AXILINECómo elegir el grado de precisión de equilibrado: G6.3, G2.5 y todo lo demás
En la solicitud pone «equilibrar según G2.5» y nada más: ni masa del rotor, ni radio de montaje de las pesas, ni velocidad de giro. Sin estos números, el grado no se convierte ni en gramos ni en un criterio de aceptación. Explicamos qué hay detrás de la letra G, cómo se obtiene la tolerancia en g·mm a partir del grado y por qué endurecer el grado «por si acaso» sale más caro de lo que parece.
Qué es el grado G y qué no regula
El grado de calidad de equilibrado G lo define la norma ISO 21940-11 (antes de su revisión, esta parte se llamaba ISO 1940-1). El número que aparece en la designación del grado es igual al producto del desequilibrio residual específico admisible por la velocidad angular, y tiene la dimensión de mm/s. La notación G6.3 se lee así: e_per (el desequilibrio residual específico admisible) multiplicado por ω (la velocidad angular de rotación) da 6,3 mm/s.
El desequilibrio residual específico es el desequilibrio total dividido entre la masa del rotor, en g·mm/kg. Esta magnitud tiene un sentido intuitivo: equivale numéricamente al desplazamiento del centro de masas del rotor respecto al eje de rotación, en micrómetros. 40 g·mm/kg son 40 µm de excentricidad, cuatro centésimas de milímetro. El grosor de una hoja de papel es aproximadamente el doble.
Ahora, sobre la confusión principal. La dimensión mm/s en la designación del grado no tiene relación con la velocidad de vibración que se lee en un sensor colocado en el apoyo del rodamiento. G6.3 no significa 6,3 mm/s en la carcasa, y la zona A según las normas de nivel global de vibración no confirma el grado G6.3. Son dos criterios independientes, con unidades distintas y puntos de control distintos. Los analizamos junto con un tercero, la 1x residual objetivo (la vibración a la frecuencia de giro del rotor) en el software del instrumento, en un artículo aparte sobre las tres tolerancias en el equilibrado.
La serie de grados avanza con un paso de aproximadamente 2,5 veces: G0.4, G1, G2.5, G6.3, G16, G40, G100, G250, G630, G1600, G4000. Los grados superiores están pensados para sistemas lentos y rígidamente fijados, los inferiores para rotores de precisión. En la práctica del trabajo en campo, casi todo se mueve en el rango G16…G1.
Fuentes: ISO 21940-11:2016
Por qué el grado tiene dimensión de velocidad
La lógica de la norma es sencilla y explica por qué no se puede fijar una única excentricidad para todas las máquinas. La fuerza centrífuga generada por una masa desequilibrada crece en proporción al cuadrado de la velocidad angular. Un rotor con el centro de masas desplazado 40 µm a 1500 rpm carga los rodamientos cuatro veces menos que ese mismo rotor a 3000 rpm. El mismo desequilibrio residual es inofensivo en una máquina lenta y destructivo en una máquina rápida.
Por eso la norma no regula la excentricidad en sí, sino el producto de e_per por ω. Físicamente, esto es la velocidad lineal del punto del centro de masas que gira alrededor del eje con un radio e_per. De ahí los mm/s en la designación del grado.
Notará la consecuencia práctica en cuanto empiece a calcular gramos. Un grado es una curva, no un único número. Al duplicar la velocidad de giro, la masa admisible cae a la mitad. Un rotor que a 750 rpm cumple G6.3 con 32 gramos de resto, a 3000 rpm debe quedar dentro de 8 gramos.
| Velocidad, rpm | ω, rad/s | Excentricidad admisible, µm | Tolerancia U_per, g·mm | Lo mismo en gramos a un radio de 250 mm |
|---|---|---|---|---|
| 750 | 78 | 80 | 8000 | 32 |
| 1000 | 105 | 60 | 6000 | 24 |
| 1500 | 157 | 40 | 4000 | 16 |
| 3000 | 314 | 20 | 2000 | 8 |
| 6000 | 628 | 10 | 1000 | 4 |
La tabla está calculada para el grado G6.3 y un rotor de 100 kg de masa, con las cifras redondeadas para mayor comodidad. Muestra la relación, no sustituye al cálculo: compruebe para cada máquina concreta la parte y edición aplicable de la norma, así como el criterio de reparto de la tolerancia entre planos.
Fuentes: ISO 21940-11:2016
Cómo obtener gramos a partir del grado: la lógica del cálculo
Para que el grado se convierta en un criterio de aceptación, hacen falta cuatro números. Sin cualquiera de ellos, hablar de G2.5 se queda solo en palabras.
- 01
Reúna los datos de partida
La masa del rotor M en kilogramos (concretamente la de la parte giratoria, no la de toda la máquina), la velocidad de giro n en rpm, el grado G y el radio real de montaje de las pesas r en milímetros para cada plano de corrección (la sección del rotor donde se colocan las pesas correctoras). Tome la masa de la placa de características o péselo, y mida el radio con una cinta métrica in situ, no lo estime a ojo.
- 02
Convierta la velocidad de giro en velocidad angular
ω = 2π·n/60 rad/s. A 1500 rpm son aproximadamente 157 rad/s, a 3000 unos 314, a 1450 unos 152. Fácil de recordar: divida la velocidad de giro entre 9,55.
- 03
Calcule la tolerancia específica
e_per = G/ω. Para G6.3 a 157 rad/s sale 0,040 mm, es decir, 40 µm, es decir, 40 g·mm/kg. Es el desplazamiento admisible del centro de masas del rotor respecto al eje de rotación después del equilibrado.
- 04
Pase a la tolerancia total
U_per = e_per·M, o en una forma más cómoda, U_per = 1000·G·M/ω en g·mm. Para un rotor de 100 kg a 1500 rpm con G6.3, sale alrededor de 4000 g·mm para todo el rotor.
- 05
Conviértalo en gramos a su propio radio
m = U_per/r. A un radio de 250 mm son 16 g, a un radio de 500 mm solo 8 g. Cuanto más lejos del eje coloque las pesas, menos gramos corresponden a la misma tolerancia. Por eso el radio no se puede anotar al azar.
- 06
Reparta la tolerancia entre los planos
Para un rotor simétrico entre apoyos, la tolerancia total normalmente se reparte a partes iguales: 2000 g·mm y unos 8 g por plano. Para un rotor en voladizo o asimétrico, el reparto se calcula teniendo en cuenta la posición del centro de masas y las distancias a los apoyos, y ahí ya no se puede dividir por dos sin más.
Las cifras de los ejemplos están redondeadas para que se vea la lógica. Las fórmulas son válidas para un rotor en estado rígido. Tome el cálculo exacto, la asignación del grado según el tipo de máquina y la regla de reparto de la tolerancia entre planos de la edición aplicable de la norma ISO 21940-11 y de la documentación del rotor concreto.
Fuentes: ISO 21940-11:2016
Referencias: qué grado corresponde a cada máquina
La norma da recomendaciones por tipo de máquina, y en el trabajo de campo se resumen en una lista corta. Las cifras de las dos últimas columnas están calculadas para el mismo rotor de 100 kg a 1500 rpm con un radio de corrección de 250 mm, para que se vea en gramos el coste de endurecer el grado.
Por qué G6.3 es el punto de referencia de trabajo
Un ventilador, una bomba, un impulsor y un motor eléctrico estándar de 1000…3000 rpm caen justo aquí. Una tolerancia de 16 gramos a un radio de 250 mm se cubre en la práctica con dos arranques de prueba y un paso de ajuste fino (trim), y la construcción de la máquina no exige más que eso. Si la documentación no indica el grado, esta es una hipótesis de partida razonable que conviene acordar con el cliente antes de la visita.
Cuándo basta con G16
Accionamientos lentos y toscos, con holguras, transmisión por correa y un bastidor flexible. Endurecer el grado ahí no tiene sentido: el desequilibrio residual deja de ser la principal fuente de vibración mucho antes de llegar al límite de G6.3.
Cuándo hace falta G2.5 o más fino
Velocidades altas, rodamientos con poca holgura, exigencias de calidad de mecanizado o de vida útil. Un husillo de rectificadora nota la diferencia entre G2.5 y G1.0 en la calidad superficial de la pieza. Un ventilador de cubierta no la notará en absoluto.
| Grado | Aplicación típica | Tolerancia U_per, g·mm | Gramos a un radio de 250 mm |
|---|---|---|---|
| G16 | Ejes cardán, trituradoras, desbrozadoras forestales, tornillos sinfín, maquinaria agrícola, accionamientos toscos con requisitos poco exigentes | 10 200 | 41 |
| G6.3 | Ventiladores, extractores de humos, rodetes de bombas, impulsores, poleas, tambores, motores eléctricos de uso general. Elección básica para la mayoría de los trabajos en campo | 4000 | 16 |
| G2.5 | Turbinas y compresores de gama media, accionamientos de máquinas-herramienta, bombas de alta velocidad, motores eléctricos de aplicación especial | 1600 | 6,4 |
| G1 | Husillos de máquinas-herramienta, muelas abrasivas, accionamientos de alta precisión | 640 | 2,6 |
| G0.4 | Husillos de rectificado de precisión, giroscopios, rotores especiales | 255 | 1,0 |
La tabla es una referencia orientativa de trabajo, no un extracto de la norma. Antes de la recepción contractual, consulte la edición aplicable de la norma ISO 21940-11 y compruebe el grado para su tipo de rotor: la norma desglosa esto con más detalle, y para algunos tipos de máquina existen recomendaciones específicas.
Fuentes: ISO 21940-11:2016
Cinco preguntas que deciden la elección del grado
La quinta pregunta descarta más requisitos irreales que las cuatro primeras juntas. Vamos a analizarla aparte, porque es justo aquí donde se derrumba la idea de «pidamos un grado más fino, por si acaso».
- ¿Hay un requisito en la documentación de la máquina, en su placa de características o en el contrato? Si lo hay, la elección ya está hecha por usted. Su tarea es otra: comprobar que el requisito es físicamente alcanzable en esa máquina con su método de corrección, y decirlo antes de empezar los trabajos, no después.
- ¿Qué tipo de máquina es y en qué sistema está integrada? Un ventilador sobre un bastidor de acero en la cubierta y un husillo de rectificadora no pueden tener el mismo grado, aunque las masas de los rotores coincidan. Fíjese en la función del conjunto y en quién sufre la vibración: los rodamientos, la cimentación, la calidad del producto o las personas cercanas.
- ¿Cuál es la velocidad de trabajo y tiene la máquina un único régimen? El mismo grado a 3000 rpm da una tolerancia dos veces menor que a 1500. Si la máquina funciona con un variador de frecuencia en un rango de velocidades, calcule la tolerancia para la velocidad de trabajo máxima y déjelo anotado en el informe.
- ¿El rotor es rígido o flexible? La norma ISO 21940-11 está escrita para rotores en estado rígido. Si la velocidad de trabajo está cerca de la primera frecuencia crítica del rotor (la velocidad a la que el eje empieza a flexionarse de forma apreciable) o por encima de ella, el rotor se deforma en marcha, el desequilibrio se redistribuye a lo largo de su longitud, y el grado G deja de describir su comportamiento. Un caso así se evalúa con otros documentos, y se equilibra mediante un esquema modal, es decir, teniendo en cuenta las formas de flexión del eje.
- ¿Con qué y dónde va a colocar las pesas? El radio, el número de posiciones disponibles, la masa mínima de una arandela o de un punto de soldadura, la posibilidad de taladrar. Si la tolerancia calculada resulta menor que su resolución en masa, el grado elegido no es realista, y ningún número de arranques lo va a arreglar.
El número de planos de corrección no tiene que ver con la elección del grado: es una decisión aparte, basada en la relación L/D (longitud del rotor entre diámetro) y la velocidad de giro, y sobre eso tenemos otro artículo. Pero el número de planos sí influye directamente en el reparto de la tolerancia.
Por qué no conviene pedir G1.0 «por si acaso»
El orden honesto de trabajo es este. Fije el grado que corresponde a la máquina, normalmente G6.3 para ventiladores, bombas y motores eléctricos de uso general. Llegue hasta él, mire el espectro (el desglose de la vibración por frecuencias) y compare la vibración total con la componente de giro 1x. Si la 1x sigue dominando y al cliente no le basta, endurezca el grado de forma consciente: para entonces ya sabe cuántos arranques cuesta y si su resolución en masa da para tanto. Pero si en la vibración total predomina algo distinto de la 1x, endurecer el grado no va a servir de nada, y ahí empieza el diagnóstico de vibraciones, no el equilibrado. Los casos en los que el equilibrado no ayuda en absoluto los hemos tratado aparte.
La discretización de la corrección se come la tolerancia
Tomemos un ventilador con seis posiciones fijas de montaje, radio 250 mm. Una pesa de 16 g es exactamente la tolerancia G6.3 de la tabla anterior. Mueva esa pesa una posición, es decir, 60°, y el vector de desequilibrio cambiará en 2·16·sin30° = 16 g, o sea, los 4000 g·mm completos. La propia rejilla de posiciones introduce un error del tamaño de toda la tolerancia G6.3. Para G1.0 la tolerancia es de 640 g·mm, y en posiciones fijas sencillamente no hay con qué acertar: hace falta una llanta libre, un ajuste fino de la masa y taladrado.
Cada paso de trim es una parada de la máquina
El instrumento calcula la pesa adicional en segundos, pero usted gasta una hora: parar la unidad, esperar a que se detenga por inercia, abrir la carcasa, llegar hasta el plano de corrección, pesar y fijar la pesa, cerrar, volver a arrancar, tomar la medida. Pasar de G6.3 a G1.0 normalmente no significa un solo ciclo de estos, sino tres o cuatro, y todos con la producción en marcha.
El error de medición se vuelve comparable a la tolerancia
El instrumento no mide directamente el desequilibrio residual alcanzado. Lo calcula a partir de la componente de giro residual y de los coeficientes de influencia (la respuesta de la máquina a una pesa de prueba) obtenidos en los arranques de prueba. Cuando la 1x residual baja hasta el nivel del ruido y de la dispersión entre arranques, el resultado deja de ser repetible. Ya no persigue el desequilibrio, sino su propio error de medición.
Las demás fuentes de vibración no han desaparecido
La desalineación de ejes, las fijaciones flojas y la pata floja, el desgaste de los rodamientos, el descentramiento del ajuste, la irregularidad aerodinámica a la salida del rodete, la cercanía a la resonancia. Ninguna de estas causas depende de si ha llegado a G2.5 o a G1.0. En una máquina real, la ganancia de un endurecimiento innecesario se disuelve por completo en ellas.
Cómo el grado se convierte en un número en la pantalla del instrumento
En el software del Balanset-1A, la tolerancia del desequilibrio residual vive en el campo «Balancing tolerance» y se expresa en g·mm. Se puede introducir a mano si ya le han calculado el número, o bien abrir una ventana de cálculo aparte y obtener la tolerancia según el método de la ISO 1940-1, es decir, según la ISO 21940-11 actualmente vigente. Usted indica el grado y los datos de partida, y el software devuelve el valor en g·mm.
El segundo campo del que depende todo el cálculo es «Mass mount radius» para cada plano. El software usa el radio para recalcular el desequilibrio inicial y residual a partir de la vibración medida y de las pesas, y para comprobar si se está dentro de tolerancia. Un error del 20 % en el radio desplaza la tolerancia en gramos ese mismo 20 %.
Después del arranque de control, el software muestra el desequilibrio residual alcanzado junto a la tolerancia establecida. Ese par de números es el que pasa al informe desde el archivo: el U_per calculado y el resto real. Por separado, el archivo guarda una segunda tolerancia independiente en mm/s de vibración. No las confunda: el primer campo trata sobre el rotor, el segundo sobre cómo vibra la máquina.
- Introduzca la masa real de la parte giratoria, no la masa de toda la máquina con el motor y el bastidor.
- Mida e introduzca el radio real de montaje de las pesas en cada plano antes de calcular la tolerancia.
- Indique la velocidad a la que realmente trabaja la máquina, y en un accionamiento regulable, la velocidad de trabajo máxima.
- Compruebe cómo se reparte la tolerancia total entre los planos, especialmente en un rotor en voladizo.
- Introduzca la masa de la pesa de prueba en gramos, no en porcentaje, si tiene previsto equilibrar después esta máquina con los coeficientes de influencia guardados.
- Guarde el archivo: le da un informe con ambas tolerancias y con el diagrama polar, no solo la cifra de «dentro de tolerancia».
Fuentes: ISO 21940-11:2016 · Manual de operación Balanset-1A
Qué incluir en el contrato y en el informe
La frase «equilibrar según G2.5» no es un requisito técnico. No se puede verificar ni se puede impugnar. Para que el grado se convierta en un criterio de aceptación, el contrato necesita todos los números que lo convierten en gramos, y un método de verificación.
- El grado G y la norma, indicando la parte y el año de la edición.
- La masa del rotor tomada en el cálculo, y qué incluye exactamente: solo el rodete, el rodete con el eje, o el rotor completo.
- La velocidad de trabajo para la que se calcula la tolerancia, y el comportamiento con un accionamiento regulable.
- El radio real de montaje de las pesas correctoras en cada plano de corrección.
- El desequilibrio residual admisible calculado en g·mm y la regla de su reparto entre planos.
- El método de verificación: el cálculo del desequilibrio residual a partir de la 1x residual y los coeficientes de influencia in situ, en los apoyos propios de la máquina. Esto no es lo mismo que comprobar el rotor en una máquina equilibradora de banco, y no se debe sustituir uno por otro.
- En una línea aparte, el criterio de vibración total con referencia a la parte aplicable de la ISO 20816, con los puntos y direcciones de medición, la banda de frecuencias y el régimen de la máquina. Es un segundo requisito, independiente, y no se deduce del grado G.
- Qué hacen las partes si se alcanza el grado y la vibración total sigue por encima de lo normal. Normalmente es una fase aparte: diagnóstico y reparación mecánica, alineación de ejes, sujeciones, apoyos.
No existe una conversión directa del grado G a mm/s en el apoyo del rodamiento. Un mismo desequilibrio residual sobre una cimentación masiva y sobre un bastidor de acero flexible dará una vibración de carcasa distinta, porque en ella intervienen la masa y la rigidez de los apoyos, el amortiguamiento y la cercanía a la resonancia. Por eso los dos criterios se comprueban por separado y ambos se incluyen en el informe.
Fuentes: ISO 21940-11:2016 · ISO 20816-1:2016
En qué puede ayudar AXILINE
Elegir el grado es la mitad del trabajo, y suele ser la mitad más discutida. La hacemos junto con el cliente antes de la visita: miramos el tipo de máquina, la velocidad, la masa del rotor y dónde se puede colocar físicamente la pesa, calculamos la tolerancia en g·mm y en gramos, y decimos con claridad si es alcanzable en esa máquina o no. Si el requisito de la especificación técnica es irreal para la resolución de corrección disponible, usted lo sabe con antelación, no al final del turno.
Después vamos a la máquina, montamos sensores en los apoyos de los rodamientos, separamos la componente de giro de la vibración total y miramos el espectro. Si el desequilibrio realmente domina, equilibramos el rotor en sus propios apoyos, en uno o dos planos, y entregamos un informe donde la tolerancia calculada y el desequilibrio residual alcanzado figuran uno junto al otro, con el criterio de vibración total en una línea aparte. Si el desequilibrio no es la causa principal, usted recibe un diagnóstico de vibraciones que indica qué reparar antes de equilibrar.
Los trabajos los realizan ingenieros que diseñan y fabrican los instrumentos Balanset y que ellos mismos equilibran con ellos en campo. Si quiere calcular tolerancias por grados G y llevar sus propios informes, puede comprar el Balanset-1A: dos sensores de vibración, un sensor de fase láser, un módulo USB de dos canales y un software para Windows con cálculo de tolerancia, archivo y diagrama polar. El soporte de consultoría sigue estando de nuestra parte.
Escríbanos el tipo de máquina, la velocidad, la masa del rotor y el grado que le exigen. Normalmente es suficiente para decirle cuántos gramos de resto le están permitidos y si es realista alcanzarlos.
Fuentes: Especificaciones del fabricante Balanset-1A
Preguntas frecuentes
¿G6.3 o G2.5 para un ventilador a 1500 rpm?
Para el rodete de un ventilador de uso general, la elección básica es G6.3. Con una masa de rodete de 100 kg y un radio de montaje de las pesas de 250 mm, da alrededor de 4000 g·mm para todo el rotor, es decir, unos 16 g de masa residual desequilibrada, repartidos a partes iguales entre los planos en un rotor simétrico entre apoyos. El G2.5 en el mismo rotor endurece la tolerancia hasta 1600 g·mm, unos 6,4 g, y exigirá pasos de trim adicionales. Vale la pena optar por G2.5 si así consta en la documentación de la máquina, si la velocidad supera las 3000 rpm, o si el ventilador está en un sistema sensible a la vibración.
La documentación de la máquina no indica el grado de equilibrado. ¿Qué elegir?
Base la elección en el tipo de componente y en la velocidad, y acuérdela por escrito con el cliente antes de empezar los trabajos. Para ventiladores, extractores de humos, bombas, impulsores, poleas y motores eléctricos de uso general, use G6.3. Para accionamientos lentos y toscos, trituradoras y maquinaria agrícola, basta con G16. Para accionamientos de máquinas-herramienta y compresores de alta velocidad, oriéntese hacia G2.5. Después compruebe que la tolerancia calculada en gramos es mayor que su resolución en masa: la masa mínima de la arandela y el paso de las posiciones fijas.
¿Por qué, con el mismo grado, la tolerancia a 3000 rpm es la mitad que a 1500?
Porque el grado regula el producto de la excentricidad admisible por la velocidad angular, no la excentricidad en sí. Al duplicar la velocidad, ω se duplica también, y e_per = G/ω cae a la mitad. La física detrás de esto: la fuerza centrífuga crece como el cuadrado de la velocidad, así que una máquina rápida recibe, por el mismo desequilibrio residual, una carga sobre los rodamientos cuatro veces mayor. Si la máquina funciona con un variador de frecuencia, calcule la tolerancia para la velocidad de trabajo máxima e indíquelo en el informe.
¿Cómo influye el radio de montaje de las pesas en la tolerancia?
La tolerancia en g·mm no depende del radio, pero la tolerancia en gramos depende de él de forma directa e inversamente proporcional. Una tolerancia de 4000 g·mm a un radio de 250 mm son 16 g; a un radio de 500 mm, solo 8 g; a un radio de 100 mm, nada menos que 40 g. De aquí se sacan dos conclusiones prácticas. La primera: el radio hay que medirlo in situ e introducir el valor real, o todo el cálculo de la tolerancia y del desequilibrio residual se desvía. La segunda: cuanto más lejos del eje pueda colocar la pesa, con menos masa cubre el mismo desequilibrio, y más precisa sale la corrección.
El cliente exige G1.0 para un ventilador normal. ¿Qué responder?
Muéstrele los números. Con una masa de rodete de 100 kg, 1500 rpm y un radio de 250 mm, G1.0 da 640 g·mm, es decir, 2,6 g de resto. En un rodete con seis posiciones fijas, mover la pesa una posición cambia el vector de desequilibrio en unos 4000 g·mm, seis veces toda la tolerancia. Eso significa que el requisito solo se puede cumplir en una llanta libre con un ajuste fino de la masa, a costa de varias paradas adicionales de la máquina, y el resultado alcanzado será comparable al error de medición. Añada que la vibración de la carcasa apenas cambiará, porque en ella intervienen la desalineación, las sujeciones y los rodamientos. Normalmente, después de una conversación así, el requisito pasa a ser G6.3 más un criterio aparte de vibración total.
¿Se puede predecir con el grado G cuántos mm/s habrá en el apoyo del rodamiento?
No, no existe una conversión directa. El grado G describe el estado del rotor, mientras que la vibración de la carcasa depende además de la masa y la rigidez de los apoyos, el tipo de cimentación, el estado de las sujeciones, el amortiguamiento y la cercanía de la velocidad de trabajo a la resonancia. Un mismo desequilibrio residual sobre una cimentación de hormigón y sobre un bastidor de acero flexible dará mm/s distintos. Por eso en el contrato se escriben dos criterios independientes: el desequilibrio residual en g·mm según el grado G, y la velocidad de vibración total en mm/s RMS en la banda de 10–1000 Hz según la parte aplicable de la ISO 20816, con indicación de los puntos de medición y del régimen de la máquina.
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