Grado de Calidad de Equilibrio (G-Grade): Definición, finalidad y aplicación
¿Qué es el Grado de Calidad de Equilibrio (G-Grade)?
A Grado de calidad del equilibrio, comúnmente denominada “grado G”, es una clasificación normalizada definida en las normas ISO 1940-1 e ISO 21940-11 que especifica el desequilibrio residual máximo admisible para un rotor. En otras palabras, el grado G indica con qué precisión debe equilibrarse un rotor. No mide directamente los niveles de vibración, sino que define una tolerancia de desequilibrio basada en la masa y la velocidad máxima de funcionamiento del rotor.
El número que sigue a la letra G (por ejemplo, G6.3, G2.5) corresponde a la velocidad máxima de vibración del centro de masa del rotor, expresada en milímetros por segundo (mm/s). Por ejemplo, el grado G6.3 significa que el centro de masa del rotor no debe experimentar vibraciones superiores a 6,3 mm/s a la velocidad máxima de funcionamiento, mientras que el grado G2.5, más estricto, limita esta velocidad a 2,5 mm/s. Cuanto menor es el número G, más estrictos son los requisitos de equilibrado: menor tolerancia al desequilibrio y mayor precisión de equilibrado.
El propósito del sistema de calificación G
El sistema de grado G se desarrolló para establecer una norma universal que definiera lo bien que debe estar equilibrado un rotor. En lugar de afirmaciones vagas como “el rotor debe estar bien equilibrado”, los ingenieros pueden especificar un objetivo preciso y verificable como “equilibrado según G6.3”. Esta norma proporciona un lenguaje común para fabricantes, ingenieros de servicio y clientes, garantizando que los equipos cumplan las normas de fiabilidad y seguridad exigidas. Los principales objetivos del sistema de grado G son:
Limitación de las vibraciones debidas al desequilibrio a niveles aceptables. El desequilibrio provoca fuerzas centrífugas y vibraciones que pueden provocar ruidos, fallos por fatiga y accidentes. Aplicando grados de equilibrado estándar, estas vibraciones pueden controlarse dentro de límites seguros.
Minimizar las cargas dinámicas sobre los rodamientos y prolongar su vida útil. La vibración continua actúa sobre los rodamientos como un martillo, acelerando su desgaste. Al limitar el desequilibrio mediante el grado G requerido, se reducen las fuerzas que actúan sobre los rodamientos, prolongando su vida útil.
Garantizar el funcionamiento seguro del rotor a la velocidad máxima de diseño. Cuanto mayor sea la velocidad de rotación, mayor será el efecto de un desequilibrio, incluso pequeño. Un grado de equilibrio estricto garantiza que el rotor no experimente vibraciones destructivas a su velocidad de funcionamiento. Esto es especialmente importante en máquinas de alta velocidad (turbinas, compresores, etc.), donde un desequilibrio excesivo puede provocar averías.
Proporcionar un criterio de aceptación claro y mensurable. Disponer de una norma de grado G permite verificar durante la fabricación y la reparación si se ha alcanzado el nivel de equilibrado requerido. Si el desequilibrio residual tras el equilibrado no supera el valor permitido para el grado G dado, se considera que el rotor ha superado la inspección. Este enfoque transforma el equilibrado de un arte en una ciencia precisa con criterios verificables.
¿Cómo se determinan los grados de calidad del equilibrio?
Las normas ISO contienen recomendaciones para seleccionar los grados G de cientos de rotores y máquinas típicos. Las tablas de las normas (por ejemplo, ISO 1940-1, ahora sustituida por ISO 21940-11) enumeran los grados G recomendados para diversas categorías de equipos. La selección de un grado específico depende de varios factores:
Tipo de máquina y finalidad. Una turbina de alta velocidad o un husillo de precisión requieren un equilibrado mucho más preciso (menor G) que un mecanismo agrícola de baja velocidad. Los diseñadores tienen en cuenta lo sensible que es un determinado tipo de máquina a las vibraciones y las consecuencias que puede tener un desequilibrio.
Masa y dimensiones del rotor. Los rotores más ligeros suelen ser más sensibles al desequilibrio y pueden tener requisitos más estrictos. La masa del rotor entra directamente en el cálculo del desequilibrio admisible: un rotor más pesado puede “tolerar” un desequilibrio absoluto algo mayor sin aumentar las vibraciones en comparación con uno más ligero.
Velocidad máxima de rotación. Éste es uno de los factores clave: cuanto mayor es la velocidad, más estricto debe ser el equilibrado. Para una misma magnitud de desequilibrio, las fuerzas aumentan proporcionalmente al cuadrado de la velocidad de rotación. Por lo tanto, en los rotores de alta velocidad se selecciona un grado G inferior para compensar el efecto de la velocidad.
Estructura de soporte y condiciones de montaje. Un rotor montado sobre soportes flexibles (elásticos) suele requerir un equilibrado más cuidadoso que uno sobre una base rígida, ya que un sistema flexible amortigua las vibraciones con menor eficacia. Por ejemplo, pueden aplicarse diferentes grados (G16 frente a G40) al mismo cigüeñal en función de si el motor está montado sobre aisladores de vibraciones elásticos o rígidos.
Ejemplos de grados comunes de calidad del saldo
| Grado G | Velocidad máx. Velocidad (mm/s) | Aplicaciones típicas |
|---|---|---|
| G 40 | 40 mm/s | Ruedas y llantas de automóviles; cigüeñales para motores de combustión interna de baja velocidad (bajas revoluciones). |
| G 16 | 16 mm/s | Piezas para trituradoras y maquinaria agrícola; ejes de transmisión (árboles cardán); grandes componentes de máquinas de uso general con requisitos moderados. |
| G 6.3 | 6,3 mm/s | Calidad estándar para la mayoría de los equipos industriales: rotores de motores eléctricos, rodetes de bombas, ventiladores, turbocompresores de baja velocidad, maquinaria de procesos en general. G6.3 es uno de los grados más comúnmente especificados. |
| G 2.5 | 2,5 mm/s | Rotores de alta velocidad y alta precisión: turbinas de gas y vapor, rotores de turbocompresores, accionamientos de máquinas herramienta, husillos de alta precisión y máquinas eléctricas de alta velocidad. |
| G 1.0 | 1,0 mm/s | Equilibrado muy preciso para mecanismos de precisión: accionamientos de rectificadoras, pequeños motores eléctricos de alta velocidad y turbocompresores de automoción. |
| G 0.4 | 0,4 mm/s | Máxima precisión de equilibrado para dispositivos excepcionalmente sensibles y de alta velocidad: giroscopios, husillos de precisión (por ejemplo, para equipos de mecanizado de precisión o microelectrónica), unidades de disco duro y otros componentes que requieren una vibración mínima. |
Nota: El valor de la velocidad en mm/s en la designación del grado corresponde al producto de la excentricidad específica y la velocidad angular: G = epor-ω. Así, el número G indica la velocidad límite del movimiento del centro de masa desplazado durante el funcionamiento del rotor. En la práctica, la selección del grado puede diferir en un nivel hacia arriba o hacia abajo en función de los requisitos específicos y las condiciones de funcionamiento.
Cálculo del desequilibrio residual admisible
Conociendo el grado G requerido, puede calcular el desequilibrio residual máximo permitido, es decir, la cantidad de desequilibrio que puede quedar después del equilibrado sin superar el grado especificado. La norma ISO proporciona la siguiente fórmula:
Túpor (g-mm) = (9549 × G [mm/s] × m [kg]) / n [RPM]
Dónde:
- Túpor - desequilibrio residual admisible en gramos-milímetros (g-mm)
- GRAMO — grado de calidad de la balanza (mm/s)
- m - masa del rotor (kg)
- n - velocidad máxima de funcionamiento (RPM)
Ejemplo: Para un rotor con una masa de 100 kg, girando a una velocidad máxima de 3000 RPM, que debe equilibrarse según el grado G6.3, el desequilibrio residual admisible es:
Túpor = (9549 × 6.3 × 100) / 3000 ≈ 2005 g-mm
Esto significa que se permite un desequilibrio total de aproximadamente 2005 g-mm para este rotor sin superar G6.3. En la práctica, este desequilibrio residual se distribuye entre los planos de corrección. Para el equilibrado (dinámico) en dos planos, el valor Upor se divide entre los planos a partes iguales o proporcionalmente a la configuración del rotor. Así, el técnico de equilibrado recibe un objetivo numérico específico que debe alcanzar.
Equilibrado práctico y equipamiento
Para conseguir el grado de equilibrado requerido en la práctica, se utilizan equipos especializados. En condiciones de fabricación, se suelen emplear máquinas equilibradoras estacionarias, en las que el rotor se hace girar y se corrige hasta que el desequilibrio residual desciende hasta la norma para el grado G seleccionado.
Sin embargo, en condiciones de campo (por ejemplo, cuando se producen vibraciones en un ventilador o una bomba ya instalados), pueden utilizarse instrumentos de equilibrado portátiles. Un ejemplo es el Balanset-1A un equilibrador-vibrómetro portátil de dos canales. Permite el equilibrado dinámico en uno o dos planos directamente en el equipo in situ (in situ, sin desmontar el rotor).
Fig. 1: Vibrómetro-equilibrador portátil Balanset-1A conectado a un ordenador portátil. Este dispositivo compacto incluye un módulo de medición electrónica, dos sensores de vibración y un tacómetro láser, con control y cálculo del desequilibrio realizados mediante software para PC.
Fig. 1: Ventana de cálculo de la tolerancia de equilibrado en el software Balanset. El programa incluye una calculadora integrada que calcula automáticamente el desequilibrio residual admisible según las normas ISO 1940 en función de la masa del rotor, la velocidad de funcionamiento y el grado G seleccionado.
El dispositivo se conecta a un ordenador portátil, mide la vibración y la fase de desequilibrio mediante sensores y un tacómetro óptico, tras lo cual el software calcula automáticamente los pesos de corrección necesarios. Entre las funciones de Balanset-1A se encuentra el cálculo automático del desequilibrio admisible según la norma ISO 1940 (grados G): el propio dispositivo determina hasta qué nivel debe reducirse la vibración para alcanzar, por ejemplo, el grado G6.3 o G2.5.
Los instrumentos de equilibrado modernos, como Balanset-1A, hacen que alcanzar el grado de equilibrado requerido sea más rápido y fiable. Gracias a la terminología estándar de los grados G y a los cálculos de tolerancia incorporados, los ingenieros y técnicos conocen exactamente el criterio para un equilibrado satisfactorio. De este modo, la estandarización de la calidad del equilibrado a través de los grados G ha permitido disponer de un lenguaje común para describir la “suavidad” con la que debe funcionar un rotor específico y alcanzar este nivel de fiabilidad de vibración utilizando métodos comprensibles y verificables en todo el mundo.
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