¿Qué es un motor vibrador de hormigón?

Motor vibrador de hormigón: tres arquitecturas, una ecuación de fuerza

Qué mueve realmente el motor de un vibrador de concreto

Lo único que hace un motor de vibrador es mantener girando una masa desequilibrada alrededor de un eje. La caja que sostiene los rodamientos reacciona, la reacción viaja al concreto y el mezclado se licúa mientras la energía siga llegando. Manguera, cabeza, soporte y mango son todo embalaje para esa única masa excéntrica rotativa. La consolidación en sí es la eliminación del aire atrapado, no del agua; un vibrador no desagua el mezclado, y tratar la exudación como un problema de vibración es uno de los errores más antiguos en obra ^[1].

“Motor de vibrador de concreto” se usa para tres máquinas distintas en el mismo vertido, y no son intercambiables. Cada una coloca el motor en un sitio diferente, lo que cambia la carga de rodamiento, la ruta de enfriamiento, el voltaje y el modo de fallo. Separarlas primero ahorra una discusión después.

Vibrador de eje flexible: el motor se queda en el suelo

Una unidad de potencia con un motor de inducción de 1 a 3 kW mueve un núcleo flexible dentro de una manguera de caucho. El núcleo hace girar un excéntrico dentro de la cabeza, así la cabeza oscila mientras el motor descansa en un bastidor o un trípode, lejos del concreto. La arquitectura separa el calor de la inmersión: el motor se enfría en el aire, la cabeza es lo bastante pequeña para entrar en el acero congestionado, y una unidad de potencia puede servir cabezas de distintos diámetros.

El costo es mecánico. Un núcleo de 3 a 6 m girando a alta velocidad dentro de una curva pierde energía por fricción, y la manguera es la pieza que falla primero cuando se dobla demasiado o se queda sin grasa. Cada hora de fricción del eje es una hora que la cabeza no recibe.

Vibrador de cabeza: el motor es la cabeza

En un vibrador de cabeza, el estator, el rotor y el excéntrico comparten un cilindro sellado de 38 a 65 mm de diámetro, y la manguera solo conduce energía trifásica estacionaria. Nada gira entre el operario y la cabeza, así que no hay sello de eje rotativo que desgastar, y la cabeza puede clasificarse para inmersión continua. El intercambio es térmico: todo el calor se genera dentro de un tubo sin ventilador, y el concreto es el único disipador.

Esta restricción fija tanto el voltaje como la frecuencia. Una máquina de 2 polos con una fuente de 200 Hz gira a 12.000 rpm, que es la banda de frecuencia a la que responde el concreto, y 42 V mantiene bajo el riesgo del lado del operario en una obra húmeda.

Vibrador externo o de encofrado: el motor se atornilla al encofrado

El vibrador se sujeta o atornilla al exterior del encofrado, y la pared del encofrado transmite la energía al concreto. Un motor de 2 polos a 3.000 rpm con 50 Hz o 3.600 rpm con 60 Hz mueve uno o dos contrapesos excéntricos en un eje pasante, con tapas en cada extremo. La fuerza va de unos 0,4 kN en una unidad monofásica pequeña a 100 kN en un bastidor de acero fundido que pesa más que el operario ^[8].

Nada entra en el concreto, así que la geometría del encofrado es libre. La debilidad está al otro lado de la pared: un encofrado flexible absorbe la energía que estaba destinada al mezclado, y un vibrador suficiente en un encofrado de acero rígido puede ser inútil en uno de aluminio ligero.

Frecuencia, amplitud y la ley cuadrática

Tres números describen a cada vibrador, y es fácil confundirlos. La frecuencia es la rapidez con que oscila la cabeza, en vibraciones por minuto o hercios. La amplitud es cuánto se desplaza desde su posición de reposo, en milímetros, y la convención no está normalizada. La fuerza centrífuga es la fuerza pico que genera el excéntrico, en newtons o kilonewtons, y es lo que mueve el concreto rígido.

La frecuencia depende directamente de la frecuencia de suministro y del número de polos, así que el mercado se agrupa en pocas velocidades. Para una máquina de inducción la velocidad síncrona es n = 120 f / p, donde f es la frecuencia de suministro en hercios y p el número de polos. Un motor de 2 polos da por tanto 3.000 rpm a 50 Hz, 3.600 rpm a 60 Hz y 12.000 rpm a 200 Hz. Esa última cifra es la razón por la que los vibradores de alta frecuencia se alimentan a 200 Hz, no a frecuencia de red.

Por qué la fuerza se compra con velocidad, no con masa

La fuerza centrífuga es F = m · e · ω², donde m es la masa del excéntrico en kg, e es su desplazamiento del eje en metros, y ω es la velocidad angular en rad/s, con ω = 2πn/60. El producto m · e es el momento estático, y es el número que cotiza un catálogo de vibradores. Duplicar la masa excéntrica duplica la fuerza. Duplicar la velocidad la cuadruplica. La velocidad es la variable barata y la peligrosa, porque el mismo cuadrado actúa sobre la carga de rodamiento y sobre la estructura del encofrado.

A 3.000 rpm, ω = 314 rad/s y ω² = 98.696 por segundo al cuadrado. Un momento estático de 0,05 kg·m produce por tanto 4.935 N, unos 4,9 kN, y un momento de 0,2 kg·m produce 19,7 kN. Quien cotice una cifra de fuerza debería poder mostrar esta aritmética; recalcúlala cuando una oferta parezca demasiado buena.

La amplitud se cotiza de tres formas distintas

La amplitud es el número menos fiable de una ficha de vibrador. Algunos catálogos dan el valor medio, otros el total, y algunos miden en aire mientras otros miden en concreto, donde el amortiguamiento reduce la cifra sustancialmente. Las dos convenciones difieren exactamente por un factor de dos, suficiente para que dos máquinas idénticas parezcan distar un 100%.

Aclare qué columna lee antes de comparar marcas. ACI 309R tabula la amplitud en aire para vibradores internos, de 0,4 mm en una cabeza de 20 a 40 mm hasta 2,0 mm en una de 125 a 175 mm, y esa es la convención a la que normalizar ^[1].

Las tres arquitecturas una al lado de otra

La mayoría de las cotizaciones omiten esta comparación. Léala por filas, no por columnas; lo que separa las arquitecturas es todo el patrón de números, no un solo valor.

Fíjese en las filas de potencia y servicio. La fila de potencia no es comparable entre columnas: los diseños de cabeza entregan 1,7 a 7,3 kN con 0,5 a 1,3 kW, mientras los bastidores externos entregan 0,4 a 100 kN con 0,04 a 10 kW. Normalizando ambos a kilonewtons por kilowatt se obtienen unos 3 a 6 kN/kW para una cabeza y unos 9 a 12 kN/kW para un vibrador de encofrado, un factor de dos a tres. Quien los compare por ese ratio está comparando máquinas equivocadas.

La fila de servicio es donde se ahorra y se pierde dinero. Un bastidor de 5 kN vendido con 0,55 kW y el mismo bastidor de 5 kN vendido con 0,34 kW no son el mismo producto. La versión de menor potencia es un diseño reducido o de tiempo corto, y se comportará en consecuencia en un encofrado vibrado durante ocho horas ^[4].

El diámetro de la cabeza fija frecuencia, amplitud y separación

El diámetro de la cabeza es la variable maestra para los vibradores internos, porque fija la frecuencia que la cabeza puede sostener, la amplitud que puede desarrollar, el radio de concreto que puede consolidar y la velocidad a la que puede colocar la cuadrilla. ACI 309R tabula las bandas prácticas, y el patrón es consistente: a mayor cabeza, menor frecuencia y mayor amplitud.

La columna de frecuencia también responde a una pregunta que surge en la mayoría de los vertidos: por qué una cabeza de 65 mm no es una cabeza de 38 mm con la salida subida. Es una máquina distinta, con menor frecuencia y mayor amplitud, y necesita un mezclado más rígido. Las cabezas de alta frecuencia y baja amplitud fluidifican el concreto plástico; las cabezas grandes con alta amplitud rompen mezclados rígidos de bajo asentamiento. Ponga la equivocada en el encofrado y el mezclado se segrega o se queda lleno de huecos.

Diámetro de acción del fabricante frente a radio de acción de ACI

Los catálogos de fabricantes cotizan un “diámetro de acción”, y suele ser generoso. Tomando las cifras publicadas de una gama de alta frecuencia de 42 V y convirtiéndolas a radio se obtienen 225 mm para una cabeza de 38 mm, 300 mm para 50 mm, 400 mm para 59 mm y 550 mm para 65 mm ^[7]. Frente a las bandas ACI, las mismas cabezas se permiten 125 a 250 mm, 175 a 350 mm, 175 a 350 mm y 175 a 350 mm respectivamente.

Las dos fuentes coinciden en el extremo pequeño y divergen en un factor de unas 1,6 a 65 mm. Ninguna está equivocada: el catálogo mide un mezclado específico a un asentamiento específico y lo dice en una nota a pie, y ACI da una banda de planificación conservadora. Use la cifra del catálogo para comparar dos cabezas de la misma familia, y use la banda ACI para fijar la separación en un encofrado donde una junta fría no es una opción.

Lo que la placa de características no dice

La placa de un motor de vibrador suele dar voltaje, frecuencia, corriente, potencia, velocidad y a veces fuerza. No da clase de servicio, clase de aislamiento, límite ambiental ni protección térmica. Estos cuatro ítems deciden si la unidad sobrevive a un vertido o a una temporada.

La línea de protección térmica es fácil de pasar por alto. En una cabeza de 42 V bien especificada el interruptor térmico corta a 150 °C mientras el devanado de clase F aguanta 155 °C, así la protección salta cinco kelvin antes del límite de aislamiento ^[7]. Esa brecha le dice que el diseño espera que el devanado trabaje caliente, y que el interruptor, no el operario, es el sistema de gestión térmica. Una cabeza sin interruptor no tiene tal garantía.

La protección de ingreso sigue IEC 60034-5, y los dos dígitos son independientes: el primero es sólidos, el segundo es agua ^[5]. IP68 en la cabeza de un vibrador significa que está clasificada para inmersión continua, que es el servicio que debe cumplir. No significa que la entrada de cable esté libre de tensión, que la carcasa sea resistente a la abrasión, o que la junta sobreviva a una cabeza caída sobre hierro.

Un ejemplo resuelto: el mismo bastidor a 50 Hz y 60 Hz

Los compradores de exportación preguntan esto más que cualquier otra cosa, y cuatro líneas de aritmética responden. Tome un vibrador externo de 2 polos nominal 7,0 kN a 3.000 rpm con fuente de 50 Hz, que consume 0,52 kW. El comprador lo instala en una obra de 60 Hz.

Paso 1: la nueva velocidad

El motor es de 2 polos, así su velocidad síncrona sigue a la fuente: 3.600 rpm a 60 Hz. La fuerza escala con el cuadrado de la velocidad, así 7,0 × (3.600 / 3.000)² = 7,0 × 1,44 = 10,1 kN. El vibrador ahora entrega un 44% más de fuerza de la que se pidió.

Las máquinas reales patinan. Un motor con deslizamiento del 4% gira a 2.880 rpm a 50 Hz y 3.540 rpm a 60 Hz, y la razón se vuelve (3.540 / 2.880)² = 1,51. Use la velocidad de eje medida si la tiene; la diferencia entre 1,44 y 1,51 es otro 5% de fuerza que nadie presupuestó.

Paso 2: qué hace a los rodamientos

La carga de rodamiento escala con la misma fuerza, así la carga dinámica equivalente sube un 44%. La vida nominal sigue al cubo de la razón de carga, L10 proporcional a (C/P)³ ^[9]. Una carga de 1,44 veces la nominal deja por tanto (1 / 1,44)³ = 0,335, o cerca de un tercio de la vida nominal original. Un rodamiento dimensionado para 20.000 horas ahora está dimensionado para 6.700.

Paso 3: la corrección

Para mantener 7,0 kN a 3.600 rpm, el momento estático tiene que bajar por la inversa del cuadrado de la razón de velocidad: 1 / 1,44 = 0,694. Reajustar el excéntrico al 69,4% de su momento original restaura la fuerza original, la carga de rodamiento original y la deflexión original del encofrado. Un proveedor competente lista valores de momento separados para 50 Hz y 60 Hz del mismo bastidor en lugar de una sola cifra de fuerza para ambos.

El caso inverso daña el concreto y deja la maquinaria intacta. Una unidad de 60 Hz funcionando con fuente de 50 Hz pierde un 31% de su fuerza y no produce alarma, ni cambio de vibración que el operario sienta, ni código de fallo. Consolida de menos, y el resultado se descubre al desencofrar.

Del radio de acción a los metros cúbicos por hora

El radio de acción se convierte en dinero más rápido que cualquier otro número de la ficha. Los puntos de inserción se separan a unas 1,5 veces el radio de acción para que las zonas se solapen, y cada inserción consolida un cilindro de ese radio y el espesor de la capa.

Tome una cabeza de 50 mm en una losa de 300 mm. Usando el punto medio de la banda ACI de 262 mm de radio, una inserción cubre π × 0,262² × 0,30 = 0,065 m³. A un ciclo de 12 segundos de insertar, mantener y retirar, eso es 0,065 × 300 = 19,5 m³/h de techo geométrico. La banda empírica de ACI para la misma cabeza es 5 a 15 m³/h, así la banda ya lleva un 25% de descuento por acceso, reposicionamiento y el hecho de que ninguna cuadrilla trabaja en el techo.

La brecha entre techo y banda se ensancha con la cabeza, de casi nada a 30 mm hasta un 46% a 113 mm. Ese ensanchamiento es el costo de manejo de una cabeza más pesada: una cabeza de 30 mm se mueve en dos segundos, una de 113 mm no. Mantenga el ciclo en 20 segundos para la cabeza grande en lugar de 12 y el techo baja a 27 m³/h, dentro de la banda ACI.

Poner a prueba una afirmación de producción

Una cuadrilla que afirma 25 m³/h con una cabeza de 50 mm está afirmando un volumen de 25 / 300 = 0,083 m³ por inserción, lo que necesita un radio de 297 mm y una separación de 446 mm. Eso es 2,38 radios de separación, más allá del punto donde las zonas adyacentes se tocan. La tasa se logra dejando columnas no consolidadas entre inmersiones. O la cabeza es demasiado pequeña para la tasa objetivo o la tasa objetivo está mal.

Qué tecnología de motor encaja en qué máquina

Casi todos los vibradores de concreto construidos hoy usan una de cuatro rutas eléctricas, y ninguna es accidental.

• Inducción trifásica, 230/400 V, 2 polos. La opción por defecto para vibradores externos y unidades de eje. Barata, robusta, tolerante a una fuente sucia, y fácil de reajustar para 60 Hz. Los detalles de la máquina están en nuestra guía del motor asíncrono trifásico.
• Monofásica 230 V, 2 polos. Usada por debajo de unos 3 kN donde no hay trifásica en obra. El torque de arranque y la vida del condensador son las restricciones, no la fuerza. Vea la gama del motor monofásico para las diferencias de construcción.
• Trifásica 42 V a 200 Hz con convertidor. La ruta de cabeza. El convertidor es un equipo rotativo o electrónico que convierte 230 o 400 V de red en 42 V a 200 Hz, y un convertidor puede alimentar varias cabezas en paralelo ^[7]. A 42 V el cable importa: 24 A por 10 m de cobre de 4 mm² caen unas 2,1 V de ida y vuelta, un 5% del voltaje terminal, así la sección del cable en un equipo de alta frecuencia tiene que especificarse, no asumirse.
• BLDC 48 V con controlador integrado. La ruta de batería e inalámbrica, y la que crece más rápido en obras que no pueden garantizar red. El excéntrico presenta un torque fuertemente pulsante, no uno suave, así el límite de corriente del controlador debe aguantar la pulsación sin dispararse. El trasfondo del lado de la máquina está en nuestra guía del motor de corriente continua sin escobillas.

La elección entre inducción y BLDC sigue el intercambio usual: la inducción es más barata en el motor, la BLDC es más barata en el sistema cuando el sistema debe ser de batería o de velocidad controlada. La comparación está en BLDC frente a motor de inducción. Cualquiera que sea la ruta, la base de la clasificación es IEC 60034-1, de donde vienen la clase de servicio y los límites de elevación de temperatura ^[4].

Las reglas de operación de las que depende el motor

Un motor correcto operado mal produce concreto malo, y las fallas se atribuyen al motor porque es la pieza con placa. Cinco reglas de obra deciden más que cualquier línea de la especificación.

• Entre rápido, salga lento. La cabeza debe hundirse por su propio peso y retirarse lo bastante lento para que el agujero se cierre detrás. Sacarla rápido deja una columna vacía que nada aguas abajo llenará.
• Solape las zonas. Separe a 1,5 veces el radio de acción, y penetre 100 a 150 mm en la capa inferior para que las dos capas se unan.
• Deténgase por la señal, no por el reloj. La consolidación está completa cuando la superficie se aplana, las burbujas grandes dejan de subir y aparece una fina película de mortero alrededor de la cabeza. Todo lo posterior es segregación, y en una cabeza de 200 Hz llega en segundos ^[1].
• Nunca haga girar una cabeza en el aire. El concreto es el disipador. Un minuto de giro en seco a 12.000 rpm calienta una cabeza sellada mucho más rápido que un turno en el mezclado, y es la forma más común de destruir una buena cabeza el primer día.
• Respete el límite de exposición. La vibración mano-brazo de un vibrador es una exposición regulada, no un tema de comodidad. En Gran Bretaña el valor de acción de exposición es 2,5 m/s² A(8) y el valor límite 5,0 m/s² A(8), lo que fija un tiempo de disparo obligatorio para la herramienta en lugar de dejarlo a preferencia ^[11].

La calidad de la consolidación también depende del mezclado, y el ensayo de asentamiento es el sustituto de campo de la trabajabilidad. Por debajo de unos 75 mm de asentamiento el mezclado necesita mayor amplitud y menor frecuencia; por encima, la alta frecuencia hace el trabajo ^[10]. Un vibrador que se comportó perfectamente en un mezclado puede fallar en el siguiente vertido de otra planta.

Siete errores que llegan al mezclado

1. Comprar por vatios. Los vatios describen la capacidad térmica del motor, no la vibración que entrega. El mismo bastidor de 0,55 kW puede construirse para 5 kN o para 9 kN según el juego excéntrico y la clase de servicio.
2. Tratar el motor de un vibrador como un motor háptico. Los motores de botón en teléfonos y mandos son la misma física a una milésima de escala, sin rodamientos, sin servicio y sin concreto. Tratarlos como el mismo producto no le dice nada sobre ninguno.
3. Ignorar la frecuencia de suministro. Una unidad de 50 Hz en obra de 60 Hz gana un 44% de fuerza y pierde dos tercios de la vida de rodamiento; el caso inverso pierde un 31% de fuerza y consolida de menos en silencio. Ninguno es visible en una inspección de entrega.
4. Dimensionar la cabeza a la tasa de vertido. La cabeza debe caber entre las barras de refuerzo y dentro del encofrado. La tasa resulta de la cabeza que cabe, no al revés.
5. Atornillar un vibrador a un encofrado flexible. Un encofrado que se deflexiona absorbe la energía. Dos vibradores pequeños en un encofrado reforzado suelen vencer a un vibrador grande en uno ligero.
6. Leer IP68 como durabilidad. La protección de ingreso cubre agua y polvo, no abrasión, impacto ni tensión de cable. La carcasa de la cabeza se desgasta, y una carcasa desgastada cambia la masa y por tanto la fuerza.
7. Especificar un motor sin el excéntrico. El motor y el juego excéntrico son un solo diseño. Un motor de reemplazo de la misma potencia pero distinta velocidad cambia la fuerza por el cuadrado de la razón, y nadie se da cuenta hasta que cambia la superficie.

Solución de problemas: síntoma, causa, acción

Dos de estas filas son problemas de motor y cuatro son problemas de sistema, lo que es una división típica. Un proveedor de motores que responde solo a las dos primeras está respondiendo a la mitad de lo que el comprador necesita saber.

Por qué Greensky Power fabrica el motor, no el vibrador

Nosotros fabricamos el accionamiento. Nuestra producción cubre motores de inducción trifásicos de 2 y 4 polos, motores monofásicos para vibradores de encofrado pequeños, y plataformas BLDC y PMSM para cabezas de batería y de velocidad controlada. Lo que no hacemos es ensamblar vibradores, mangueras y cabezas completos, y lo decimos porque cambia con qué podemos ayudar.

Lo que sí podemos hacer es la parte a la que vuelven la mayoría de las fallas de vibrador: emparejar el motor con el excéntrico, no con una página de catálogo. Eso significa bobinar el bastidor para el voltaje y la frecuencia de obra, escribir la clase de servicio contra un límite de elevación de temperatura en lugar de una palabra de marketing, validar la disposición de rodamientos contra una carga excéntrica radial continua, y cotizar la fuerza a la frecuencia que el comprador realmente tiene.

• Motor BLDC personalizado para plataformas de vibrador inalámbricas y de 48 V.
• Motores asíncronos trifásicos para vibradores externos y unidades de eje.
• Motores de engranaje de inducción CA donde el vibrador comparte bastidor con una función de alimentación o accionamiento.
• Motores eléctricos personalizados a un bastidor, eje y disposición de montaje indicados, con el código IM confirmado por escrito.

Varias páginas de este sitio cubren los detalles que los compradores preguntan antes de una solicitud: cómo descifrar la disposición de montaje en posiciones de montaje de motores, y cómo leer la placa que llega con el motor en lectura de la placa de un motor. Sobre la clase de eficiencia y lo que no le dice del servicio, vea clases de eficiencia de motores. Los intervalos de mantenimiento del lado de inducción están en mantenimiento de motores trifásicos, y los patrones de falla en fallas comunes trifásicas.

Referencias

1. ACI Committee 309. (2005). ACI 309R-05, Guide for Consolidation of Concrete. American Concrete Institute. https://www.concrete.org/publications/internationalconcreteabstractsportal.aspx?m=details&id=14724
2. ACI Committee 309. (2008). ACI PRC-309.1-08, Report on Behavior of Fresh Concrete During Vibration. American Concrete Institute. https://www.concrete.org/publications/internationalconcreteabstractsportal/m/details/id/19995
3. CEN. (2011). BS EN 12649:2008+A1:2011, Concrete compactors and smoothing machines. Safety. BSI Standards Publication. https://shop.bsigroup.com/ProductDetail?pid=000000000030233957
4. IEC. (2026). IEC 60034-1:2026, Rotating electrical machines – Part 1: Rating and performance, Edition 15.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/89961
5. IEC. (2020). IEC 60034-5:2020, Rotating electrical machines – Part 5: Degrees of protection provided by the integral design of rotating electrical machines (IP code) – Classification, Edition 5.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/64224
6. IEC. (2018). IEC 60034-14:2018, Rotating electrical machines – Part 14: Mechanical vibration of certain machines with shaft heights 56 mm and higher – Measurement, evaluation and limits of vibration severity, Edition 4.0. IEC Webstore. https://webstore.iec.ch/en/publication/59889
7. OLI S.p.A. (2023). Concrete consolidation vibrators: VHN, VHP and VHP-R high frequency internal vibrators, technical catalogue REV14. Olivibra. https://app.olivibra.com/open/public/documents/474-Cat_ConcreteCons_CCC_EN_0123_REV14-1.pdf
8. ENAR. VET and VEM external vibrators: 1 kN to 16 kN at 3,000 rpm, IP65. ENAR construction equipment. http://www.enarpol.pl/en-gb/products/vib-ve/concrete-vibrator-external-ve
9. ISO. (2007). ISO 281:2007, Rolling bearings – Dynamic load ratings and rating life, Edition 2. ISO. https://www.iso.org/standard/38102.html
10. ASTM. (2020). ASTM C143/C143M-20, Standard Test Method for Slump of Hydraulic-Cement Concrete. ASTM International. https://www.astm.org/c0143_c0143m-20.html
11. Health and Safety Executive. (2005). The Control of Vibration at Work Regulations 2005: hand-arm vibration exposure action and limit values. HSE. https://www.hse.gov.uk/vibration/hav/regulations.htm

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