Incrementa la carga dinámica sobre el rodamiento → reduce la vida útil L₁₀ del rodamiento
- Genera vibración a la frecuencia de 1× RPM
- Provoca deflexión del eje y desgaste de los sellos
- Puede excitar resonancias en la estructura de soporte
En los rodamientos de elementos rodantes, la vida útil es inversamente proporcional a la carga³, por lo que incluso un aumento moderado de la fuerza reduce significativamente la vida útil del rodamiento.
La fuerza de desequilibrio es la excitación; la vibración es la respuesta. La amplitud de la vibración depende de:
- Magnitud de la fuerza (procedente del desequilibrio × ω²)
- Rigidez dinámica de la máquina (masa, rigidez, amortiguamiento)
- Proximidad a la resonancia (velocidades críticas)
La relación es: velocidad de vibración ≈ F / (rigidez dinámica). Cerca de la resonancia, la respuesta se ve amplificada por el factor de calidad Q.
Los procedimientos descritos en esta página fueron desarrollados y probados en campo por el equipo de Vibromera utilizando el Balanset-1A, un balanceador portátil de doble canal y analizador de vibraciones para el balanceo de rotores en sitio.
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Nikolai Shelkovenko
Nikolai Shelkovenko es ingeniero en análisis de vibraciones y fundador y director general de Vibromera. Desde hace más de 15 años balancea equipos rotativos en campo y no en un banco de pruebas: desbrozadoras, ventiladores industriales, trituradoras, centrífugas, ejes y husillos. De ese trabajo nacieron los instrumentos Balanset — se concibieron como una herramienta que el especialista puede llevar hasta la máquina y usar solo, en sitio, y no como equipo de laboratorio. Vibromera se fundó en 2017 y desde 2023 tiene su sede en Oporto, Portugal. Aquí se realizan el desarrollo, el ensamblaje y el soporte de la línea Balanset. El instrumento insignia es el Balanset-1A, un analizador portátil para el balanceo en uno y dos planos y para el diagnóstico de vibraciones. Nikolai participa personalmente en la atención al cliente, en la resolución de casos difíciles de balanceo y en el desarrollo del software. Trabaja con clientes de todo el mundo, en cualquier idioma.
