Alineación de Ejes

¿Qué es la alineación de ejes?

La alineación de ejes lleva las líneas centrales de una máquina motriz y una accionada a la misma línea, tanto lateral como angularmente, para que el acoplamiento transmita torque sin pelear contra la geometría. La condición objetivo es la colinealidad en condiciones de operación, lo que importa porque las máquinas se mueven al calentarse y cargar. La tarea aplica a conjuntos de bomba y motor, combinaciones de motor y caja de engranajes, ventiladores, compresores y cualquier tren de transmisión donde se unan dos ejes rotativos.

La alineación es distinta del balanceo. El balanceo corrige una distribución desigual de masa dentro de una parte rotativa; la alineación corrige la posición relativa de dos ejes. Una máquina puede estar bien balanceada y mal alineada al mismo tiempo, y la desalineación seguirá cargando los rodamientos en cada revolución.

Por qué importa la alineación de ejes

Los rodamientos soportan las cargas para las que fueron seleccionados, más lo que el tren de transmisión añada. La desalineación añade una carga lateral rotativa que la selección del rodamiento no consideró, y esa carga cicla una vez por revolución. El resultado visible es temperatura elevada del rodamiento y vida de rodamiento acortada; el resultado oculto es un modo de falla que se ve aleatorio en los registros pero que es de origen geométrico.

Los acoplamientos y sellos absorben la siguiente capa. Los elementos de acoplamientos elastoméricos se agrietan y extruyen, los acoplamientos de engranes se desgastan en los dientes, y los acoplamientos de discos se fatigan en el paquete de discos. Los sellos están aún más expuestos: un eje desalineado corre fuera de la línea central de diseño del sello, el labio presiona fuerte sobre un lado, y el sello empieza a sudar. En bombas, esa fuga a menudo aparece primero en el sello mecánico, que ya es uno de los puntos de falla de mayor frecuencia en una planta.

La vibración es la advertencia temprana usual. La desalineación comúnmente aparece como vibración radial elevada tanto a 1x como a 2x de la velocidad de giro; el componente 2x a menudo domina cuando hay desalineación angular, mientras que 1x tiende a liderar con desplazamiento paralelo. El análisis de vibraciones usa estas firmas para marcar la condición mientras todavía es una tarea de mantenimiento y no una avería.

La energía es el costo más silencioso. Un tren de transmisión desalineado aumenta la fricción en el acoplamiento y los rodamientos, y el poder desperdiciado sale como calor que a veces se puede sentir en el resguardo del acoplamiento. El aumento de consumo en una sola máquina suele ser pequeño; en una planta llena de equipo rotativo es una pérdida persistente.

Tipos de desalineación de ejes

Desalineación paralela (desplazamiento). Ambos ejes permanecen paralelos pero sus centros están desplazados lateral o verticalmente entre sí. El desplazamiento se mide en mils (milésimas de pulgada) en el acoplamiento.

Desalineación angular. Las líneas centrales de los ejes no son paralelas; se cruzan en un ángulo. Se mide como la diferencia de holgura a través de la cara del acoplamiento, expresada en mils por pulgada de diámetro del acoplamiento.

Desalineación combinada. Desplazamiento y ángulo presentes juntos. Esta es la condición normal en campo; el error puramente paralelo o puramente angular es raro. La corrección práctica generalmente trabaja primero verticalmente, con shims bajo los pies, y luego horizontalmente con tornillos de elevación o movimientos de máquina.

Comparación de métodos de alineación

Cuatro métodos cubren el trabajo de alineación. Difieren en precisión, tiempo de preparación y lo que le piden al técnico.

Regla y calibrador de espesores. Una regla colocada a través del acoplamiento con calibradores de espesores para la holgura solo detecta error grueso. Es rápido, no requiere instrumentos más allá de una regla y espesores, y pertenece al equipo de respaldo o no crítico de baja velocidad como verificación de cordura antes de una medición propiamente dicha.

Reloj comparador de aro y cara. Dos relojes comparadores montados en el acoplamiento: uno lee el desplazamiento radial en el aro, el otro lee la angularidad a través de la cara. El método es sensible al juego del acoplamiento y al desplazamiento axial, ya que el juego axial del eje sesga la lectura de cara. La caída del soporte (bracket sag), la flexión del hardware del indicador bajo gravedad al girar el eje, debe medirse y compensarse o las lecturas no valen nada.

Reloj comparador inverso. Dos relojes montados de modo que cada uno lee el otro eje en lugar del acoplamiento. Esto lee las posiciones de los ejes directamente, lo que elimina el juego del acoplamiento del cálculo y funciona a través de luces más largas. La caída del soporte todavía aplica, y los datos del indicador necesitan un cálculo o una solución gráfica para producir los movimientos de máquina. Antes de los láseres, el método de reloj inverso era el método de reloj preferido precisamente por estas razones.

Alineación de ejes láser. Un emisor y un detector se colocan en los dos ejes; un haz mide su posición relativa mientras los ejes giran, y el software calcula los valores de shim y movimiento. La resolución está en el rango de 0.1 mil, el tiempo de preparación es de minutos en lugar de horas, y el sistema almacena los resultados tal como se encontraron y tal como se dejaron. Para equipos críticos, el láser es el valor por defecto.

Guías de tolerancia de alineación

Las tolerancias se estrechan a medida que sube la velocidad. Un eje más rápido castiga el error geométrico con más fuerza, por lo que el desplazamiento que es inofensivo en un ventilador de 600 RPM dañará un acoplamiento en una bomba de 3,600 RPM. La tabla muestra guías de campo ampliamente usadas para la desalineación por desplazamiento, expresadas en mils de desplazamiento por pulgada de luz del acoplamiento.

La angularidad se mantiene en o por debajo de aproximadamente 0.7 mils por pulgada en la mayoría del trabajo de campo, con objetivos más estrictos a medida que sube la velocidad. Aplican dos precauciones. Primera, los fabricantes de acoplamientos y máquinas publican sus propios límites, y estos tienen precedencia sobre cualquier tabla genérica. Segunda, aceptable no es lo mismo que objetivo: la banda aceptable ya permite una carga adicional de rodamiento medible, por lo que un programa de mantenimiento de precisión apunta bien adentro de ella en equipos críticos.

Alineación en frío vs condiciones de operación: crecimiento térmico

Las máquinas rara vez se alinean a la temperatura donde operan. Una bomba que maneja agua fría crece menos que el motor que la impulsa, cuyos devanados operan calientes; una turbina de vapor se mueve considerablemente entre el arranque y la carga plena. Una lectura tomada en frío es una posición de partida, y el requisito real es la colinealidad una vez que el tren de máquinas esté caliente.

El crecimiento térmico es el movimiento entre los pies de la máquina y la línea central del eje a medida que la máquina se calienta. Depende del material, del aumento de temperatura y de la altura del pie a la línea central, y en líneas centrales verticales puede desplazar la posición varios mils. Es el mismo orden de magnitud que las tolerancias de la tabla anterior, razón por la cual ignorarlo consume la alineación antes de que la máquina alcance el estado estable.

La práctica de campo maneja el problema de tres maneras. Los fabricantes publican objetivos de crecimiento térmico para algunas máquinas, y la alineación se realiza en frío hacia esos desplazamientos. Las verificaciones de alineación en caliente miden la posición en marcha donde el diseño de la máquina lo permite, capturando el cambio de frío a caliente para trabajos futuros. Los sistemas de alineación láser aceptan objetivos de crecimiento térmico directamente, de modo que la lectura en frío que el software pide ya incluye la compensación.

Pie blando: qué es y cómo corregirlo

El pie blando es la condición donde un pie de máquina no asienta plano sobre su base. Las causas incluyen error de mecanizado en el pie o la base, bastidores deformados, shims dañados o apilados, grout desmoronado y tubería que jala la máquina a su posición. Cuando los pernos de fijación se aprietan, el pie blando dobla el bastidor, distorsiona los soportes de rodamientos y puede desplazar la posición del eje más que la tolerancia de alineación. Una alineación tomada con pie blando presente está mal antes de que se guarden las herramientas.

La corrección es procedimental más que ingeniosa:

1. Limpie las superficies de contacto de los pies y la base. Elimine óxido, pintura y fragmentos de shims viejos.
2. Afloje un perno de fijación a la vez y mida la holgura bajo el pie con un calibrador de espesores o un reloj comparador mientras se afloja el perno.
3. Corrija las holguras con shims. Una holgura mayor a unas milésimas de pulgada apunta a problemas de base o grout en lugar de un problema de shim.
4. Apriete todos los pernos en secuencia a la especificación y reverifique cada pie. Un pie que vuelve a quedar blando bajo carga necesita otra pasada.
5. Ejecute la alineación solo cuando cada pie asiente firme.

Hacer que los resultados de alineación se mantengan

La alineación es uno de los oficios fundamentales en un programa de mantenimiento de precisión, junto con el balanceo, la práctica de fijaciones y la lubricación. Los programas que obtienen resultados duraderos tratan la alineación como una tarea definida con un objetivo, un método de medición y un resultado registrado, en lugar de una respuesta al ruido. Los tres interactúan: un rodamiento operando bajo carga de desalineación opera más caliente y degrada su lubricante más rápido, por lo que los problemas de alineación a menudo aparecen primero como hallazgos de lubricación.

La verificación cierra el ciclo. Después de una alineación, una lectura de vibración establece la nueva línea base, y un componente 2x en ascenso semanas después dice que la máquina se movió; las condiciones de los pies son lo primero que hay que inspeccionar. El análisis de vibraciones industrial les da a las cuadrillas esa tendencia con el tiempo, y el pie blando, el esfuerzo de tubería y la condición del grout les dicen de dónde vino el movimiento.

Preguntas frecuentes

La conclusión

La alineación de ejes es una tarea acotada con grandes consecuencias. El trabajo mismo es medición, colocación de shims y pequeños movimientos de máquina; la recompensa es mayor vida de rodamientos y sellos, espectros de vibración más limpios y menos energía perdida como calor. La tabla de tolerancias da el objetivo, la elección del método da los medios, y el pie blando y el crecimiento térmico deciden si el resultado se mantiene. Una máquina alineada en frío, sobre pies sólidos, a una tolerancia acorde a su velocidad, arranca servicio con sus rodamientos soportando las cargas para las que fueron elegidos.