Comprensión de la excentricidad en maquinaria rotatoria
En dinámica del rotor, excentricidad es la desviación radial entre el centro de masa de un rotor (su centro de gravedad) y su centro geométrico —el verdadero centro de su eje—. En un rotor perfectamente equilibrado, esos dos centros coincidirían, pero las imperfecciones de fabricación y la densidad no uniforme del material hacen que casi siempre quede algo de excentricidad. Cuando un rotor excéntrico gira, la masa descentrada genera un fuerza centrífuga, y esa fuerza es la causa principal de desequilibrio vibración. La excentricidad, en otras palabras, es el factor geométrico que subyace a la avería más habitual en la maquinaria.
1. Definición: ¿Qué es la excentricidad?
La excentricidad es una distancia —normalmente de unos pocos micrómetros— que se mide perpendicularmente al eje de rotación y que separa el punto en el que se centra realmente la masa del punto en el que gira el eje. Dado que es una propiedad relacionada con la distribución de la masa y no con el aspecto de la superficie, la verdadera excentricidad de la masa no es visible y no puede medirse con un comparador de cuadrante en un rotor inmóvil. Solo se manifiesta cuando el rotor gira y la masa descentrada comienza a ejercer una fuerza centrífuga hacia fuera una vez por revolución.
2. La relación directa entre la excentricidad y el desequilibrio
La excentricidad y el desequilibrio son dos caras de la misma moneda. El desequilibrio es la medida del efecto de la excentricidad a una velocidad determinada; la excentricidad es la causa física. La magnitud del desequilibrio es directamente proporcional a la masa del rotor y a su excentricidad:
Desequilibrio (U) = Masa (M) × Excentricidad (e)
Este sencillo producto explica por qué la excentricidad es tan importante. La fuerza centrífuga que genera aumenta con la cuadrado de la velocidad de rotación, por lo que incluso unos pocos micrómetros de excentricidad en un rotor pesado y de alta velocidad pueden generar una fuerza enorme, provocando graves vibración and rapid desgaste de los rodamientos. Puedes ver cómo aumenta rápidamente esa fuerza en función de la masa, la excentricidad y la velocidad utilizando un Calculadora de la fuerza centrífuga debida al desequilibrio.
3. Tipos de excentricidad
Es importante distinguir la verdadera excentricidad de las imperfecciones geométricas relacionadas con ella, con las que a menudo se confunde.
Excentricidad de la masa
La verdadera excentricidad definida anteriormente —la desviación entre el centro de masa y el centro geométrico—. Esto es lo que provoca el desequilibrio y constituye el objetivo de todo procedimiento de equilibrado. No se puede medir directamente con un comparador de cuadrante en un rotor parado; solo se manifiesta de forma dinámica, como una fuerza que se ejerce una vez por revolución y cuya dirección (el ángulo del punto de mayor masa) se determina a partir de la fase de la vibración 1×.
Excentricidad geométrica (descentramiento)
Una desviación de la superficie del rotor respecto a un círculo perfecto —una medida del grado de «no redondez» de un eje o un rotor, también denominada batimiento mecánico. Un muñón puede tener una forma ligeramente ovalada, o bien una polea mecanizada de forma descentrada en su eje. A diferencia de la excentricidad de masa, esto puede se mide con un comparador de cuadrante durante un giro lento. No representa directamente un desequilibrio de masa, pero una forma geométrica excéntrica suele contribuir a ello. El concepto distinto, pero estrechamente relacionado, de excentricidad del rotor describe este desplazamiento geométrico en el contexto de los motores y la distancia del entrehierro.
Excentricidad eléctrica
No se trata en absoluto de un defecto físico, sino de un artefacto de medición propio de la medición sin contacto sondas de proximidad. Cuando la superficie del eje presenta variaciones en la permeabilidad magnética o la conductividad eléctrica, la sonda emite una señal errónea que imita una excentricidad geométrica. Este ruido debe caracterizarse y eliminarse —normalmente mediante compensación del cable y la sustracción del desplazamiento por rotación lenta —durante los ensayos de dinámica de rotores—, o se confundirá con el movimiento real del eje.
4. Causas de la excentricidad
La excentricidad de masa llega al rotor por varias vías:
- Tolerancias de fabricación: Ningún proceso de mecanizado, fundición o montaje es perfecto, por lo que los pequeños errores son inevitables.
- Densidad irregular del material: Las inclusiones, los huecos o la porosidad en una pieza fundida o forjada hacen que el material sea heterogéneo y desplazan el centro de masa.
- Diseño asimétrico: Algunos componentes, como los cigüeñales, son intrínsecamente asimétricos.
- Errores de montaje: Una polea o un cojinete que no esté perfectamente centrado en el eje genera una masa excéntrica.
- Distorsión térmica: Un calentamiento o enfriamiento desigual puede deformar un rotor, desplazando temporalmente su centro de masa — un curvatura térmica del eje, que a menudo se describe como un vector térmico, ya que tanto su magnitud como su dirección son importantes.
5. Cómo se aborda la excentricidad
Dado que la excentricidad de la masa es la causa del desequilibrio, esta se corrige mediante equilibrando. Al añadir o retirar pequeñas cantidades de masa, el técnico genera una fuerza centrífuga opuesta que, en la práctica, atrae la línea central de masa del rotor hacia su línea central geométrica, minimizando así la fuerza neta y la vibración resultante. En una máquina montada, esto se lleva a cabo in situ: un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A mide la amplitud y la fase de 1× en los propios cojinetes de la máquina, calcula cuánto peso de corrección añadir y dónde, y comprueba el desequilibrio residual después. Ten en cuenta que el equilibrado anula el efecto de excentricidad; no desplaza la superficie geométrica, por lo que un rotor con un gran descentramiento geométrico (runout) puede estar bien equilibrado y, aun así, rozar o dar una lectura elevada en un sensor de proximidad.
