Normas de equilibrio dinámico

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Los componentes rotativos, como rotores, ventiladores, impulsores, cigüeñales y turbinas, desempeñan un papel vital en el funcionamiento de maquinaria en una amplia gama de industrias. Uno de los principales desafíos en el uso de estos componentes es el desequilibrio de masa, que puede provocar vibraciones, ruido y daños en los componentes mecánicos.

El balanceo dinámico es una de las medidas más importantes para reducir o eliminar estos desequilibrios. Este proceso se realiza de acuerdo con las normas internacionales para garantizar que el equipo funcione con mínimas vibraciones y maximice su vida útil. Este artículo profundizará en el concepto de balanceo dinámico, las normas internacionales pertinentes , los métodos de trabajo, los métodos de cálculo, las ventajas, las limitaciones y las aplicaciones industriales.

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Parte 1: Conceptos básicos

¿Qué es el desequilibrio?

El desequilibrio se produce cuando la masa alrededor de un eje giratorio se distribuye de forma desigual y el centro de masas está descentrado respecto al eje de rotación. Esto genera fuerzas centrífugas durante la rotación. Estas fuerzas se transmiten a los cojinetes y al fuselaje, causando vibración, aumento del ruido, fatiga del material y, en última instancia, fallos en los componentes .

Tipo de desequilibrio

1. Desequilibrio estático:
   En este caso, el centro de masa de la pieza se encuentra en un plano perpendicular al eje de rotación, alejado del centro de este. Incluso en reposo, la pieza tiende a asentarse en el fondo junto con las piezas más pesadas.

2. Desequilibrio de par:
   Un desequilibrio de par se produce cuando dos masas iguales se encuentran en dos planos diferentes, pero en direcciones opuestas respecto al eje de rotación. En este caso, el centro de masas del conjunto se encuentra en el eje de rotación, pero se genera un momento centrífugo.

Para lograr un equilibrio perfecto es necesario corregir ambos desequilibrios, lo que se denomina equilibrio dinámico .

La diferencia entre equilibrio estático y equilibrio dinámico

• El equilibrio estático simplemente alinea el centro de masa con el eje de rotación y es adecuado para componentes de baja velocidad.

• Además de eliminar el desequilibrio estático, el equilibrio dinámico también puede eliminar el torque causado por los acoplamientos, lo cual es fundamental para los componentes de alta velocidad.

En industrias de alta velocidad, como turbinas, ventiladores industriales, generadores y motores eléctricos, solo el equilibrio dinámico puede reducir la vibración a niveles aceptables.

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Parte II: Estándares de equilibrio dinámico

Para garantizar la calidad y la comparabilidad de los resultados entre sectores , se han desarrollado normas internacionales. Las más importantes son la ISO 1940 y su versión actualizada, la ISO 21940 .

Normas ISO 1940/ISO 21940

La norma define los requisitos y los niveles admisibles de desequilibrio para rotores rígidos. La primera parte especifica la calidad del equilibrio basándose en un número denominado grado de equilibrio (grado G) .

Cuanto menor sea el valor G, mayor será la precisión del equilibrado y menor el desequilibrio permitido.

La fórmula general para calcular el desequilibrio admisible es la siguiente:

Uper=9.54×G×mnU_{\text{por}} = \frac{9.54 \times G \times m}{n}  U  por  ​= n  9.54  ×  G  ×  m 

Dónde:

• UperU_{\text{per}}  U  per  ​: desequilibrio permitido (g-mm)

• $G$ : Equilibrio

• $m$ : masa del rotor (kg)

• $n$ : Velocidad de rotación (rpm)

Además, el grado específico de desequilibrio es igual a:

eper=Uperme_{\text{per}} = \frac{U_{\text{per}}}{m}  e  per  = m  U  per 

Valores G comunes en diferentes industrias

La norma ISO también especifica los métodos de medición, la corrección del desequilibrio y las tolerancias permitidas.

Otras normas relevantes

• ISO 10816: Norma de medición de vibraciones para maquinaria rotatoria

• API 617 y API 610: Requisitos de equilibrio para compresores y bombas industriales

• VDI 2060: Norma alemana relativa a la calidad del equilibrado

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Parte III: Pasos para realizar el equilibrio dinámico

El proceso de equilibrado dinámico se lleva a cabo normalmente en varios pasos:

1. Preparación inicial y mediciones

El rotor está montado en una máquina equilibradora y gira a una velocidad específica. Un sensor de vibración (acelerómetro o tacómetro) registra la cantidad de vibración en la dirección especificada. Analizando la amplitud y la fase de la vibración, se puede determinar la ubicación del desequilibrio.

2. Añadir peso de prueba

Para determinar la sensibilidad del sistema a los cambios de masa, se instalan pesas de un peso determinado en ubicaciones específicas. Los cambios de vibración causados ​​por estas pesas ayudan a calcular con precisión la ubicación y el número de pesas de corrección.

3. Calcular el peso modificado

Con base en los datos iniciales, tras instalar las pesas de prueba, se determina la cantidad y el ángulo adecuados de las pesas de corrección. En el balanceo en dos planos, se instalan dos pesas a ambos lados del rotor para eliminar fuerzas y momentos desequilibrados.

4. Instale el peso de corrección

Las pesas de corrección se montan en el rotor en las ubicaciones designadas. El método de montaje puede ser con tornillos, pegamento, soldadura o tuercas, según el tipo de pieza.

5. Aprobación final

Tras instalar los contrapesos, vuelva a probar el rotor a la misma velocidad. Si la vibración residual se encuentra dentro del rango permitido, el proceso se ha completado correctamente.

Equilibrio en sitio

En máquinas grandes, como turbinas, ventiladores industriales y generadores de centrales eléctricas, los componentes no se pueden mover. En estos casos, se requiere un equilibrado dinámico in situ. Se instalan sensores en el cuerpo de la máquina y esta se equilibra durante su funcionamiento.

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Parte 4: Cálculos de ejemplo

Para comprender mejor el concepto de desequilibrio permitido, daremos un ejemplo numérico sencillo.

pensar:

• Masa del rotor: 20 kg

• Velocidad: 3000 rpm

• Calidad del equilibrio: G=6.3

Permite el cálculo del desequilibrio:

Uper=9,54×6,3×203000=0,40 g-mm U_{\text{por}} = \frac{9,54 \times 6,3 \times 20}{3000} = 0,40 \text{ g-mm}  Uper ​= 30009,54 ×  6,3  ×  20  ​=  0,40  g  -mm 

Esto significa que el desequilibrio máximo del rotor en cuestión es de 0,4 g/mm.

El desequilibrio específico también es igual a:

eper=0.4020=0.02 mme_{\text{per}} = \frac{0.40}{20} = 0.02 \text{ mm}  e  per  ​= 200.40  ​=  0.02   mm 

Por lo tanto, en este ejemplo, el centro de masa debe estar a 0,02 mm del eje de rotación para estar dentro del rango estándar permitido.

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Parte V: Los beneficios y la importancia de adherirse al estándar de equilibrio

1. Reducción de vibraciones y ruido: la reducción del desequilibrio elimina las vibraciones mecánicas
   y el ruido no deseado del equipo.

2. Mayor vida útil de los cojinetes y del eje.
   No se transmiten fuerzas adicionales a los cojinetes, lo que prolonga la vida útil del sistema.

3. Mejora la eficiencia operativa:
   los rotores equilibrados tienen menos fricción de rotación y mayor eficiencia.

4. Costos de mantenimiento reducidos.
   A menor vibración, menor probabilidad de que su línea de producción sufra averías y paradas repentinas.

5. La conformidad de los requisitos de ingeniería y la calidad de la construcción en proyectos industriales
   , así como la conformidad del equilibrio especificado en los contratos o normas, son todos requisitos del control de calidad.

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Parte VI: Limitaciones y desafíos

1. Costo del equipo de balanceo de precisión:
   El equipo de balanceo dinámico avanzado es costoso y requiere un operador calificado.

2. A altas velocidades, el comportamiento de vibración del rotor flexible se desvía del estado rígido y requiere métodos de equilibrio flexible especiales.

3. Las diferencias en las condiciones de trabajo y de laboratorio (por ejemplo,
   temperatura, presión o carga de trabajo) pueden provocar cambios en la distribución de masa y el equilibrio puede variar en tiempo real.

4. Los pesos de corrección no están instalados correctamente:
   si los pesos se instalan en un ángulo o posición incorrectos, no solo no se logrará el equilibrio, sino que también aumentará la vibración.

5. La presencia de otros factores de vibración
   a veces no es la fuente de la vibración desequilibrada, sino más bien una falla del cojinete, una desalineación del eje o una desalineación del componente.

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Sección 7: Aplicaciones del equilibrio dinámico

1. Ventiladores e impulsores:
   evitan vibraciones severas y prolongan la vida útil de los cojinetes.

2. Bombas y compresores:
   En las turbomáquinas, el equilibrado preciso es crucial.

3. Cigüeñales y motores de automóviles:
   El equilibrio dinámico del cigüeñal reduce la vibración del motor y mejora la eficiencia del combustible.

4. Turbinas y generadores:
   Cuando funcionan a altas velocidades, incluso un ligero desequilibrio puede provocar daños graves.

5. Industria pesada y centrales eléctricas:
   equilibrio in situ de equipos de gran tamaño, como turbinas de vapor, ventiladores de refrigeración y grandes generadores.

6. Industria aeroespacial:
   Las palas y los componentes de los motores a reacción se equilibran con una precisión de hasta 0,4 G.

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Parte 8: Consejos de implementación y mantenimiento

1. Elija un número G según el tipo de dispositivo
   : cuanto mayor sea la velocidad y la sensibilidad del dispositivo, menor debe ser el número G.

2. Equilibrar en condiciones similares a las de funcionamiento real
   . Si es posible, equilibrar a la temperatura y condiciones reales de funcionamiento del equipo.

3. Controles periódicos post-operación
   Después de un periodo de funcionamiento, los depósitos o el desgaste pueden provocar nuevos desequilibrios, por lo que se recomienda realizar un equilibrado periódico.

4. Precisión en la instalación de sensores y equipos.
   El posicionamiento preciso de los sensores es crucial para obtener resultados precisos.

5. La documentación completa de las operaciones de equilibrado,
   registrando datos antes y después del equilibrado, es esencial para el control de calidad.

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en conclusión

El balanceo dinámico es uno de los procesos más importantes para mejorar la vida útil, el rendimiento y la seguridad de la maquinaria rotativa. Implementando correctamente este proceso y cumpliendo con normas internacionales como ISO 1940 e ISO 21940 , se minimizan las vibraciones y se previenen los daños causados ​​por el desequilibrio.

El cumplimiento de las normas de balanceo no solo garantiza la calidad de fabricación y ensamblaje, sino que también reduce costos de mantenimiento y mejora la productividad de los sistemas industriales. La selección del grado de balanceo adecuado (G), la precisión en las operaciones y las inspecciones periódicas son los tres pilares para una implementación exitosa de las normas de balanceo dinámico.