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4.2.1. Importancia de la alineación

Para conseguir un funcionamiento suave en dos máquinas acopladas es imprescindible que los ejes de las mismas estén dentro de unos límites admisibles en su

46 alineación. Los límites son más estrechos cuanto mayor velocidad y/o potencia tengan las máquinas acopladas.

El propósito de alineación de los ejes es impedir vibraciones excesivas y el fallo prematuro de piezas de la máquina.

La desalineación es sin duda una de las causas principales de problemas en maquinaria. Estudios han demostrado que un 50 % de problemas en maquinaria son causa de desalineación y que un 90 % de las máquinas corren fuera de las tolerancias de alineación permitidos.

Una máquina desalineada puede costar desde un 20 % a un 30 % de tiempo de paro no programado, partes de repuesto, inventarios y consumo de energía.

4.2.2. Concepto de alineación y tipos de desalineamiento

La alineación de ejes es el proceso de ajuste de la posición relativa de dos máquinas acopladas (por ejemplo, un motor y una bomba) de manera que las líneas centrales de sus ejes formen una línea recta cuando la máquina está en marcha a temperatura de funcionamiento normal.

Los posibles desalineamientos (desviaciones de la condición de alineamiento ideal) que se pueden presentar son:

• Radial o Paralelo (ejes desplazados paralelamente - Offset). • Angular (ejes angulados entre sí).

• Combinación de los anteriores (Offset + Angular).

Toda operación de alineamiento que se efectúe de forma racional debe seguir, al menos, los 4 pasos siguientes:

• Medición de las magnitudes y dirección de las desviaciones (debidas a los desplazamientos paralelos y angulares de los ejes en los planos vertical y horizontal).

• Cálculo de los desplazamientos de corrección. • Efectuar dicho desplazamiento.

47 Para corregir los diferentes tipos de desalineación existen diferentes métodos entre los que se pueden destacar, de menor a mayor precisión, los siguientes:

○ Regla y nivel. ○ Reloj comparador. ○ Sistema de rayo láser.

4.2.3. Regla y nivel

Es un sistema de alineamiento rápido, utilizado en los casos en los que los requisitos de montaje no son exigentes, dado que es poco preciso.

El proceso de alineamiento es como sigue:

• Los ejes, con los platos calados, se aproximan hasta la medida que se especifique.

• Con una regla de acero y un nivel, se sitúan en las generatrices laterales que podemos denominar Este y Oeste (ó 3 y 9) y se irá corrigiendo hasta que los consideremos alineados.

• Se comprueba el paralelismo de los platos midiendo en cuatro puntos a 90°.

• Si en el plano Norte-Sur no tenemos el nivel a cero, quiere decir que el mecanismo está “CAÍDO” o “LEVANTADO”, por lo que habrá que colocar forros donde se necesite para que los dos platos queden paralelos.

4.2.4. Reloj comparador

Se trata de un instrumento medidor que transmite el desplazamiento lineal del palpador a una aguja indicadora, a través de un sistema piñón-corredera.

El reloj comparador consiste en una caja metálica atravesada por una varilla o palpador desplazable axialmente en algunos milímetros (10 mm. para comparadores centesimales y 1 mm. para comparadores milesimales). En su desplazamiento la varilla hace girar, por medio de varios engranajes, una aguja que señalará sobre una esfera dividida en 100 partes el espacio recorrido por el palpador, de tal forma que una vuelta completa de la aguja representa 1 mm. de desplazamiento del palpador y, por

48 consiguiente, una división de la esfera corresponde a 0.01 mm. de desplazamiento del mismo. Una segunda aguja más pequeña indica milímetros enteros.

Movimientos del palpador hacia el comparador serán positivos, girando la aguja en el sentido del reloj. Movimientos hacia el exterior serán negativos, desplazándose la aguja en sentido antihorario.

El modo de usarlo para medir la desalineación radial (paralela) es haciéndolo solidario a uno de los ejes (Eje A) mediante un adaptador (base magnética), descansando el palpador en el diámetro exterior del otro eje (Eje B). Montado de esta forma se gira 360º el eje A, tomando lecturas cada 90º. Dichas lecturas nos darán la posición relativa del eje B respecto de la proyección del eje A en la sección de lectura. Para medir la desalineación axial (angular) se procede de igual manera pero descansando el palpador en la cara frontal del plato.

Los principales métodos de alineación en los que se emplea el reloj comparador para medir la desalineación son:

1.- Alineación mediante reloj radial y galgas (método Brown-Boveri). 2-. Alineación mediante relojes radiales alternados (Método Indicador Inverso).

3-. Alineación mediante cara y borde (Método Radial-Axial).

4.2.5. Sistema de rayo láser

Los métodos de alineación con el uso de láser suponen una mejora destacable de los métodos tradicionales. Un alineador de ejes láser realiza una alineación más rápida y precisa que los métodos tradicionales. Los alineadores de contacto utilizan transductores “comunicadores electrónicos de posición”, semejantes al reloj comparador. Estos elementos se utilizan cada día más y cada casa comercial tiene su modelo con sus debidas instrucciones de utilización.

El equipo a utilizar, por ejemplo, puede ser el OPTALIGN, de Prüftechnik AG. Consta de una unidad Láser/Detector, que montada en el eje de la máquina estacionaria, emite un rayo láser, que es dirigido al prisma montado en el eje de la máquina que debe ser movida; donde es reflejado hacia el detector. Un computador recibe la información del detector y suministra todos los datos necesarios para un alineado preciso.

El láser es de semiconductores Ga-Al-As, y emite luz en la zona del rojo visible (longitud de onda 670 nm). Su potencia es del orden de pocos mW.

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4.3. Equilibrado de Rotores

4.3.1. Importancia del equilibrado

Si la masa de un elemento rotativo está regularmente distribuida alrededor del eje de rotación, el elemento está equilibrado y gira sin vibración.

Si existe un exceso de masa a un lado del rotor, la fuerza centrífuga que genera no se ve compensada por la del lado opuesto más ligero, creando un desequilibrio que empuja al rotor en la dirección más pesada. Se dice entonces que el rotor está desequilibrado.

El desequilibrio de piezas rotativas genera unas fuerzas centrífugas que aumentan con el cuadrado de la velocidad de rotación y se manifiesta por una vibración y tensiones en el rotor y la estructura soporte. Las consecuencias pueden ser muy severas:

- Desgaste excesivo en cojinetes, casquillos, ejes y engranajes. - Fatiga en soportes y estructura.

- Disminución de eficiencia.

- Transmisión de vibraciones al operador y otras máquinas.

Para minimizar el efecto de las fuerzas de excitación es necesario añadir masas puntuales de equilibrado que compensen el efecto de las fuerzas de inercia de desequilibrio, de manera que los ejes y apoyos no reciban fuerzas de excitación o, al menos, éstas sean mínimas.

Por tanto el equilibrado tiene por objeto: - Incrementar la vida de cojinetes. - Minimizar las vibraciones y ruidos. - Minimizar las tensiones mecánicas. - Minimizar las pérdidas de energía. - Minimizar la fatiga del operador.

4.3.2. Tipos de desequilibrio

La norma ISO 1925 describe cuatro tipos de desequilibrio, mutuamente excluyentes.

50 a) Desequilibrio Estático

La condición de desequilibrio estático se da cuando el eje principal de inercia del rotor se encuentra desplazado paralelamente al eje del árbol. También llamado desequilibrio de fuerza.

Se corrige colocando una masa correctora en lugar opuesto al desplazamiento del centro de gravedad (C.G.), en un plano perpendicular al eje de giro y que corte al C.G.

b) Desequilibrio de Par

Un par desbalanceado se presenta cuando el eje principal de inercia del rotor y el eje del árbol interceptan en el centro de gravedad del rotor pero no son paralelos. También llamado desequilibrio de momento.

Dos masas de desequilibrio en distintos planos y a 180º una de otra. Para su corrección se precisa un equilibrado dinámico. No se pueden equilibrar con una sola masa en un solo plano. Se precisan al menos dos masas, cada una en un plano distinto y giradas 180º entre sí. En otras palabras, el par de desequilibrio necesita otro par para equilibrarlo. Los planos de equilibrado pueden ser cualesquiera, con tal que el valor del par equilibrador sea de la misma magnitud que el desequilibrio existente.

c) Desequilibrio Cuasi-Estático

Existe cuando el eje principal de inercia intercepta el eje de giro pero en un punto distinto al centro de gravedad. Representa una combinación de desequilibrio estático y desequilibrio de par. Es un caso especial de desequilibrio dinámico.

d) Desequilibrio Dinámico

Existe cuando el eje principal de inercia no es ni paralelo al eje de giro ni lo corta en ningún punto: dos masas en distintos planos y no diametralmente opuestas. Es el más común de los desequilibrios y necesita equilibrarse necesariamente en, al menos, dos planos perpendiculares al eje de giro.

4.3.3. Reducción del desequilibrado

El propósito del equilibrado, como se ha apuntado, consiste en alterar la distribución de masas de un rotor a fin de evitar la generación de fuerzas en los soportes

51 como resultado del movimiento de rotación. Dicho propósito solo puede ser aproximado, ya que un cierto desequilibrio permanece siempre en el rotor.

El equilibrado de rotores trata de conseguir la reducción del desequilibrio, en el menor tiempo posible, hasta los valores permisibles del desequilibrio permanente. La Relación de la Reducción del Desequilibrio (RRD) es:

𝑅𝑅𝐷 = 100𝑈1− 𝑈2

𝑈₁ = 100 ∙ 1 −

𝑈₂ 𝑈₁ %

donde U1 es el desequilibrio inicial y U2 es el desequilibrio permanente después del equilibrado.

La reducción en el desequilibrio o RRD, se refiere siempre a un plano de equilibrado. A mayor eficiencia en el equilibrado, mayor RRD. En los casos favorables se pueden alcanzar valores superiores al 90%.

El desequilibrio residual admisible para rotores rígidos está establecido por la norma ISO 1940 (Calidad de Equilibrado de Rotores Rígidos), para rotores flexibles se aplica la norma ISO 5343 (conjuntamente con ISO 1940 e ISO 5406) y para rotores acoplados entre sí, con velocidad crítica diferentes en cada caso, hay que aplicarles las normas a cada uno por separado.

4.3.4. Máquinas de Equilibrado

La máquina para equilibrar debe indicar, en primer lugar, si una pieza está equilibrada. En caso de no estarlo, la máquina debe medir el desequilibrio, indicando su magnitud y ubicación.

La clasificación más común que se realiza de los distintos tipos de máquinas de equilibrado es:

- Máquinas de equilibrado estático. - Máquinas de equilibrado dinámico.

Las máquinas para equilibrado estático se utilizan sólo para piezas cuyas dimensiones axiales son pequeñas (disco delgado), como por ejemplo: engranes, poleas, ruedas, levas, ventiladores, volantes e impulsores. Reciben también el nombre de máquinas de equilibrado en un solo plano. Si se deben montar varias ruedas sobre un eje que va a girar, las piezas deberán equilibrarse estáticamente de forma individual antes de montarlas.

52 El equilibrado estático es en esencia un proceso de pesado en el que se aplica a la pieza una fuerza de gravedad o una fuerza centrífuga. En el conjunto disco-eje, la localización del desequilibrio se encuentra con la ayuda de la fuerza de gravedad. Otro método sería hacer girar al disco a una velocidad predeterminada, pudiéndose medir las reacciones en los cojinetes y luego utilizar sus magnitudes para indicar la magnitud del desequilibrio. Como la pieza está girando cuando se realizan las mediciones, se usa un estroboscopio para indicar la ubicación de la corrección requerida.

Para grandes cantidades de piezas, se puede utilizar un sistema de péndulo; el que proporciona tanto la magnitud como la ubicación del desequilibrio y en el que no es necesario hacer girar la pieza. La dirección de la inclinación da la ubicación del desequilibrio y el ángulo θ indica la magnitud.

En cuanto a las máquinas de equilibrado dinámico, pueden señalarse tres métodos de uso general en la determinación de las correcciones en dos planos que son: bastidor basculante, punto nodal y compensación mecánica.

También se puede equilibrar una máquina “in situ”, equilibrando un solo plano cada vez. En tal caso, sin embargo, los efectos cruzados y la interferencia de los planos de corrección a menudo requieren que se equilibre cada extremo del rotor dos o tres veces para alcanzar resultados satisfactorios. Además, algunas máquinas pueden llegar a necesitar hasta una hora para alcanzar su velocidad de régimen, y esto introduce más demoras en el procedimiento de equilibrado.

Por otra parte, el equilibrado “in situ” es necesario para rotores muy grandes para los que las máquinas de equilibrado no resulten prácticas. Incluso, aun cuando los rotores de alta velocidad se equilibren en el taller durante su fabricación, con frecuencia resulta necesario volverlos a equilibrar “in situ” debido a ligeras deformaciones producidas por el transporte, por fluencia o por altas temperaturas de operación.