Definición: ¿Qué es una calificación de calidad de equilibrio?

A Grado de calidad del equilibrio, comúnmente conocido como Grado G, es un sistema de clasificación definido por las normas ISO, en concreto ISO 21940-11:2016, que sustituyó a la antigua norma ISO 1940-1:2003- para especificar el límite aceptable de residuo desequilibrar para un rotor rígido. Proporciona un método normalizado y reconocido internacionalmente para que ingenieros, fabricantes y personal de mantenimiento definan con qué precisión debe equilibrarse un rotor para su aplicación específica.

El número de grado G, como G6.3 o G2.5, representa una velocidad periférica constante del centro de masa del rotor, medida en milímetros por segundo (mm/s). Esta velocidad es el producto del desequilibrio específico (excentricidad) y la velocidad angular del rotor a su velocidad máxima de servicio. Un número G más bajo siempre significa un mayor nivel de precisión y una tolerancia de equilibrado más ajustada.

Las claves de los grados G

La genialidad del sistema de grado G reside en su reconocimiento de que la gravedad de las vibraciones depende no sólo de cuánto desequilibrio exista, sino de la velocidad a la que gire el rotor. Un rotor con 10 g-mm de desequilibrio a 30.000 RPM produce mucha más fuerza de vibración que los mismos 10 g-mm a 1.500 RPM. El grado G captura esta relación en un único número que se aplica independientemente de la velocidad, lo que lo hace universal.

Contexto histórico

El concepto de grado G se originó en Alemania con la directriz VDI 2060 en la década de 1960. Se adoptó internacionalmente como ISO 1940 en 1973, se revisó significativamente en 2003 (ISO 1940-1:2003) y, más recientemente, se actualizó como parte de la serie ISO 21940 en 2016. A pesar de los cambios en el número de la norma, el sistema fundamental de grado G y el método de cálculo se han mantenido constantes durante más de 50 años, lo que la convierte en una de las normas técnicas más estables y ampliamente adoptadas en ingeniería mecánica.

¿Cómo funcionan los grados G? Matemáticas

El grado G no es la tolerancia de equilibrio final en sí, sino el parámetro clave utilizado para calcularla. Comprender la relación matemática entre el grado G, la velocidad del rotor, la masa del rotor y el desequilibrio admisible es esencial para la aplicación práctica.

La relación básica

El grado G representa el producto del desequilibrio específico admisible (excentricidad, epor) y la velocidad angular (ω) del rotor:

Definición fundamental
G = epor × ω
donde epor en mm (o µm ÷ 1000) y ω en rad/s

Puesto que ω = 2π × n / 60 (donde n es RPM), y sustituyendo, podemos derivar las fórmulas prácticas utilizadas diariamente en el trabajo de equilibrado:

Desequilibrio específico admisible (excentricidad)
mipor = (G × 1000 × 60) / (2π × n) = 9549 × G / n
Resultado en µm (micrómetros) - también igual a g-mm/kg
Desequilibrio residual admisible (la tolerancia práctica)
Túpor = epor × M = (9549 × G × M) / n
Túpor en g-mm, M en kg, n en RPM. La constante 9549 ≈ 60000/(2π).

Comprender las variables

Variable Nombre Unidades Descripción
GRAMO Grado de calidad del equilibrio mm/s El nivel de calidad ISO especificado para la aplicación (por ejemplo, 2.5, 6.3)
mipor Desequilibrio específico admisible µm o g-mm/kg Desplazamiento máximo admisible del centro de masa respecto al centro geométrico, por unidad de masa.
Túpor Desequilibrio residual admisible g·mm El valor de tolerancia final: desequilibrio máximo restante tras el equilibrado.
M Masa del rotor kg Masa total del rotor equilibrado
n Velocidad máxima de servicio RPM La velocidad operativa más alta que alcanzará el rotor en servicio
ω Velocidad angular rad/s ω = 2π × n / 60; utilizado en la definición fundamental
Importante: Utilice la máxima velocidad de servicio

Las RPM de la fórmula deben ser la velocidad máxima que alcanzará el rotor en funcionamiento real, no la velocidad de la máquina equilibradora. Un rotor equilibrado en una máquina equilibradora de baja velocidad a 300 RPM pero que funciona a 12.000 RPM debe tener su tolerancia calculada a 12.000 RPM. La máquina equilibradora corrige la tolerancia, pero la tolerancia viene definida por la velocidad de servicio.

La interpretación geométrica

La norma ISO utiliza un gráfico logarítmico con la velocidad del rotor (RPM) en el eje horizontal y el desequilibrio específico admisible (epor en g-mm/kg) en el eje vertical. Cada grado G aparece como una línea recta diagonal en este gráfico logarítmico. Esta elegante visualización muestra que:

  • Para cualquier grado G, la duplicación de la velocidad reduce a la mitad el desequilibrio específico admisible.
  • Las líneas de grado G adyacentes están separadas por un factor de 2,5 (la progresión es: 0,4, 1,0, 2,5, 6,3, 16, 40, 100, 250, 630, 1600, 4000).
  • El espaciado logarítmico significa que cada grado representa aproximadamente el mismo cambio perceptivo en la gravedad de la vibración.

Selección del grado G adecuado para su aplicación

La elección del grado G correcto requiere equilibrar (sin juego de palabras) varios factores: la aplicación prevista del rotor, la velocidad de funcionamiento, la rigidez de la estructura de soporte, el tipo de rodamiento y los niveles de vibración aceptables. La norma ISO proporciona orientación a través de su tabla de aplicaciones, pero se aplican varias consideraciones prácticas:

Factores de decisión

  • Velocidad de funcionamiento: Los rotores de mayor velocidad suelen necesitar grados más ajustados porque la fuerza centrífuga del desequilibrio aumenta con el cuadrado de la velocidad (F = m × e × ω²). Un rotor a 30.000 RPM produce 100 veces más fuerza por el mismo desequilibrio que uno a 3.000 RPM.
  • Tipo de rodamiento: Los rodamientos de elementos rodantes son menos tolerantes al desequilibrio que los rodamientos de película fluida (cojinetes). Las máquinas con rodamientos de elementos rodantes pueden necesitar un grado más de apriete que la recomendación estándar.
  • Rigidez del soporte: Los soportes flexibles (soportes de goma, aislantes de muelle) amplifican menos la transmisión de vibraciones que los soportes rígidos, pero pueden presentar problemas de resonancia. Las máquinas con soportes rígidos son más sensibles al desequilibrio.
  • Requisitos medioambientales: Las aplicaciones que requieren poco ruido (HVAC en hospitales, estudios de grabación) o pocas vibraciones (fabricación de semiconductores, laboratorios ópticos) pueden requerir grados 1-2 niveles más estrictos que los estándar.
  • Expectativas de vida útil de los rodamientos: Si es fundamental prolongar la vida útil de los rodamientos (plataformas marinas, instalaciones remotas), especificar un grado G más ajustado reduce las cargas dinámicas sobre los rodamientos, lo que prolonga directamente su vida útil L10.

Recomendaciones sectoriales

Industria / Aplicación Grado G típico Notas
Generación de energía (turbinas) G 2,5 o más ajustado Las normas API suelen exigir el equivalente a G 1.0
Petróleo y gas (bombas, compresores) G 2.5 API 610/617 especifica 4W/N ≈ G 1.0 para aplicaciones críticas.
HVAC (ventiladores, sopladores) G 6.3 G 2,5 para aplicaciones sensibles al ruido
Máquinas herramienta G 1,0 - G 2,5 Los husillos de rectificado pueden requerir G 0,4
Máquinas de papel/impresión G 2,5 - G 6,3 Depende de la velocidad del rodillo y de la calidad de impresión
Minería/cemento (trituradoras, molinos) G 6.3 - G 16 Entorno duro; puede que no sea posible un mayor rigor
Automoción (cigüeñales) G 16 - G 40 Turismos normalmente G 16; camiones G 25-40
Procesado de alimentos G 6.3 El diseño higiénico puede limitar los métodos de corrección
Carpintería (hojas de sierra, cepilladoras) G 2,5 - G 6,3 Grados superiores de calidad superficial
Motores eléctricos (general) G 2.5 La norma IEC 60034-14 hace referencia a esto para la mayoría de los motores

Ejemplos prácticos de cálculo

Ejemplo 1: Rodete de bomba centrífuga

Dada: Rodete de bomba, masa = 12 kg, velocidad máxima de servicio = 2950 RPM, aplicación: planta de procesos → ISO recomienda G 6.3.

Paso 1 - Calcular el desequilibrio específico:

mipor = 9549 × G / n = 9549 × 6,3 / 2950 = 20,4 µm (o 20,4 g-mm/kg)

Paso 2 - Calcular el desequilibrio total admisible:

Túpor = epor × M = 20.4 × 12 = 244,8 g-mm

Interpretación: El desequilibrio residual después del equilibrado no debe superar 244,8 g-mm. Si se equilibra en un solo plano, ésta es la tolerancia total. Si se equilibra en dos planos, este total debe repartirse entre los dos planos de corrección (normalmente 50/50 para rotores simétricos).

Ejemplo 2: Rotor de ventilador industrial

Dada: Conjunto rotor ventilador, masa = 85 kg, velocidad máxima = 1480 RPM, aplicación: ventilación → G 6.3.

Cálculo:

Túpor = (9549 × 6.3 × 85) / 1480 = 3454 g-mm

mipor = 3454 / 85 = 40,6 µm

Para el equilibrado en dos planos: Túpor por plano ≈ 3454 / 2 = 1727 g-mm por plano

Ejemplo 3: Rotor de turbocompresor (alta velocidad)

Dada: Rotor de turbocompresor, masa = 0,8 kg, velocidad máxima = 90.000 RPM, aplicación: turbo de automoción → G 2,5.

Cálculo:

Túpor = (9549 × 2.5 × 0.8) / 90000 = 0,212 g-mm

mipor = 0.212 / 0.8 = 0,265 µm

Nota: A velocidades extremadamente altas, la tolerancia se vuelve infinitamente pequeña. Esta es la razón por la que el equilibrado de turbocompresores requiere equipos especializados de alta precisión y por la que incluso una contaminación menor (huellas dactilares, polvo) puede llevar el desequilibrio más allá de la tolerancia.

Conversión entre unidades

Conversiones de unidades habituales en los trabajos de equilibrado:

1 g-mm = 1 mg-m = 0,001 kg-mm = 1000 µg-m

1 oz-in = 720 g-mm (sistemas imperiales, aún utilizados en algunas industrias de EE.UU.)

mipor en µm = epor en g-mm/kg (numéricamente idénticos - el desplazamiento del centro de masa es igual al desequilibrio específico)

Equilibrado en dos planos - Reparto de la tolerancia

La fórmula de grado G calcula el total desequilibrio residual admisible para todo el rotor. Para los rotores que requieren equilibrado (dinámico) en dos planos -que son la mayoría de los rotores industriales en los que la relación longitud/diámetro supera aproximadamente 0,5-, esta tolerancia total debe distribuirse entre los dos planos de corrección.

Directrices ISO para el reparto de tolerancias

La norma ISO 21940-11 orienta sobre cómo repartir la tolerancia total entre planos en función de la geometría del rotor:

  • Rotores simétricos (centro de gravedad a medio camino entre los planos): Repartido 50/50 entre los dos planos de corrección.
  • Rotores asimétricos (centro de gravedad más cercano a un plano): Reparto proporcional: el plano más cercano al centro de gravedad recibe una parte mayor de la tolerancia. La norma proporciona fórmulas para este cálculo.
  • Regla general: TúA / UB = LB / LA, donde LA y LB son las distancias del centro de gravedad a los planos A y B respectivamente.
Desequilibrio estático frente a desequilibrio de pareja

Cuando el desequilibrio residual total se divide entre dos planos, el suma vectorial de los dos desequilibrios planos no debe superar Upor. La simple comprobación de cada plano de forma independiente con respecto a la mitad del total puede pasar por alto una situación en la que ambos planos tienen un desequilibrio individual aceptable, pero la combinación (especialmente el desequilibrio de la pareja) supera el límite. Las máquinas equilibradoras modernas suelen comprobar tanto las tolerancias de los planos individuales como el residuo total.

¿Cuándo es suficiente el equilibrado en un solo plano?

El equilibrado en un solo plano (estático) es adecuado cuando:

  • El rotor es un disco fino (relación L/D inferior a 0,5 aproximadamente)
  • La velocidad de funcionamiento es muy inferior a la primera velocidad crítica
  • La aplicación no exige una precisión extrema (G 6.3 o más grueso)
  • Ejemplos: álabes de ventilador, muelas abrasivas, poleas, discos de freno, volantes de inercia

El equilibrado en dos planos es necesario cuando el rotor tiene una longitud axial significativa, cuando se espera un desequilibrio de la pareja (p. ej., tras el ensamblaje a partir de varios componentes) o cuando se necesita una alta precisión.

Errores y conceptos erróneos comunes

1. Uso de la velocidad de equilibrado en lugar de la velocidad de servicio

El error más crítico en los cálculos del grado G. La fórmula de tolerancia requiere el máxima velocidad de servicio - las RPM más altas que alcanza el rotor en funcionamiento real. Las equilibradoras de baja velocidad pueden funcionar a 300-600 RPM, pero la tolerancia debe calcularse a la velocidad de funcionamiento (por ejemplo, 3600 RPM). Si se utiliza la velocidad de equilibrado, la tolerancia será entre 6 y 12 veces inferior.

2. Confundir el grado G con el nivel de vibración

G 2,5 no significa que la máquina vibre a 2,5 mm/s. El grado G describe la velocidad periférica del centro de masa, no la vibración medida en la carcasa de la máquina. La vibración real depende de muchos factores adicionales: rigidez de los rodamientos, estructura de soporte, amortiguación y otras fuentes de vibración. Una máquina equilibrada a G 2,5 puede medir 0,5 mm/s o 5 mm/s en la carcasa en función de estos factores.

3. Exceso de precisión

Especificar G 1,0 cuando basta con G 6,3 es una pérdida de tiempo y dinero. Cada paso más en el grado G duplica aproximadamente el esfuerzo y el coste del equilibrado. El equilibrado de un impulsor de bomba centrífuga equilibrado a G 1,0 en lugar de G 6,3 cuesta mucho más, pero es probable que la bomba no funcione con más suavidad porque predominan otras fuentes de vibración (desalineación, fuerzas hidráulicas, ruido de cojinetes).

4. Ignorar las limitaciones del mundo real

La tolerancia calculada puede ser inferior a la sensibilidad de la equilibradora o a la precisión de corrección alcanzable. Si Upor calcula a 0,5 g-mm pero la máquina equilibradora sólo puede resolver a 1 g-mm, la especificación no puede cumplirse sin un equipo mejor. Compruebe siempre que el equipo de equilibrado disponible pueda alcanzar realmente la tolerancia especificada.

5. No tener en cuenta las tolerancias de ajuste

Un rotor perfectamente equilibrado en una máquina equilibradora puede mostrar desequilibrio cuando se instala debido a las holguras de las chavetas, la excentricidad del acoplamiento, el crecimiento térmico y las tolerancias de montaje. Para aplicaciones críticas, la norma ISO recomienda reservar 20-30% de la tolerancia total para desplazamientos del desequilibrio relacionados con la instalación.

6. Aplicación de las normas de los rotores rígidos a los rotores flexibles

Los grados G de la norma ISO 21940-11 se aplican a rotores rígidos - rotores que funcionan muy por debajo de su primera velocidad crítica. Los rotores que atraviesan o funcionan cerca de velocidades críticas (rotores flexibles) requieren un equilibrado según la norma ISO 21940-12, que utiliza un enfoque fundamentalmente diferente. Aplicar grados G a un rotor flexible puede resultar peligrosamente inadecuado.

¿Por qué son importantes las calificaciones G?

Normalización y comunicación

Los grados G proporcionan un lenguaje universal para la calidad del equilibrado. Un fabricante puede especificar que el impulsor de una bomba debe estar "equilibrado a G 6,3 según ISO 21940-11", y cualquier instalación de equilibrado del mundo entenderá exactamente qué precisión se requiere. De este modo se elimina la ambigüedad, se evitan disputas entre proveedores y clientes y se consigue una calidad uniforme en todas las cadenas de suministro mundiales.

Prevenir el exceso de equilibrio

Equilibrar un rotor con una tolerancia más estricta de lo necesario es caro y requiere mucho tiempo. Cada paso de grado G más ajustado duplica aproximadamente el coste de equilibrado porque requiere más iteraciones de corrección, una capacidad de medición más fina y más tiempo de máquina. Los grados G ayudan a los ingenieros a seleccionar un nivel económico de precisión que sea "suficientemente bueno" para la aplicación sin malgastar recursos en precisiones innecesarias.

Garantizar la fiabilidad y la vida útil de los rodamientos

La selección del grado G correcto garantiza que la máquina funcione con unos niveles de vibración aceptables, reduciendo directamente las cargas dinámicas sobre los rodamientos, las juntas, los acoplamientos y las estructuras de soporte. La relación entre la fuerza de desequilibrio y la vida útil de los rodamientos es espectacular: reducir el desequilibrio en 50% puede multiplicar por 8 la vida útil L10 de los rodamientos (debido a la relación cúbica en los cálculos de la vida útil de los rodamientos). Una calidad de equilibrado adecuada es una de las mejoras de fiabilidad más rentables que existen.

Cumplimiento normativo y contractual

Muchas normas industriales y especificaciones de equipos hacen referencia a los grados ISO G como requisitos obligatorios. Las normas API para equipos de la industria petrolera, las normas IEC para motores eléctricos y las especificaciones militares para equipos de defensa hacen referencia o adoptan el sistema de grados G de ISO. El cumplimiento de estos requisitos suele ser contractualmente vinculante y puede estar sujeto a auditoría o verificación.

Mantenimiento predictivo de referencia

Cuando un rotor se equilibra a un grado G conocido y se documenta el nivel de vibración inicial, las mediciones de vibración posteriores pueden compararse con esta línea de base. Cualquier aumento de la vibración 1× RPM indica inmediatamente que se está produciendo un desequilibrio (por erosión, acumulación, pérdida de piezas o deformación térmica), lo que permite realizar un mantenimiento proactivo antes de que se produzcan daños.

Equipo Vibromera Balanset y G-Grades

En Balanset-1A y Balanset-4 Los dispositivos de equilibrado portátiles admiten la especificación de grado G directamente en su software. Los operarios introducen el grado G, la masa del rotor y la velocidad de funcionamiento deseados, y el dispositivo calcula automáticamente la tolerancia permitida y muestra el estado correcto/incorrecto durante el proceso de equilibrado. De este modo se eliminan los errores de cálculo manual y se garantiza un cumplimiento coherente de las normas ISO.

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