Desbalanceo y balanceo en campo

¿Qué es el desbalanceo?

Un rotor perfectamente balanceado tiene su masa distribuida simétricamente alrededor del eje de rotación, de modo que el centro geométrico y el centro de masa coinciden. Cuando esa simetría se rompe, el centro de masa desplazado traza un círculo en cada revolución, generando una fuerza centrífuga proporcional al producto del desbalanceo residual (masa por radio) y el cuadrado de la velocidad angular. Esa fuerza rotante se transmite a los rodamientos y a la estructura de soporte como vibración, ruido y cargas de rodamiento elevadas de forma cíclica. Incluso un desbalanceo residual pequeño se vuelve significativo a altas velocidades porque la fuerza crece con el cuadrado de las RPM.

Tipos de desbalanceo

En la práctica surgen tres distribuciones geométricas de desbalanceo, e identificar el tipo correcto determina qué procedimiento de balanceo aplicar.

Desbalanceo estático

El desbalanceo estático existe cuando el centro de masa está desplazado del eje de rotación en un solo plano radial, sin desfase angular entre planos. Un rotor en forma de disco con un solo punto pesado es el caso típico. El rotor rueda por gravedad hacia el lado pesado cuando se coloca sobre navajas, razón por la cual es detectable sin rotación. En un espectro de vibración, el desbalanceo estático produce señales 1x en fase en ambas posiciones de rodamiento en la dirección radial: las lecturas de fase medidas simultáneamente en los rodamientos del lado de accionamiento y del lado opuesto difieren en un valor cercano a 0 grados.

Desbalanceo por par

El desbalanceo por par ocurre cuando dos puntos pesados iguales están ubicados en diferentes planos axiales a 180 grados uno del otro. El efecto estático neto es cero (el rotor se balancea estáticamente sobre navajas), pero las dos fuerzas crean un par rotante que inclina el eje durante la operación. La firma diagnóstica es vibración radial 1x en ambos rodamientos con una diferencia de fase de aproximadamente 180 grados entre los dos planos de medición. El desbalanceo por par no puede corregirse en un solo plano; requiere correcciones de peso en al menos dos planos.

Desbalanceo dinámico

El desbalanceo dinámico es la combinación de los componentes estático y por par, que es la condición presente en casi todos los rotores reales. La diferencia de fase entre la vibración radial en los dos planos de rodamiento está entre 0 y 180 grados. El balanceo de dos planos resuelve ambos componentes simultáneamente al resolver un sistema de ecuaciones simultáneas que relaciona los pesos de corrección en cada plano con la respuesta medida.

Causas comunes

El desbalanceo se desarrolla a través de varios mecanismos durante la fabricación y el servicio:

• Acumulación de depósitos: La acumulación de material en álabes de ventiladores, impulsores y tubos de intercambiadores de calor desplaza el centro de masa de forma progresiva. Esta es una de las causas más frecuentes en industrias de procesos donde polvo, cascarilla o lodos en suspensión entran en contacto con componentes rotativos.
• Erosión y corrosión: La pérdida de material en una región del rotor (erosión de puntas de álabes, picadura) remueve masa de manera asimétrica e introduce o agrava el desbalanceo con el tiempo.
• Pesos de balanceo perdidos o rotos: Los pesos de balanceo de fábrica soldados o atornillados a las ruedas de ventiladores pueden desprenderse en servicio, desplazando instantáneamente el estado de balanceo por el peso de la pieza perdida en su radio original.
• Tolerancias de fabricación: La porosidad de fundición, la variación del cordón de soldadura y la excentricidad de mecanizado dejan rotores con desbalanceo residual desde nuevos. Los grados de balanceo ISO lo contemplan, especificando cuánto residual es permisible para una clase de rotor determinada.
• Deformación térmica: Los rotores que operan a temperatura elevada pueden desarrollar una flexión permanente si los gradientes térmicos son desiguales, desplazando el centro de masa del eje de rotación. Esto es común en turbinas de vapor y sopladores de alta temperatura después de un enfriamiento rápido.
• Daño del eje: Un eje doblado o un eje con una soldadura reparada desplaza el centro de masa y también puede introducir efectos de acoplamiento que complican el estado de balanceo.

La firma de vibración a 1x RPM

El análisis de vibraciones de un rotor desbalanceado produce un espectro dominado por un pico a exactamente una vez la frecuencia de giro del eje (1x). La señal es predominantemente radial (perpendicular al eje), porque la fuerza centrífuga actúa hacia afuera desde el centro del eje. La vibración axial es generalmente baja, salvo que el acoplamiento o la geometría del rodamiento convierta parte de la fuerza radial en un componente axial.

El pico 1x crece con el cuadrado de la velocidad: duplicar las RPM cuadruplica la fuerza centrífuga y, para un sistema lineal, duplica la amplitud de vibración con la misma magnitud de desbalanceo. Esta dependencia de la velocidad es una pista diagnóstica útil durante las pruebas de apagado.

La fase como herramienta diagnóstica

La amplitud por sí sola no confirma el desbalanceo, porque la desalineación, la holgura y el eje doblado también producen componentes 1x. La medición de fase resuelve la ambigüedad:

• Desbalanceo: la fase radial es estable (dentro de unos pocos grados) en múltiples lecturas; en fase entre los dos planos de rodamiento para el desbalanceo estático; diferencia de 180 grados para el desbalanceo por par.
• Desalineación angular: fuerte componente axial 1x, a menudo con oposición de fase de 180 grados entre los dos lados de un acoplamiento en la dirección axial.
• Desalineación paralela: componente radial 2x dominante junto al 1x; la fase puede ser de 180 grados en dirección radial a través del acoplamiento.
• Eje doblado: el 1x domina y es estable, pero la fase medida en giro lento (unas pocas RPM) ya está elevada, lo que lo distingue del desbalanceo que crece con la velocidad.

El análisis de vibraciones industrial combina datos de espectro con lecturas de fase de un tacómetro o disparador óptico para producir una gráfica polar, dando una representación vectorial directa de la fuerza de desbalanceo y su posición angular.

Grados de balanceo ISO (ISO 21940-11)

ISO 21940-11 (que reemplazó al anterior ISO 1940-1) codifica los grados de calidad de balanceo como números G. Cada grado especifica un desbalanceo específico máximo permisible expresado como el producto de la excentricidad (e, en mm) y la velocidad angular (omega, en rad/s), con unidades de mm/s. El número del grado equivale a e x omega en mm/s a la velocidad máxima de operación del rotor.

Tabla de grados

Ejemplo práctico: desbalanceo residual permisible

Considere un impulsor de bomba centrífuga con una masa de rotor de 50 kg que opera a 3,000 RPM, con grado de balanceo G2.5 asignado.

1. Convierta la velocidad a velocidad angular: omega = 2 x pi x (3,000 / 60) = 314.2 rad/s
2. El grado especifica e x omega = 2.5 mm/s, por lo que la excentricidad permisible es: e_per = 2.5 / 314.2 = 0.00796 mm (aproximadamente 8 micrómetros)
3. Desbalanceo residual permisible por plano: U_per = m x e_per = 50 x 0.00796 = 0.398 g·m
4. Expresado en la unidad de taller más común: 0.398 g·m = 398 g·mm. Para un rotor de un solo plano, el residual permisible total es de 398 g·mm. Para un rotor de dos planos, este total se divide entre los dos planos de corrección según la distribución de masa del rotor.

Este valor calculado es el criterio de aceptación: después del balanceo, el desbalanceo residual en cada plano debe estar en o por debajo del valor permisible calculado antes de que el rotor pase la inspección.

Procedimiento de balanceo en campo

Los programas de mantenimiento de precisión suelen incluir el balanceo en campo como competencia estándar, particularmente para rotores grandes o difíciles de retirar.

Cuándo balancear en campo

El balanceo en taller en una máquina dedicada ofrece mayor precisión y debe ser la primera opción cuando el rotor puede retirarse de manera viable. El balanceo en campo es preferible cuando el rotor es grande (ruedas de ventilador de varios metros), cuando el tiempo y costo del desmontaje superan la diferencia de precisión alcanzable, cuando las condiciones operativas (temperatura, carga del proceso) afectan el estado de balanceo a velocidad, o cuando el rotor se balanceó en taller pero las condiciones de instalación in situ (tensión de tubería, pie blanda, crecimiento térmico) introdujeron fuerzas nuevas. El límite práctico de precisión del balanceo en campo es típicamente G2.5 a G6.3 dependiendo de la calidad del instrumento y la rigidez del rotor.

Un plano vs dos planos

El balanceo de un solo plano coloca pesos de corrección en un solo plano axial. Es apropiado para rotores tipo disco (ancho menor a aproximadamente la mitad del diámetro) donde el desbalanceo es predominantemente estático. El balanceo de dos planos aplica correcciones en dos planos axiales separados y es necesario para rotores con una relación longitud-diámetro significativa o cuando el análisis de fase confirma un componente por par. El balanceo de dos planos requiere mediciones de vibración simultáneas en dos posiciones de rodamiento.

El método del coeficiente de influencia (procedimiento con peso de prueba)

El método del coeficiente de influencia es la técnica de balanceo en campo dominante. No requiere conocimiento previo de la distribución de masa del rotor; el propio rotor revela cómo responde a una perturbación conocida.

Paso 1: corrida inicial. Registre la amplitud de vibración (mm/s o micras pico) y el ángulo de fase en el(los) plano(s) de medición de balanceo con el rotor a velocidad de operación y en equilibrio térmico. Este es el vector de referencia, a menudo llamado vector de corrida original (O).

Paso 2: corrida con peso de prueba. Detenga la máquina. Adhiera un peso de prueba de masa conocida en una posición angular y radio conocidos en el rotor. El peso de prueba debe estar fijado contra la fuerza centrífuga a velocidad de operación; un peso de prueba suelto es un riesgo grave de seguridad. Reinicie y registre la nueva amplitud y fase (T).

Paso 3: cálculo del coeficiente de influencia. El coeficiente de influencia (CI) es el cambio de vibración producido por unidad de peso de prueba: CI = (T - O) / U_prueba, donde la resta es aritmética vectorial (considerando tanto magnitud como fase). Las hojas de cálculo y el software dedicado de balanceo realizan este cálculo directamente.

Paso 4: cálculo del peso de corrección. El vector de corrección requerido es: U_corrección = -O / CI. La magnitud da el peso de corrección (ajustado para el radio de corrección), y el ángulo de fase da su posición angular en el rotor. Retire el peso de prueba e instale el peso de corrección permanente, o remueva material en la posición opuesta.

Paso 5: verificación de la corrida de corrección. Reinicie y verifique que la vibración residual cumpla el criterio de aceptación. Si está dentro de especificación, el balanceo está completo. Si no, el coeficiente de influencia de la corrida anterior puede usarse para calcular una corrección de ajuste fino sin una nueva corrida con peso de prueba.

Para el balanceo de dos planos, el procedimiento se extiende a una matriz 2x2 de coeficientes de influencia. Dos corridas con peso de prueba (un peso en el plano 1, uno en el plano 2) generan cuatro coeficientes de influencia que relacionan las correcciones en cada plano con las respuestas en cada ubicación de medición. La inversión de la matriz da los pesos de corrección simultáneos para ambos planos.

Métodos de corrección

Una vez calculadas la magnitud y posición angular del peso de corrección, la corrección física toma una de tres formas:

• Adición de peso: El enfoque más común en campo. Pesos atornillados, pesos soldados o pesos de balanceo adhesivos se agregan en la posición angular calculada del rotor. Los pesos atornillados deben usar fijador de roscas y ajustarse al torque especificado; los pesos soldados requieren un soldador calificado y una verificación posterior.
• Remoción de material: El esmerilado, taladrado o fresado remueve material del lado pesado. Esto es irreversible, por lo que se aplica con conservadurismo y seguido de una corrida de verificación. Es común en impulsores de bombas y rotores de motores donde agregar peso es impráctico.
• Anillos y planos de corrección de balanceo: Muchos rotores están diseñados con planos de corrección roscados dedicados o anillos de balanceo deslizantes que permiten reposicionar el peso sin soldar ni taladrar. Este es el diseño preferido para componentes que requieren rebalanceo periódico, como ventiladores de torre de enfriamiento que manejan aire sucio.

La conclusión

El desbalanceo del rotor es una de las condiciones de falla más prevalentes en maquinaria rotativa, y es una de las más sencillas de detectar y corregir cuando se sigue un enfoque estructurado. La firma de vibración a 1x RPM combinada con la medición de fase proporciona una ruta diagnóstica confiable que distingue el desbalanceo de fallas superficialmente similares. Los grados ISO 21940-11 aportan un criterio de aceptación cuantitativo que elimina la ambigüedad de la pregunta de si un rotor está lo suficientemente balanceado para su servicio. El balanceo en campo con el método del coeficiente de influencia hace viable la corrección en rotores grandes o difíciles de retirar sin sacrificar la precisión necesaria para proteger los rodamientos y extender la vida de la máquina. Integrar el monitoreo del balanceo en un programa predictivo más amplio, en lugar de responder solo cuando los síntomas se vuelven severos, es lo que separa los costos de reparación reactiva del gasto de mantenimiento controlado.

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