Parte I: Fundamentos teóricos y regulatorios del equilibrio dinámico

El balanceo dinámico en campo es una de las operaciones clave en la tecnología de ajuste de vibraciones, cuyo objetivo es prolongar la vida útil de los equipos industriales y prevenir situaciones de emergencia. El uso de instrumentos portátiles como el Balanset-1A permite realizar estas operaciones directamente en la planta de operación, minimizando el tiempo de inactividad y los costos asociados al desmontaje. Sin embargo, un balanceo exitoso requiere no solo la capacidad de trabajar con el instrumento, sino también un profundo conocimiento de los procesos físicos que subyacen a la vibración, así como del marco regulatorio que rige la calidad del trabajo.

El principio de la metodología se basa en la instalación de pesas de prueba y el cálculo de los coeficientes de influencia del desequilibrio. En resumen, el instrumento mide la vibración (amplitud y fase) de un rotor giratorio, tras lo cual el usuario añade secuencialmente pequeñas pesas de prueba en planos específicos para calibrar la influencia de la masa adicional en la vibración. Con base en los cambios en la amplitud y la fase de la vibración, el instrumento calcula automáticamente la masa y el ángulo de instalación necesarios de las pesas correctivas para eliminar el desequilibrio.

Este enfoque implementa el llamado método de tres corridas Para el equilibrado en dos planos: medición inicial y dos pasadas con pesas de prueba (una en cada plano). Para el equilibrado en un solo plano, dos pasadas suelen ser suficientes: sin pesa y con una pesa de prueba. En los instrumentos modernos, todos los cálculos necesarios se realizan automáticamente, lo que simplifica considerablemente el proceso y reduce los requisitos de cualificación del operador.

Sección 1.1: Física del desequilibrio: análisis en profundidad

La causa principal de cualquier vibración en equipos rotativos es el desequilibrio. El desequilibrio es una condición en la que la masa del rotor se distribuye de forma desigual respecto a su eje de rotación. Esta distribución desigual provoca la aparición de fuerzas centrífugas, que a su vez causan vibración en los soportes y en toda la estructura de la máquina. Las consecuencias de un desequilibrio no abordado pueden ser catastróficas: desde el desgaste prematuro y la destrucción de los rodamientos hasta daños en la cimentación y la propia máquina. Para un diagnóstico y una eliminación eficaces del desequilibrio, es necesario distinguir claramente sus tipos.

Tipos de desequilibrio

Desequilibrio estático (monoplano): Este tipo de desequilibrio se caracteriza por el desplazamiento del centro de masas del rotor paralelo al eje de rotación. En estado estático, un rotor de este tipo, instalado sobre prismas horizontales, siempre girará con el lado pesado hacia abajo. El desequilibrio estático predomina en rotores delgados con forma de disco, donde la relación longitud-diámetro (L/D) es inferior a 0,25, por ejemplo, en muelas abrasivas o impulsores de ventiladores estrechos. El desequilibrio estático se elimina instalando un peso correctivo en un plano de corrección, diametralmente opuesto al punto pesado.

Desequilibrio de pareja (momento): Este tipo se produce cuando el eje principal de inercia del rotor interseca el eje de rotación en el centro de masas, pero no es paralelo a él. El desequilibrio de par puede representarse como dos masas desequilibradas de igual magnitud, pero con direcciones opuestas, ubicadas en planos diferentes. En estado estático, dicho rotor está en equilibrio, y el desequilibrio solo se manifiesta durante la rotación en forma de balanceo o bamboleo. Para compensarlo, se requiere la instalación de al menos dos pesos correctivos en dos planos diferentes, lo que crea un momento compensador.

Desequilibrio dinámico: Este es el tipo de desequilibrio más común en condiciones reales, y representa una combinación de desequilibrios estáticos y de par. En este caso, el eje central principal de inercia del rotor no coincide con el eje de rotación ni lo interseca en el centro de masas. Para eliminar el desequilibrio dinámico, es necesaria la corrección de masas en al menos dos planos. Los instrumentos de dos canales, como el Balanset-1A, están diseñados específicamente para resolver este problema.

Desequilibrio cuasiestático: Este es un caso especial de desequilibrio dinámico donde el eje principal de inercia interseca el eje de rotación, pero no en el centro de masas del rotor. Esta distinción, sutil pero importante, es fundamental para el diagnóstico de sistemas de rotores complejos.

Rotores rígidos y flexibles: distinción crítica

Uno de los conceptos fundamentales del balanceo es la distinción entre rotores rígidos y flexibles. Esta distinción determina la posibilidad y la metodología para un balanceo exitoso.

Rotor rígido: Un rotor se considera rígido si su frecuencia de rotación operativa es significativamente inferior a su primera frecuencia crítica y no sufre deformaciones elásticas significativas (desviaciones) bajo la acción de fuerzas centrífugas. El balanceo de un rotor de este tipo suele realizarse con éxito en dos planos de corrección. Los instrumentos Balanset-1A están diseñados principalmente para trabajar con rotores rígidos.

Rotor flexible: Un rotor se considera flexible si opera a una frecuencia de rotación cercana a una de sus frecuencias críticas o superior a ella. En este caso, la deflexión elástica del eje es comparable al desplazamiento del centro de masas y contribuye significativamente a la vibración general.

Antes de comenzar a trabajar, es fundamental clasificar el rotor correlacionando su velocidad de operación con las frecuencias críticas conocidas (o calculadas). Si no es posible evitar la resonancia, se recomienda modificar temporalmente las condiciones de montaje de la unidad durante el balanceo para corregirla.

Sección 1.2: Marco regulatorio: Normas ISO

Las normas en el campo del equilibrado cumplen varias funciones clave: establecen una terminología técnica unificada, definen requisitos de calidad y, lo que es más importante, sirven como base para un compromiso entre la necesidad técnica y la viabilidad económica.

ISO 1940-1-2007 (ISO 1940-1): Requisitos de calidad para el equilibrado de rotores rígidos

Esta norma es el documento fundamental para determinar el desequilibrio residual admisible. Introduce el concepto de grado de calidad de equilibrado (G), que depende del tipo de máquina y su frecuencia de rotación.

Grado de calidad G: Cada tipo de equipo corresponde a un grado de calidad específico que se mantiene constante independientemente de la velocidad de rotación. Por ejemplo, el grado G6.3 se recomienda para trituradoras y el G2.5 para armaduras de motores eléctricos y turbinas.

Cálculo del desequilibrio residual admisible (U_por): La norma permite calcular un valor de desequilibrio admisible específico que sirve como indicador objetivo durante el equilibrado. El cálculo se realiza en dos etapas:

1. Determinación del desequilibrio específico admisible (e_por) utilizando la fórmula:
   e por = (G × 9549) / n
   Donde G es el grado de calidad del equilibrado (p. ej., 2,5), n es la frecuencia de rotación de operación (rpm). La unidad de medida para e_por es g·mm/kg o μm.
2. Determinación del desequilibrio residual admisible (U_por) para todo el rotor:
   U por = e por × M
   donde M es la masa del rotor, en kg. La unidad de medida para U_por es g·mm.

ISO 20806-2007 (ISO 20806): Equilibrio en el lugar

Esta norma regula directamente el proceso de equilibrado de campo.

Ventajas: La principal ventaja del balanceo in situ es que el rotor se equilibra en condiciones reales de funcionamiento, sobre sus soportes y bajo carga operativa. Esto tiene en cuenta automáticamente las propiedades dinámicas del sistema de soporte y la influencia de los componentes conectados al tren de ejes.

Desventajas y limitaciones:

• Acceso limitado: A menudo, el acceso a los planos de corrección en una máquina ensamblada es difícil, lo que limita las posibilidades de instalación de peso.
• Necesidad de realizar pruebas: El proceso de equilibrado requiere varios ciclos de "arranque y parada" de la máquina.
• Dificultad con desequilibrio severo: En casos de desequilibrio inicial muy grande, las limitaciones en la selección del plano y la masa del peso correctivo pueden no permitir lograr la calidad de equilibrado requerida.

Parte II: Guía práctica para el equilibrado con instrumentos Balanset-1A

El éxito del balanceo del 80% depende de la minuciosidad del trabajo preparatorio. La mayoría de los fallos no se deben a un mal funcionamiento del instrumento, sino a la omisión de factores que afectan la repetibilidad de la medición. El principio fundamental de la preparación consiste en excluir cualquier otra posible fuente de vibración para que el instrumento mida únicamente el efecto del desequilibrio.

Sección 2.1: Base del éxito: Diagnóstico previo al balanceo y preparación de la máquina

Paso 1: Diagnóstico de vibración primaria (¿Es realmente un desequilibrio?)

Antes de equilibrar, conviene realizar una medición preliminar de la vibración en modo vibrómetro. El software Balanset-1A cuenta con un modo "Vibrador" (botón F5) que permite medir la vibración general y, por separado, la del componente a una frecuencia de rotación (1×) antes de instalar las pesas.

Signo clásico de desequilibrio: El espectro de vibración debe estar dominado por un pico a la frecuencia de rotación del rotor (pico a 1x RPM). La amplitud de este componente en las direcciones horizontal y vertical debe ser comparable, y las amplitudes de otros armónicos deben ser significativamente menores.

Signos de otros defectos: Si el espectro contiene picos significativos en otras frecuencias (por ejemplo, 2x, 3x RPM) o en frecuencias no múltiples, esto indica la presencia de otros problemas que deben eliminarse antes del equilibrio.

Paso 2: Inspección mecánica integral (lista de verificación)

• Rotor: Limpie a fondo todas las superficies del rotor para eliminar suciedad, óxido y producto adherido. Incluso una pequeña cantidad de suciedad en un radio amplio puede causar un desequilibrio significativo. Compruebe que no haya elementos rotos o faltantes.
• Aspectos: Revise los conjuntos de rodamientos para detectar holgura excesiva, ruidos extraños y sobrecalentamiento. Los rodamientos desgastados impiden obtener lecturas estables.
• Fundación y estructura: Asegúrese de que la unidad esté instalada sobre una base sólida. Compruebe el apriete de los pernos de anclaje y la ausencia de grietas en el marco.
• Conducir: Para transmisiones por correa, revise la tensión y el estado de la correa. Para conexiones de acoplamiento, revise la alineación de ejes.
• Seguridad: Asegúrese de la presencia y el funcionamiento de todos los dispositivos de protección.

Sección 2.2: Configuración y configuración del instrumento

Instalación de hardware

Sensores de vibración (acelerómetros):

• Conecte los cables del sensor a los conectores del instrumento correspondientes (por ejemplo, X1 y X2 para Balanset-1A).
• Instale sensores en las carcasas de los cojinetes lo más cerca posible del rotor.
• Práctica clave: Para obtener la máxima señal, los sensores deben instalarse en la dirección donde la vibración es máxima. Utilice una base magnética potente o un soporte roscado para asegurar un contacto firme.

Sensor de fase (tacómetro láser):

• Conecte el sensor a la entrada especial (X3 para Balanset-1A).
• Coloque un pequeño trozo de cinta reflectante en el eje u otra parte giratoria del rotor.
• Instale el tacómetro de manera que el rayo láser incida de manera estable sobre la marca durante toda la revolución.

Configuración del software (Balanset-1A)

• Inicie el software (como administrador) y conecte el módulo de interfaz USB.
• Vaya al módulo de balanceo. Cree un nuevo registro para la unidad que se va a balancear.
• Seleccione el tipo de equilibrio: 1 plano (estático) para rotores estrechos o 2 planos (dinámico) para la mayoría de los demás casos.
• Definir planos de corrección: elegir lugares en el rotor donde se puedan instalar pesos correctivos de forma segura.

Sección 2.3: Procedimiento de equilibrado: guía paso a paso

Ejecución 0: Medición inicial

• Arranque la máquina y estabilice su velocidad de funcionamiento. Es fundamental que la velocidad de rotación sea la misma en todos los ciclos posteriores.
• En el programa, inicie la medición. El instrumento registrará los valores iniciales de amplitud y fase de la vibración.

Ejecución 1: Peso de prueba en el plano 1

• Detener la máquina.
• Selección del peso de prueba: La masa del peso de prueba debe ser suficiente para provocar un cambio notable en los parámetros de vibración (cambio de amplitud de al menos 20-30% O cambio de fase de al menos 20-30 grados).
• Instalación de peso de prueba: Fije de forma segura el peso de prueba pesado en un radio conocido en el plano 1. Registre la posición angular.
• Arranque la máquina a la misma velocidad estable.
• Realizar la segunda medición.
• Parar la máquina y RETIRE el peso de prueba.

Ejecución 2: Peso de prueba en el plano 2 (para equilibrio en 2 planos)

• Repita exactamente el procedimiento del paso 2, pero instale el peso de prueba en el plano 2.
• Iniciar, medir, detener y RETIRE el peso de prueba.

Cálculo e instalación de pesas correctoras

• Basándose en los cambios vectoriales registrados durante las pruebas, el programa calculará automáticamente la masa y el ángulo de instalación del peso correctivo para cada avión.
• El ángulo de instalación generalmente se mide desde la ubicación del peso de prueba en la dirección de rotación del rotor.
• Fije firmemente las pesas correctoras permanentes. Al soldar, recuerde que la soldadura en sí también tiene masa.

Ejecución 3: Medición de verificación y equilibrado fino

• Vuelva a poner en marcha la máquina.
• Realizar una medición de control para evaluar el nivel de vibración residual.
• Compare el valor obtenido con la tolerancia calculada según ISO 1940-1.
• Si la vibración aún excede la tolerancia, el instrumento calculará una pequeña corrección "fina" (recorte).
• Una vez finalizado, guarde el informe y los coeficientes de influencia para un posible uso futuro.

Parte III: Resolución avanzada de problemas y solución de problemas

Esta sección está dedicada a los aspectos más complejos del equilibrio de campo: situaciones en las que el procedimiento estándar no produce resultados.

Sección 3.1: Diagnóstico y superación de la inestabilidad de la medición

Síntoma: Durante mediciones repetidas en condiciones idénticas, las lecturas de amplitud y/o fase cambian significativamente ("flotación", "salto"). Esto imposibilita el cálculo de la corrección.

Causa principal: El instrumento no presenta fallas. Informa con precisión que la respuesta vibracional del sistema es inestable e impredecible.

Algoritmo diagnóstico sistemático:

• Holgura mecánica: Esta es la causa más frecuente. Compruebe el apriete de los pernos de montaje de la caja de cojinetes y los pernos de anclaje del bastidor. Compruebe si hay grietas en la cimentación o el bastidor.
• Defectos de los cojinetes: El juego interno excesivo en los rodamientos o el desgaste de las carcasas de los cojinetes permiten que el eje se mueva de forma caótica dentro del soporte.
• Inestabilidad relacionada con el proceso:
  • Aerodinámicos (ventiladores): El flujo de aire turbulento y la separación del flujo de las aspas pueden provocar efectos de fuerza aleatorios.
  • Hidráulicos (bombas): La cavitación crea potentes choques hidráulicos aleatorios que enmascaran la señal periódica del desequilibrio.
  • Movimiento interno de masas (trituradoras, molinos): El material puede redistribuirse dentro del rotor, actuando como "desequilibrio móvil".
• Resonancia: Si la velocidad de operación está muy cerca de la frecuencia natural de la estructura, incluso pequeñas variaciones de velocidad provocan enormes cambios en la amplitud y la fase de la vibración.
• Efectos térmicos: A medida que la máquina se calienta, la expansión térmica puede provocar flexiones del eje o cambios en la alineación.

Sección 3.2: Cuando el equilibrio no ayuda: identificación de defectos de raíz

Síntoma: Se ha realizado el procedimiento de equilibrado, las lecturas son estables, pero la vibración final sigue siendo alta.

Utilizando el analizador de espectro para el diagnóstico diferencial:

• Desalineación del eje: Señal principal: pico de vibración alto a una frecuencia de 2x RPM. Es característico un alto nivel de vibración axial.
• Defectos de los rodamientos: Se manifiesta como vibración de alta frecuencia en frecuencias de "cojinete" características (BPFO, BPFI, BSF, FTF).
• Arco de flecha: Se manifiesta como un pico alto a 1x RPM, pero a menudo va acompañado de un componente notable a 2x RPM.
• Problemas eléctricos (motores eléctricos): La asimetría del campo magnético puede provocar vibraciones al doble de la frecuencia de suministro (100 Hz para una red de 50 Hz).

Errores comunes de equilibrio y consejos para prevenirlos

• Cómo equilibrar un rotor defectuoso o sucio: Compruebe siempre el estado del mecanismo antes de equilibrar.
• Peso de prueba demasiado pequeño: Apunte a la regla de cambio de vibración 20-30%.
• Incumplimiento de la constancia del régimen: Mantenga siempre una velocidad de rotación estable e idéntica durante todas las mediciones.
• Errores de fase y marca: Vigile cuidadosamente la determinación del ángulo. El ángulo del peso correctivo suele medirse desde la posición del peso de prueba en la dirección de rotación.
• Fijación incorrecta o pérdida de pesas: Siga estrictamente la metodología: si es necesario retirar el peso de prueba, retírelo.

Equilibrio de los estándares de calidad

Parte IV: Preguntas frecuentes y notas de aplicación

Sección 4.1: Preguntas frecuentes generales (FAQ)

¿Cuándo utilizar el equilibrio de 1 plano y cuándo el de 2 planos?
Utilice el equilibrio de 1 plano (estático) para rotores estrechos con forma de disco (relación L/D < 0,25). Utilice el equilibrado de 2 planos (dinámico) para prácticamente todos los demás rotores, especialmente con L/D > 0.25.

¿Qué hacer si el peso de prueba provoca un aumento peligroso de la vibración?
Detenga la máquina inmediatamente. Esto significa que el peso de prueba se instaló cerca del punto de carga existente. La solución: mover el peso de prueba 180 grados desde su posición original.

¿Se pueden utilizar los coeficientes de influencia guardados para otra máquina?
Sí, pero solo si la otra máquina es absolutamente idéntica: mismo modelo, mismo rotor, misma base, mismos rodamientos. Cualquier cambio en la rigidez estructural las invalidará.

¿Cómo contabilizar las ranuras de chaveta? (ISO 8821)
La práctica habitual es utilizar una media chaveta en el chavetero del eje al equilibrar sin la pieza de acoplamiento. Esto compensa la masa de la parte de la chaveta que ocupa la ranura del eje.

Sección 4.2: Guía de equilibrio para tipos de equipos específicos

Ventiladores industriales y extractores de humos:

• Problema: Más susceptible al desequilibrio debido a la acumulación de producto en las cuchillas o al desgaste abrasivo.
• Procedimiento: Limpie siempre a fondo el impulsor antes de empezar a trabajar. Preste atención a las fuerzas aerodinámicas que pueden causar inestabilidad.

Zapatillas:

• Problema: Enemigo principal - cavitación.
• Procedimiento: Antes de equilibrar, asegúrese de que haya suficiente margen de cavitación en la entrada (NPSHa). Compruebe que la tubería de succión no esté obstruida.

Trituradoras, trituradoras y desbrozadoras:

• Problema: Desgaste extremo, posibilidad de grandes cambios de desequilibrio debido a rotura o desgaste del martillo.
• Procedimiento: Compruebe la integridad y la fijación de los elementos de trabajo. Podría requerirse un anclaje adicional al bastidor de la máquina.

Armadura de motores eléctricos:

• Problema: Puede tener fuentes de vibración tanto mecánicas como eléctricas.
• Procedimiento: Utilice un analizador de espectro para comprobar si hay vibraciones al doble de la frecuencia de alimentación. Su presencia indica un fallo eléctrico, no un desequilibrio.

Conclusión

El balanceo dinámico de rotores in situ mediante instrumentos portátiles como el Balanset-1A es una herramienta eficaz para aumentar la fiabilidad y la eficiencia del funcionamiento de los equipos industriales. Sin embargo, el éxito de este procedimiento depende no tanto del instrumento en sí, sino de la cualificación del especialista y la capacidad de aplicar un enfoque sistemático.

Principios clave:

• La preparación determina el resultado: Una limpieza exhaustiva del rotor, la comprobación del estado de los cojinetes y de los cimientos y un diagnóstico preliminar de las vibraciones son condiciones obligatorias para un equilibrado exitoso.
• El cumplimiento de las normas es la base de la calidad: La aplicación de la norma ISO 1940-1 transforma la evaluación subjetiva en un resultado objetivo, medible y legalmente significativo.
• El instrumento no es sólo un equilibrador sino también una herramienta de diagnóstico: La incapacidad para mantener el equilibrio o la inestabilidad en la lectura son signos diagnósticos importantes que indican problemas más graves.
• Comprender la física de procesos es clave para resolver tareas no estándar: El conocimiento de las diferencias entre rotores rígidos y flexibles y la comprensión de la influencia de la resonancia permiten a los especialistas tomar decisiones correctas.

Seguir las recomendaciones descritas en esta guía permitirá a los especialistas técnicos no solo afrontar con éxito las tareas típicas, sino también diagnosticar y resolver de manera eficaz problemas complejos y no triviales de vibración de equipos rotativos.