Comprensión del rotor rígido
A rotor rígido es un rotor que no se dobla, flexiona ni cambia de forma de manera significativa bajo la influencia de sus propias desbalance fuerzas a su velocidad de operación de servicio. Para fines de balanceo, un rotor se considera rígido cuando gira a una velocidad cómodamente por debajo de su primera velocidad crítica — convencionalmente menos del 70–75 % de la misma. Dado que su forma permanece constante, el rotor rígido es la clase de rotor más simple y económica de balancear, y la gran mayoría de la maquinaria industrial cotidiana se clasifica en esta categoría.
1. Definición: ¿Qué es un rotor rígido?
El principio definitorio del comportamiento de un rotor rígido es que la la distribución del desbalance a lo largo del rotor no cambia cuando varía la velocidad del rotor. Los puntos pesados permanecen en su lugar. Un estado de balanceo logrado a una velocidad baja y conveniente en una máquina de balanceo por lo tanto, sigue siendo válido y efectivo cuando el rotor se hace funcionar posteriormente a su velocidad de servicio, mucho mayor.
Esta estabilidad proviene directamente de que el rotor se mantiene bien alejado de su primera velocidad crítica. Por debajo de aproximadamente el 70–75 % de esa velocidad, la deflexión causada por fuerza centrífuga es despreciable en comparación con la excentricidad geométrica de la masa en sí, por lo que el rotor se comporta efectivamente como un único cuerpo sólido que gira alrededor de su propio eje. El eje de masa y el eje del árbol están fijos entre sí, independientemente de las RPM.
Las máquinas cotidianas que los ingenieros tratan como rotores rígidos incluyen armaduras de motores eléctricos, ventiladores y sopladores de un solo etapa, impulsores de bombas, volantes de inercia, poleas, ruedas abrasivas y componentes tipo disco. Para estos, un balanceo en dos planos realizado a baja velocidad captura el verdadero estado de desbalance con el que la máquina funcionará.
2. Rotor rígido frente a rotor flexible
La distinción entre un rotor rígido y un rotor flexible es uno de los conceptos más importantes en el balanceo de rotores, porque determina toda la estrategia de balanceo.
Rotor rígido
- Velocidad de operación: bien por debajo de su primera velocidad crítica, típicamente por debajo del 75 %.
- Comportamiento: no se dobla ni flexiona bajo fuerzas centrífugas. Sus características de desbalance son independientes de la velocidad.
- Procedimiento de balanceo: puede balancearse a una única velocidad baja y conveniente. Un balanceo en dos planos es suficiente para corregir cualquier desbalance dinámico, ya sea estático, de par o una combinación de ambos. La norma que rige el balanceo de rotores rígidos es ISO 21940-11 (que reemplazó a la ya conocida ISO 1940-1).
Rotor flexible
- Velocidad de operación: se acerca, atraviesa o opera muy por encima de una o más de sus velocidades críticas.
- Comportamiento: se dobla y flexiona al pasar por una velocidad crítica. Las fuerzas de desbalance hacen que el rotor cambie de forma (se deflecte), y la ubicación aparente del “punto pesado” puede desplazarse con la velocidad porque el rotor adopta una forma curvada forma modal.
- Procedimiento de balanceo: mucho más compleja. Requiere balanceo en múltiples planos (a menudo más de dos planos) y debe realizarse a o cerca de la velocidad de servicio para tener en cuenta la flexión del rotor. Se requieren técnicas modales especializadas y el trabajo está regido por la ISO 21940-12.
3. La importancia del supuesto “rígido”
El supuesto de que un rotor se comporta de manera rígida es lo que hace posible un balanceo práctico, económico y seguro en máquinas de balanceo industrial. Estas máquinas típicamente giran los rotores a velocidades relativamente bajas —unas pocas cientos de RPM— por seguridad, menor potencia de accionamiento y simplicidad mecánica.
Si un rotor es verdaderamente rígido, el desbalance medido a 400 RPM en la máquina de balanceo es exactamente el mismo desbalance que produce vibración a 3600 RPM en el campo. Corregirlo a la velocidad baja resuelve el problema para la velocidad alta. Si el rotor fuera realmente flexible, ese balanceo a baja velocidad sería ineficaz: el rotor se curvaría al acercarse a su velocidad crítica y presentaría un estado de desbalance completamente diferente a su velocidad de servicio —a veces pareciendo bien balanceado cuando está detenido, pero vibrando mal cuando gira. Juzgar erróneamente un rotor flexible como rígido es una causa clásica de una máquina “balanceada” que aún así tiembla.
4. ¿Cuándo se considera rígido un rotor?
La decisión de tratar un rotor como rígido se basa en su geometría y su velocidad de operación:
- Rofores cortos y gruesos: los rotores con un diámetro grande en relación con su longitud —una rueda abrasiva, un freno de disco, un impulsor de bomba de un solo etapa— casi siempre son rígidos.
- Rofores largos y delgados: los rotores que son largos y delgados, como un eje de transmisión o un rotor de compresor multietapa, es mucho más probable que sean flexibles, especialmente cuando giran a alta velocidad.
En última instancia, la prueba definitiva es la relación entre la velocidad de operación y la primera velocidad crítica. Si esa relación es baja, un enfoque de balanceo de rotor rígido es apropiado y tendrá éxito; si es alta, se necesitan métodos de rotor flexible. Por eso, la comprensión de dinámica de rotores y de dónde se sitúa cada velocidad crítica sustenta cada decisión de balanceo.
5. Balanceo y verificación de un rotor rígido en el campo
Muchos rotores rígidos se balancean de manera más conveniente in situ, en sus propios rodamientos, en lugar de ser retirados y montados en una máquina de balanceo. Esto es balanceo en campo, y se adapta exactamente a los ventiladores, bombas y motores que cubre el supuesto de rigidez. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A mide la amplitud de 1× y fase en cada rodamiento, calcula el coeficientes de influencia del rotor a partir de una corrida con peso de prueba, y calcula las masas de corrección para uno o dos planos. Dado que el rotor es rígido, esa única corrección de bajo costo es válida en todo el rango de velocidades, y el instrumento puede luego confirmar que el desbalance residual se encuentra dentro de la clase ISO 21940-11 elegida. Pueden convertir una clase de balanceo y una velocidad de servicio en una tolerancia permisible de g·mm con la Calculadora de Desbalance Residual (ISO 21940-11) antes de comenzar.
