Dos observaciones sobre la razonabilidad de los requisitos de los clientes para los fabricantes de máquinas de balanceo

Introducción

Durante los últimos año y medio, nuestra empresa ha recibido más de 30 consultas sobre la compra de diversos tipos de máquinas de balanceo. Un análisis de las Especificaciones Técnicas adjuntas a estas consultas revela que la mayoría incluye una serie de características que impactan significativamente los plazos de producción y los costos de las máquinas, y también minimizan la lista de proveedores potenciales. Entre estos, dos requisitos destacan:

• El requisito de garantizar un desbalance residual específico desbalance residual, que no debe exceder 0.1 g*mm/kg (µm).
• El requisito de incluir la máquina de balanceo en el Registro de Instrumentos de Medición.

Analicemos la razonabilidad y viabilidad de implementar estos requisitos desde la perspectiva de un consumidor real.

1. Análisis de los requisitos de precisión para la máquina

Verificaremos la validez de los requisitos de precisión del cliente utilizando una Especificación Técnica para una máquina de balanceo diseñada para balancear rotores de motores eléctricos, unidades turbo y compresores que pesan entre 10 y 1500 kg. La especificación establece una tolerancia para el desbalance residual específico que, según el cliente, no debe exceder 0.1 g*mm/kg.

Para verificar este requisito, nos referimos a la Tabla 1 de ISO 1940-1 “Vibración mecánica – Requisitos de calidad de balanceo para rotores”. Basándonos en las recomendaciones de esta tabla, asumimos que la precisión de balanceo de los rotores de motores eléctricos, unidades turbo y compresores, que la máquina ordenada debe garantizar, debe cumplir con la clase de calidad G2.5 clase. Asumiendo que la frecuencia de rotación operativa esperada del rotor balanceado es, por ejemplo, 200 Hz (lo cual con un amplio margen cubre las frecuencias de rotación de la mayoría de las máquinas conocidas), podemos calcular fácilmente el desbalance residual específico permisible para el balanceo estático (de un solo plano) utilizando la fórmula 5 de la norma: eper = 2500 / (6.28 * 200) = 1.99 g*mm/kg.

Considerando las recomendaciones de la misma norma ISO 1940-1 (hoy sustituida por ISO 21940-11), proporcionado en la sección 7, el valor permisible establecido para un rotor asimétrico de dos apoyos durante el balanceo dinámico debe ser al menos 0.3 * eper, lo que en nuestro caso sería 0.6 g*mm/kg, no 0.1 g*mm/kg como se requiere en la Especificación Técnica inicial. Esta división del desbalance permisible tolerancia de balanceo entre los dos planos de corrección puede verificarse con nuestro Calculadora de Desbalance Residual (ISO 21940-11).

En otras palabras, como muestra nuestro análisis, los requisitos para la precisión de la máquina de balanceo en esta Especificación Técnica (y muchos otros documentos similares) son claramente excesivos. La implementación práctica de estos requisitos excesivos implica al fabricante en la resolución de serias tareas de diseño y tecnología, típicamente surgidas en la producción de máquinas de precisión excepcionalmente alta, lo que sin duda afecta el costo y el tiempo de producción de las máquinas. Además, estos requisitos no siempre son técnicamente viables.

También es importante señalar que la operación efectiva de tales máquinas de alta precisión puede requerir que el cliente potencial cumpla varias condiciones adicionales, como la necesidad de salas termoconstantes y limpias, cimientos antivibratorios, etc., cuyos costos de creación pueden incluso superar los costos asociados con la adquisición de la máquina. En respuesta a la posible objeción del representante del cliente (el autor de la mencionada Especificación Técnica) de que cumplir con este requisito permite lograr un desbalance residual significativamente menor en la máquina, correspondiendo realmente al grado G0.4, se les puede recomendar que se familiaricen con las recomendaciones de GOST 22061-76 “Máquinas y equipos tecnológicos. Sistema de grados de calidad de balanceo. Disposiciones básicas” (una norma nacional cuya contraparte internacional moderna es ISO 21940-11, anteriormente ISO 1940-1), que estaba en vigor antes de la introducción de ISO 1940-1.

La sección 3 de esta norma, preparada por los mejores especialistas en el campo del balanceo de la Unión Soviética, establece razonablemente lo siguiente:

1. Los rotores de productos clasificados bajo el 1er grado de calidad de balanceo (grado G0.4 según ISO 1940-1) deben balancearse en sus propios rodamientos dentro de su propio soporte bajo todas las condiciones de operación utilizando su propio accionamiento.
2. Los rotores de productos clasificados bajo la 2ª clase de calidad de balanceo (clase G1.0) deben balancearse en sus propios rodamientos o dentro de su propio alojamiento, con un accionamiento especial si no hay un accionamiento propio disponible.
3. Los rotores de productos clasificados bajo las clases de calidad de balanceo de la 3ª a la 11ª (clases G2.5 a G4000) pueden balancearse como piezas o unidades de ensamblaje.

La esencia de estas recomendaciones es que esforzarse por lograr clases de calidad de balanceo G0.4 y G1.0 en la máquina de balanceo a menudo es técnicamente y económicamente sin sentido. Después de instalar los rotores en la máquina, la precisión lograda se pierde, y para restaurarla, se requiere un re-balanceo adicional del conjunto del rotor (en sus propios rodamientos y con su propio accionamiento), realizado utilizando equipos portátiles de balanceo de vibración.

Como ejemplo ilustrativo de esta tesis, podemos considerar el balanceo de una rueda abrasiva destinada a su uso en una rectificadora cilíndrica de alta precisión (clase de precisión “C”). Según los requisitos de la Tabla 1 de ISO 1940-1 mencionada anteriormente, la calidad de balanceo de la rueda abrasiva debe cumplir al menos el grado G0.4. Dado que la frecuencia de rotación esperada de la rueda abrasiva durante la operación será de 6000 rpm (100 Hz), utilizando la conocida fórmula 7 de ISO 1940-1, determinamos el desbalance residual específico permisible eper, que será de 0.64 g*mm/kg.

En otras palabras, después del balanceo en la máquina de balanceo, asegurando esta tolerancia, el desplazamiento del centro de masa de la rueda abrasiva con respecto al eje tecnológico (eje del mandril de la máquina de balanceo) no debe exceder 0.64 µm. Dado que la excentricidad de giro radial permisible del husillo de una rectificadora de clase “C” según la norma nacional GOST 11654-90 es de 2 µm, después de montar nuestra rueda abrasiva en ella (reajustando la rueda desde el eje tecnológico al eje de trabajo), el desbalance residual específico puede aumentar significativamente y exceder la tolerancia recomendada por ISO 1940-1 al menos tres veces. En tales y otros casos similares, como se señaló anteriormente, se requiere un balanceo adicional para compensar los errores que surgen durante la etapa de ensamblaje.

Lo anterior nos permite afirmar que en la gran mayoría de los casos, el requisito de precisión para máquinas de balanceo medianas y pesadas puede limitarse a un nivel de desbalance residual específico de 0.5 g*mm/kg o incluso 1.0 g*mm/kg. Implementar esta recomendación en la práctica permite al fabricante reducir significativamente la complejidad y el costo de fabricación de la máquina, mientras que el cliente (siempre que se implemente un proceso tecnológico racional) puede lograr la precisión de balanceo requerida. La principal excepción a esta regla pueden ser pequeñas máquinas de balanceo especializadas utilizadas, por ejemplo, para balancear rotores de giroscopios, turbocompresores automotrices, etc. Las características de diseño de estas máquinas permiten lograr un nivel de desbalance residual específico de 0.1 g*mm/kg o inferior, lo cual es técnicamente justificado y económicamente viable.

2. Sobre la necesidad de incluir las máquinas de balanceo en el Registro de Instrumentos de Medición

En los últimos años, se ha hecho un descubrimiento asombroso en nuestro país que podría confundir a los especialistas “partidos en paz” del ENIMS**, quienes desarrollaron el clasificador de máquinas herramienta de corte de metales. Con la “ligera mano” de alguien, ha aparecido en el mercado de máquinas un tipo completamente nuevo de equipo: “Máquinas de Balanceo de Medición de Vibración”, que deben tener un Certificado del Estándar Estatal Ruso y la marca correspondiente.*)

Y todo estaría bien, pero de repente resultó que los clientes “avanzados” comenzaron a incluir en sus Especificaciones Técnicas un requisito obligatorio para la inclusión de las máquinas de balanceo en el Registro de Instrumentos de Medición. Intentemos comprender cuán justificado legal y técnicamente es este requisito, así como su viabilidad económica.

Para empezar, es útil comprender cómo este requisito se relaciona con las recomendaciones de los documentos normativos existentes. Comencemos con la ISO 8-82 “Máquinas herramienta de corte de metales. Requisitos generales para pruebas de precisión”. Esta norma establece los conceptos básicos y principios de clasificación de máquinas por precisión, requisitos generales para pruebas de precisión y requisitos generales para métodos de verificación de precisión. Es importante señalar que las referencias a procedimientos para evaluar las características cualitativas de las máquinas en esta norma utilizan únicamente el término “verificación” y no se menciona la necesidad de incluir las máquinas en el Registro de Instrumentos de Medición y, en consecuencia, la necesidad de su “calibración”.

El siguiente documento al que prestar atención es ISO 21940-21 (anteriormente ISO 2953) “Vibración mecánica – Balanceo de rotores – Parte 21: Descripción y evaluación de máquinas de balanceo.” Esta norma, que establece requisitos específicos para las características técnicas de las máquinas de balanceo y sus métodos de “verificación”, también carece de requisitos que prevean la necesidad de calibrar las máquinas e incluirlas en el Registro de Instrumentos de Medición. A este respecto, cabe señalar que los requisitos relacionados con la calibración están ausentes en las normas para otros tipos de máquinas herramienta, como las ISO para rectificadoras y máquinas CNC, que también pueden incluir varios sistemas de medición.

Además, no se encuentran requisitos similares en la documentación técnica de todos los modelos conocidos de máquinas de balanceo extranjeras, lo cual, en nuestra opinión, también es un precedente importante. Basándonos en los argumentos presentados anteriormente, se pueden extraer las siguientes conclusiones:

1. Los documentos normativos y técnicos existentes desarrollados para máquinas herramienta y, en particular, para máquinas de balanceo, no incluyen requisitos para su inclusión en el Registro de Instrumentos de Medición y, en consecuencia, la necesidad de su calibración. Como resultado, la inclusión de tales requisitos en las Especificaciones Técnicas durante los procedimientos de contratación competitiva “de hecho” aumenta significativamente los costos de producción de las máquinas y los gastos para su operación posterior y, como nos parece, “de jure” viola los derechos de los fabricantes de máquinas de buena fe que siguen la letra y el espíritu de los documentos normativos existentes.
2. Las pruebas de rutina del sistema de medición pueden y deben realizarse como parte de la máquina de balanceo de acuerdo con los requisitos y recomendaciones de ISO 21940-21 (anteriormente ISO 2953), que prevén el uso de un rotor de referencia, un conjunto de pesos de prueba y balanzas calibradas durante las verificaciones. Estas pruebas deben incluir necesariamente los siguientes tipos de verificaciones:
   • Verificación del desbalance residual mínimamente alcanzable (Umar);
   • Verificación del coeficiente de reducción de desbalance (URR);
   • Verificación del funcionamiento del circuito de balanceo condicional (con el procedimiento de rotación del rotor de 180°).

Es importante señalar que estas verificaciones se realizan sin desmontar el sistema de medición de la máquina y no requieren el uso de un banco de vibración de calibración, lo que elimina la necesidad de involucrar a especialistas de organizaciones externas y reduce significativamente la intensidad laboral y el costo del trabajo. Además de las verificaciones principales mencionadas anteriormente, si es necesario, se pueden verificar otros parámetros importantes del sistema de medición directamente en la máquina (utilizando el mencionado rotor de referencia, un conjunto de pesos de prueba y balanzas calibradas), incluyendo:

• Repetibilidad de las lecturas de amplitud y fase de la señal de vibración de una medición a otra;
• Linealidad de las lecturas del sistema de medición por amplitud de la señal de vibración;
• Capacidad de resolución del sistema de medición (nivel mínimo de desbalance registrado de manera constante por el sistema de medición), etc.

Conclusión

El autor espera que tanto los clientes como los fabricantes de máquinas de balanceo comprendan los argumentos y recomendaciones establecidos en este trabajo, cuyo objetivo principal es minimizar los costos de producción para ambas partes mientras se garantiza la calidad adecuada de las operaciones de balanceo.

*Nota: Si esta tendencia continúa desarrollándose, no está descartado que pronto sepamos sobre la creación de Rectificadoras de Medición de Vibración, Prensas de Medición de Vibración e incluso Laminadoras de Medición de Vibración. Después de todo, comparten con las máquinas de balanceo el posible uso de equipos especializados de medición de vibración.

ENIMS significa “Instituto de Investigación Experimental de Máquinas Herramienta de Corte de Metales” (Экспериментально-исследовательский институт металлорежущих станков). Este fue un instituto de investigación en la Unión Soviética dedicado al desarrollo y mejora de diversos tipos de máquinas y equipos de corte de metales. El instituto desempeñó un papel significativo en el avance de la industria de la construcción de máquinas y la estandarización de equipos de mecanizado de metales mediante el desarrollo de documentos normativos y estándares, como clasificadores para máquinas herramienta y métodos para sus pruebas de precisión.

V.D. Feldman, Especialista Principal de LLC “Kinematics,” 2024