Principales causas y peligros de la desalineación de los ejes

La desalineación de ejes se considera la segunda fuente de vibración más frecuente, después del desequilibrio, y se produce debido a una mala alineación entre las piezas correspondientes, como mitades de acoplamiento, ejes, poleas, etc.

De forma más técnica, la desalineación de ejes y acoplamientos puede definirse como la condición en la que la línea central geométrica de dos ejes acoplados no coincide a lo largo del eje de rotación.

Estas desviaciones pueden presentarse de tres diferentes maneras:

• Desalineación paralela o radial;
• Desalineación angular o axial;
• Desalineación combinada.

Si, por un lado, la desalineación paralela o radial se produce cuando las líneas centrales de los ejes son paralelamente alejadas. Por otro, en el caso de las desalineaciones angulares o axiales, esta desviación se observa por el ángulo formado entre las líneas centrales en un plano en el espacio.

Ya la desalineación combinada, que es la situación más común, se produce precisamente cuando hay desviaciones paralelas y angulares en el mismo conjunto de líneas centrales.

Por lo general, en el caso de la alineación de ejes, se pueden utilizar acoplamientos rígidos y flexibles.

Pese a que los acoplamientos flexibles sean preferibles, una vez que compensan parte de la desalineación, existen estándares generalmente aceptados para la desalineación de los ejes con diversos tipos de acoplamientos, por lo que es sumamente importante que las líneas de los ejes estén lo más alineadas posible.

LA ALINEACIÓN DE EJES Y SU IMPORTANCIA

Según una encuesta realizada con los participantes (en su mayoría profesionales del mantenimiento y la fiabilidad) de la Conferencia Internacional de Mantenimiento (International Maintenance Conference) IMC-2012 sobre las fallas más recurrentes en la maquinaria, la desalineación se destaca en primer lugar o -dentro del margen de incertidumbre de la encuesta- entre los 3 primeros.

Fallas en las Máquinas

Mientras tanto, algunos estudios señalan que las paradas de máquinas en las industrias brasileñas decurrentes de problemas relacionados con una alineación inadecuada de los ejes alcanzan más del 50%.

Además, se cree que el 90% de las máquinas funcionan fuera de las tolerancias de alineación recomendadas, lo que puede generar una serie de problemas con el rendimiento de las máquinas, el costo y la degradación de otros componentes.

PROBLEMAS CAUSADOS POR LA DESALINEACIÓN

• En cuanto al rendimiento:

En condiciones de desalineación, el aumento de la temperatura, el ruido y las vibraciones disipan parte de la energía que debería convertirse en trabajo, lo que conlleva una reducción directa de la eficiencia de la máquina desalineada.

• En cuanto al costo:

Producir esa energía disipada supone un costo, que impacta directamente en la energía consumida por un motor eléctrico, por ejemplo.

Durante su puesta en marcha, el motor eléctrico consume más energía (debido a la salida desde su estado de inercia) y la desalineación dificulta su entrada en régimen de operación, lo que aumenta el consumo de corriente y genera problemas en el dimensionamiento de los dispositivos de protección.

Además, el motor empieza a consumir más energía para realizar su trabajo, generando, así, un costo mayor en la factura de energía eléctrica. Una alineación correcta puede reducir el consumo de energía hasta un 15% – o incluso más.

El consumo de energía de un motor eléctrico trifásico de CA viene dado por:

Por ejemplo, para un motor de 25 HP, en funcionamiento durante 350 días/año (lo que representa 8400 h), en las condiciones: voltios = 380 V, (eficiencia) efi = 90% y (factor de potencia) PF = 0,9, con un consumo de corriente antes de la alineación de 36 A y, después de la alineación, de 32 A. Debido a la desalineación, hay un consumo de 2,13 kW.

Suponiendo que el precio del kWh es de R$ 0,10, el ahorro anual generado por la corrección de esta desalineación es de R$ 1.790,00.

• En cuanto a la degradación de otros componentes:

Lamentablemente, los costos no sólo se limitan al consumo de energía, puesto que la degradación de otros componentes, generada por la desalineación, puede provocar un reemplazo prematuro de componentes como:

• Rodamientos: elemento de la máquina que más se ve afectado por la desalineación de un eje, que recibe un esfuerzo muy superior a aquel para el que está diseñado. Además de la aparición de cargas axiales que dañan, por ejemplo, los rodamientos de bolas, que normalmente no están diseñados para recibir cargas axiales.
• Sellados: los elementos de sellado no logran el contacto ideal con el eje, provocando fugas y contaminación. Esto produce un desgaste excesivo a una determinada parte del elemento de sellado, lo que hace que deje de cumplir con su función. Se ha observado que un eje desalineado puede provocar una reducción de hasta un 70% de la vida útil de un retenedor, por ejemplo.
• Acoplamientos: la desalineación puede causar el sobrecalentamiento de los acoplamientos, lo que provoca el secado de las piezas de goma (utilizadas comúnmente en estos elementos).

En la siguiente figura se muestran algunos de los componentes que más se averían debido a la desalineación de las máquinas.

SÍNTOMAS TÍPICOS DE DESALINEACIÓN

• Fallo prematuro del rodamiento, el sellado, el eje o el acoplamiento;
• Vibraciones radiales y axiales excesivas;
• Alta temperatura del bastidor cerca de los rodamientos o alta temperatura del aceite de descarga;
• Cantidad excesiva de fugas de aceite en los sellados de los cojinetes;
• Pernos de fundación flojos (“falso apoyo”).

FUENTE DE LA DESALINEACIÓN

La causa de una desalineación no siempre es obvia. El análisis de vibraciones puede revelar un problema de desalineación, pero no necesariamente identificar la razón.

La captura de datos de alineación antes de retirar o desmontar el equipo, incluso cuando el mantenimiento se realiza por razones ajenas a la alineación, puede, con el tiempo, revelar causas ocultas de desalineación.

Verificar y registrar periódicamente las condiciones de alineación genera información útil sobre las condiciones corregibles que, si se solucionan, reducirán los fallos, aumentarán la productividad y ahorrarán dinero.

Algunos expertos también señalan otros factores (con informes reales), como problemas de las fundaciones (es decir, en la interfaz entre los soportes de la máquina y la base o fundación “flexible”) así como problemas climáticos.

VIBRACIÓN Y TEMPERATURA DEBIDAS A LA DESALINEACIÓN

Por lo general, se opta por medir en los cojinetes próximos al acoplamiento y en sentido radial y axial. La vibración causada por la desalineación presenta los siguientes síntomas:

• Análisis Continuo: la velocidad RMS (0-1 kHz) tiende a aumentar mucho bruscamente, siendo un primer indicio de este tipo de falla.
• Espectro: se espera ver un pico alto de 1X en la dirección axial debido a la desalineación angular (gap) y picos altos de 1X, 2X, 3X e incluso 4X y 5X en la dirección radial debido a la desalineación paralela (offset). Normalmente, la velocidad es la mejor magnitud para analizar la desalineación.

Los picos pueden ser más altos verticalmente en un extremo del componente (por ejemplo, el motor), pero más altos horizontalmente en el otro extremo del mismo componente.

• Forma de onda: la forma de onda será una combinación de 1X, 2X y, posiblemente, otras fuentes, por lo que puede incluir una “oscilación” o adoptar la forma de una “M” o una “W”.
• Fase: los componentes (por ejemplo, el motor y la bomba) estarán desfasados axialmente debido a una desalineación angular. Al comparar las lecturas de fase vertical y horizontal, pueden estar en fase o desfasadas en 180°. Las lecturas de fase verticales tomadas en lados opuestos del acoplamiento (por ejemplo, el extremo motor del motor y el extremo motor de la bomba) estarán desfasadas.

La desalineación, incluso con acoplamientos flexibles, resulta en dos fuerzas -axial y radial- y, en consecuencia, en un aumento de la vibración en las direcciones axial y radial.

La vibración axial suele ser el mejor indicador de desalineación.

Por lo general, siempre que la amplitud de la vibración axial sea superior a la mitad de la mayor vibración radial (ya sea horizontal o vertical), debe sospecharse que la causa de la vibración es una desalineación.

Sin embargo, el efecto de la desalineación en la firma de vibración es complejo y la complicidad puede resumirse en las cuatro reglas generales:

1. Es imposible concluir que la causa del mal funcionamiento de la maquinaria en el mundo real se debe a la desalineación del eje simplemente observando un único espectro de vibraciones en condiciones de funcionamiento.
2. La gravedad de la desalineación no puede detectarse mediante el análisis de vibraciones. En otras palabras, no hay relación entre la cantidad de desalineación y el nivel/amplitud de vibración.
3. La firma de vibración de la maquinaria rotativa desalineada será diferente con diferentes diseños de acoplamiento, ya sean flexibles o rígidos.
4. Las características de las vibraciones desalineadas de los rotores de las máquinas apoyadas en cojinetes de deslizamiento suelen ser diferentes de las características de las vibraciones de los rotores de las máquinas apoyadas en cojinetes de tipo antifricción.

• Temperatura: el aumento de temperatura cerca del acoplamiento es notable, lo que depende del nivel de desalineación y del tipo de acoplamiento utilizado. En general, el perfil de temperatura a lo largo del eje acoplado adopta una forma de “W”, en la que se producen picos de temperatura en el acoplamiento y en los cojinetes.

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Desarrollado por:

Danilo Braga

Ingeniero de Vibraciones en Dynamox