El equilibrio de los cuerpos giratorios es importante para evitar vibraciones . En máquinas industriales pesadas como turbinas de gas y generadores eléctricos , la vibración puede provocar fallos catastróficos , además de ruidos y molestias. En el caso de una rueda estrecha, el equilibrio consiste simplemente en desplazar el centro de gravedad hacia el centro de rotación. Para que un sistema esté en completo equilibrio, tanto los polígonos de fuerza como de par deben estar próximos para evitar el efecto de la fuerza centrífuga. Es importante diseñar las piezas de la máquina de forma inteligente para que el desequilibrio se reduzca al mínimo posible o se elimine por completo.
El equilibrio estático se produce cuando el centro de gravedad de un objeto se encuentra en el eje de rotación . [1] Por lo tanto, el objeto puede permanecer estacionario, con el eje horizontal, sin la aplicación de ninguna fuerza de frenado. No tiene tendencia a girar debido a la fuerza de la gravedad. Esto se ve en las ruedas de bicicleta, donde la placa reflectante se coloca frente a la válvula para distribuir el centro de masas al centro de la rueda. Otros ejemplos son las muelas, los discos o las ruedas de los automóviles. Verificar el equilibrio estático requiere la libertad del objeto para girar con la menor fricción posible.
Este puede estar provisto de bordes afilados y endurecidos, ajustados para que sean horizontales y paralelos. Alternativamente, se sustituye cada borde de la cuchilla por un par de pistas de rodamientos de bolas de funcionamiento libre, lo que relaja el requisito horizontal y paralelo. El objeto es axialmente simétrico como una rueda o debe estar provisto de un eje. Se hace girar lentamente y, cuando se detiene, se detendrá en una posición aleatoria si está equilibrado estáticamente. Si no es así, se fija firmemente un peso adhesivo o con clip para lograr el equilibrio.
Un sistema de masas rotatorio está en equilibrio dinámico cuando la rotación no produce ninguna fuerza o par centrífugo resultante. El sistema gira sin necesidad de aplicar ninguna fuerza o par externo, salvo el necesario para soportar su peso. Si un sistema está inicialmente desequilibrado, para evitar la tensión sobre los cojinetes causada por el par centrífugo, se deben añadir pesos de contrapeso.
Esto se observa cuando una rueda de bicicleta tiene una llanta deformada. La rueda no gira a una posición preferida, pero debido a que parte de la masa de la llanta está desplazada, se produce un par de vibraciones que genera una vibración dinámica. Si los radios de esta rueda no se pueden ajustar para centrar la llanta, se utiliza un método alternativo para proporcionar un equilibrio dinámico. [2]
Para corregir el desequilibrio dinámico, hay tres requisitos: 1) un medio para girar el objeto 2) un marco que permita que el objeto vibre perpendicularmente a su eje de rotación 3) un medio para detectar el desequilibrio, detectando su desplazamiento vibratorio, su velocidad de vibración o (idealmente) su aceleración instantánea.
Si el objeto tiene forma de disco, se pueden colocar pesos cerca del borde para reducir la vibración detectada. Esto se denomina equilibrio dinámico en un plano. Si el objeto tiene forma de cilindro o de varilla, puede ser preferible ejecutar un equilibrio en dos planos, que mantiene estable el eje de giro de un extremo, mientras que se reduce la vibración del otro extremo. Luego, el extremo cercano queda libre para vibrar, mientras que el eje de giro del extremo lejano se mantiene fijo y la vibración se reduce nuevamente. En trabajos de precisión, esta medición en dos planos se puede repetir.
Antes, el equilibrio dinámico era competencia de equipos costosos, pero los usuarios que solo necesitan ocasionalmente atenuar las vibraciones durante el funcionamiento pueden utilizar los acelerómetros integrados de un teléfono inteligente y una aplicación de análisis de espectro. Véase la referencia 3, por ejemplo. Un método menos tedioso para lograr el equilibrio dinámico requiere solo cuatro mediciones. 1) lectura de desequilibrio inicial 2) una lectura de desequilibrio con una masa de prueba colocada en un punto de referencia 3) la masa de prueba se movió 120 grados hacia adelante y se anotó nuevamente el desequilibrio. 4) la masa de prueba finalmente se movió 120 grados detrás del punto de referencia. Estas cuatro lecturas son suficientes para definir el tamaño y la posición de una masa final para lograr un buen equilibrio. Ref. 4
Para el equilibrado de la producción, se observa la fase de vibración dinámica con su amplitud. Esto permite lograr un equilibrado dinámico de una sola vez con un solo giro, añadiendo una masa de tamaño calculado internamente en una posición calculada. Este es el método que se utiliza habitualmente para equilibrar dinámicamente las ruedas de los automóviles con neumáticos instalados mediante "contrapesos de rueda" de plomo (o actualmente de zinc) con clip.
Cuando un sistema desequilibrado está girando, se generan fuerzas periódicas lineales y/o torsionales que son perpendiculares al eje de rotación. La naturaleza periódica de estas fuerzas se experimenta comúnmente como vibración. Estas fuerzas de vibración fuera del eje pueden exceder los límites de diseño de los elementos individuales de la máquina , reduciendo la vida útil de estas piezas. Por ejemplo, un rodamiento puede estar sujeto a fuerzas de torsión perpendiculares que no se producirían en un sistema nominalmente equilibrado, o las fuerzas lineales instantáneas pueden superar los límites del rodamiento. Estas fuerzas excesivas provocarán fallos en los rodamientos en breves períodos de tiempo. Los ejes con masas desequilibradas pueden doblarse por las fuerzas y experimentar fallos por fatiga .
En condiciones donde la velocidad de rotación es muy alta aunque la masa sea baja, como en las turbinas de gas o los motores a reacción, o en condiciones donde la velocidad de rotación es baja pero la masa es alta, como en las hélices de los barcos , se debe considerar altamente el equilibrio del sistema rotatorio, porque puede generar grandes vibraciones y provocar fallas en todo el sistema.
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