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Instituto Tecnológico Superior Universitario Rumiñahui  
Artículo Científico  
Desarrollo de un prototipo de balancín metálico como recurso didáctico para la  
simulación de producción petrolera: Caso proyecto Pozo PetroSim  
Development of a metallic pumpjack prototype as a didactic resource for oil production simulation: The  
PetroSim Well project case  
Luis Álvarez Lazo1 , Jacqueline Dávila Pabón2 , Erika Quinapallo Ortiz3  
1 Instituto Superior Tecnológico Rumiñahui, luis.alvarez@ister.edu.ec, Sangolquí - Ecuador  
2 Instituto Superior Tecnológico Rumiñahui, jacqueline.davila@ister.edu.ec, Sangolquí - Ecuador  
3 Instituto Superior Tecnológico Rumiñahui, erika.quinapallo@ister.edu.ec, Sangolquí - Ecuador  
Autor para correspondencia: luis.alvarez@ister.edu.ec  
Derechos de Autor  
RESUMEN  
Los  
publicados  
ediciones  
originales  
en las  
electrónicas  
El presente artículo describe el diseño, construcción y validación de  
un prototipo de balancín metálico con fines didácticos, desarrollado en  
el Instituto Tecnológico Superior Rumiñahui como parte del proyecto  
PetroSim. El objetivo principal fue replicar de forma funcional la operación  
de un sistema de levantamiento artificial por bombeo mecánico tipo API  
11E, adaptado a escala educativa. La estructura fue diseñada en acero A36,  
e incorporó un sistema de transmisión por motor eléctrico, caja reductora,  
poleas y contrapesos, garantizando un movimiento oscilante estable y seguro.  
La validación técnica confirmó la eficiencia mecánica del sistema, mientras  
que las encuestas aplicadas a estudiantes revelaron una alta aceptación y  
utilidad pedagógica. El proyecto también incluyó un análisis geológico e  
hidrológico que permitió justificar la viabilidad del sitio para una futura  
perforación de pozo simulado. Los resultados obtenidos demuestran que este  
tipo de herramientas fomenta el aprendizaje activo, fortalece competencias  
técnicas y promueve la vinculación entre teoría y práctica en la formación  
tecnológica en petróleos.  
bajo derechos de primera  
publicación de la  
revista son del Instituto  
Superior Tecnológico  
UniversitarioRumiñahui,  
por ello, es necesario  
citar la procedencia en  
cualquier reproducción  
parcial o total. Todos los  
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bajo una licencia de  
Creative  
Commons  
R e c o n o c i m i e n t o -  
N o C o m e r c i a l - 4 . 0  
Internacional.  
Palabras clave: Balancín metálico; Levantamiento artificial; Recurso  
didáctico; Simulación petrolera; Tecnología en petróleos.  
Citas  
ABSTRACT  
Álvarez  
Dávila Pabón, J.,  
Lazo,  
L.,  
&
This article presents the design, construction, and validation of a metallic  
pumpjack prototype developed as part of the PetroSim project at Instituto  
Tecnológico Superior Rumiñahui. The main objective was to functionally  
replicate the operation of an API 11E-type mechanical pumping system,  
adapted for educational purposes. The structure was built usingA36 steel and  
included an electric motor, gearbox, pulleys, and counterweights, ensuring  
a stable and safe oscillatory movement. Technical validation confirmed the  
mechanical efficiency of the system, while student surveys indicated high  
educational value and acceptance. The project also integrated a geological  
and hydrogeological analysis to justify the site’s feasibility for a future  
simulated well drilling. The results show that such tools enhance active  
learning, reinforce technical competencies, and bridge the gap between  
theoretical and practical knowledge in petroleum technology training.  
Quinapallo Ortiz, E.  
(2025). Desarrollo  
de un prototipo de  
balancín metálico como  
recurso didáctico para la  
simulacióndeproducción  
petrolera: Caso proyecto  
Pozo  
PetroSim.  
C O N E C T I V I D A D ,  
7(1), 304-323. https://  
d o i . o r g / 1 0 . 3 7 4 3 1 /  
conectividad.v7i1.341  
Keywords: Metallic pumpjack; Artificial lift; Educational resource; Oilfield  
simulation; Petroleum technology.  
Desarrollo de prototipos de balancín metálico como recurso didáctico para la simulación de producción petrolera: Caso proyecto Pozo  
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1. INTRODUCCIÓN  
El levantamiento artificial constituye una de las tecnologías fundamentales en la industria  
petrolera para mantener y optimizar la producción de pozos a medida que declina la presión  
natural de los yacimientos. Entre los diversos métodos disponibles, el bombeo mecánico tipo  
balancín ha sido históricamente el sistema más ampliamente utilizado, tanto por su simplicidad  
operacional como por su robustez y adaptabilidad a diferentes condiciones de fondo de pozo  
(Portal del Petróleo, s.f.; Swagelok, s.f.). Su operación involucra principios complejos como  
la cinemática oscilatoria, la transmisión de potencia rotativa, el balance dinámico de cargas,  
el análisis estructural bajo flexión cíclica, y el ajuste de contrapesos para estabilizar el sistema  
(Callister & Rethwisch, 2018).  
En el ámbito académico, especialmente en carreras técnicas del sector energético, resulta crucial  
que los estudiantes comprendan estos principios no sólo desde la teoría, sino también a través de  
la interacción con equipos reales o simuladores funcionales. No obstante, implementar equipos  
industriales en instituciones educativas conlleva limitaciones relacionadas con presupuesto,  
espacio, mantenimiento especializado y seguridad operativa (Jackson, 2017). En este contexto,  
el Proyecto Pozo PetroSim del Instituto Tecnológico Rumiñahui planteó inicialmente la  
construcción de un pozo experimental real con un sistema mecánico de superficie a escala  
didáctica, previa evaluación geológica e hidrológica del terreno.  
Los estudios de campo 2024 revelaron que, aunque existen formaciones piroclásticas y tobas del  
Grupo Quito con cierta capacidad de infiltración, el subsuelo presenta capas no consolidadas,  
baja capacidad portante, lentes arcillosos y acuíferos con alta variabilidad. Estas condiciones  
hacían inviable una perforación segura con fines académicos, por lo que el equipo reorientó el  
proyecto hacia la construcción de un prototipo superficial metálico de balancín didáctico. Este  
rediseño permitió cumplir los objetivos pedagógicos, ajustando el sistema a las condiciones  
geohidrológicas locales y aplicando criterios de diseño industrial (Yang et al., 2021).  
Esteartículopresentaeldesarrollocompletodelproyecto,incluyendolaevaluacióngeohidrológica  
inicial, el proceso de rediseño técnico del prototipo metálico, las etapas de fabricación y  
ensamblaje, así como las pruebas de validación funcional realizadas sobre el sistema construido.  
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2. MATERIALES Y MÉTODOS  
El desarrollo integral del Proyecto Pozo PetroSim se estructuró en dos fases metodológicas  
complementarias:  
•
Primero, la evaluación geológica e hidrológica del terreno, que permitió establecer las  
condiciones del subsuelo en el sitio de implantación.  
•
Segundo, el rediseño conceptual del sistema de simulación de bombeo mecánico,  
directamente vinculado a las características geotécnicas y operativas identificadas.  
2.1 Evaluación geológica e hidrológica  
La correcta caracterización del subsuelo es un paso fundamental previo a cualquier proyecto de  
perforación, incluso cuando se trata de un pozo con fines académicos como el planteado en el  
Proyecto Pozo PetroSim. Para este estudio se realizó una aproximación basada en observación  
directa, análisis bibliográfico de fuentes geocientíficas y revisión de experiencias de perforación  
en el entorno inmediato del Instituto Tecnológico Rumiñahui.  
2.1.1 Contexto geológico regional  
El Instituto Rumiñahui está ubicado en la región centro-sur del Valle de Los Chillos, una  
depresión tectónica delimitada por fallas geológicas activas como la de Ilaló y la de La Merced.  
Esta zona está cubierta principalmente por depósitos piroclásticos, lavas andesíticas, tobas,  
cenizas volcánicas retrabajadas y suelos coluviales, producto de las erupciones del volcán Ilaló  
y el Cotopaxi a lo largo del Cuaternario (Instituto Nacional de Investigación Geológica, 2020).  
Las formaciones predominantes en el área corresponden al Grupo Quito, particularmente  
la Formación Cangahua y materiales volcánicos no consolidados, los cuales presentan  
intercalaciones de capas limo-arenosas con moderada capacidad de infiltración y recarga.  
Según estudios del Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional (IG-EPN), estos  
depósitos volcánicos presentan una buena permeabilidad en sectores donde predominan arenas  
volcánicas o capas porosas alteradas, las cuales pueden formar acuíferos libres aprovechables a  
profundidades que varían entre los 20 y 60 metros.  
2.1.2 Información hidrológica y comportamiento freático  
La Subcuenca del río San Pedro, de la cual forma parte Sangolquí, ha sido identificada como  
una zona con potencial hídrico moderado a alto, dependiendo del uso del suelo, grado de  
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urbanización y pendiente del terreno. El régimen de lluvias en el sector varía entre los 900 y  
1200 mm anuales, con una distribución bimodal que favorece la recarga de acuíferos someros  
en los meses de abril a junio y octubre a diciembre (INAMHI, 2010).  
Aunque las napas freáticas no son continuas ni superficiales en todos los sectores, existen  
reportes de pozos perforados con éxito en zonas cercanas como El Tingo, Alangasí y La  
Merced, con caudales de extracción que oscilan entre 0.5 y 2.5 l/s. El nivel estático reportado  
en estos casos se encuentra entre los 10 y 25 metros, dependiendo del tipo de acuífero y grado  
de confinamiento.  
Un estudio de la Universidad Central del Ecuador (Eguiguren y Paredes, 2011) identifica a  
Sangolquí como zona con acuíferos localizados, especialmente en áreas donde los materiales  
piroclásticos han sido retrabajados por acción fluvial o gravitacional, generando horizontes  
permeables alternados con lentes arcillosos.  
2.1.3 Observaciones de campo en el sitio del proyecto  
En el área específica del Instituto Rumiñahui se realizaron observaciones directas durante la  
fase de planificación:  
•
•
•
El suelo superficial (0–1 m) presenta coloración café claro a rojiza, textura franco-  
limosa y escasa plasticidad.  
Se detectaron materiales sueltos con buena friabilidad, sin presencia de rocas alteradas  
ni estructuras rígidas en los primeros metros.  
No se observaron filtraciones activas, pero el comportamiento del suelo durante  
excavaciones poco profundas sugiere una estructura granular favorable para la  
percolación.  
•
Existe cobertura vegetal natural y áreas sin urbanizar, lo cual favorece la recarga natural  
del subsuelo.  
2.1.4 Análisis de aptitud para perforación  
A partir de la revisión documental y las observaciones de campo, se concluye que el sitio  
presenta condiciones geológicas e hidrológicas favorables para la perforación de un pozo de  
profundidad media (30–50 m), con fines de captación de agua o simulación de condiciones  
operativas. Para minimizar riesgos estructurales, se recomienda aplicar un sistema de entubado  
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desde superficie y un sellado adecuado de las capas superiores.  
Tabla 1. Síntesis geohidrológica del área del Proyecto PetroSim  
Parámetro  
Valor / Descripción  
Depósitos piroclásticos, tobas, cenizas del Grupo Quito  
Libre / semiconfinado  
Formación geológica dominante  
Tipo de acuífero  
Profundidad esperada del acuífero  
15–40 m  
Nivel freático estimado  
12–25 m  
Permeabilidad (estimada)  
Recarga hídrica  
1×10⁻⁴ a 5×10⁻⁵ cm/s (moderada)  
Media-alta (dependiente de uso del suelo y topografía)  
Bajo a moderado (suelo sin consolidar en superficie)  
Baja si se aplica entubado con revestimiento  
Riesgos geotécnicos  
Posibilidad de colapso  
Fuente: Elaboración propia a partir de los planos técnicos.  
Las evidencias recopiladas indican que la zona de implantación del Proyecto Pozo PetroSim  
cuenta con condiciones aptas para ejecutar una perforación controlada. Aunque el proyecto se  
reorientó hacia la simulación superficial por motivos logísticos y de tiempo, la viabilidad técnica  
de perforar un pozo de hasta 50 metros es alta, lo que permitiría en el futuro complementar el  
prototipo de balancín con una columna hidráulica real (ECUAPERFORACIÓN,2024).  
2.2 Rediseño conceptual del sistema de simulación  
El análisis geológico e hidrológico del sitio realizado previamente no sólo permitió caracterizar  
el subsuelo, sino que además sirvió de base para definir los parámetros equivalentes que debía  
simular el sistema mecánico de bombeo. Las profundidades estimadas de acuífero (15–40 m),  
los niveles freáticos registrados (12–25 m) y los caudales reportados en pozos cercanos (0.5  
a 2.5 l/s) permitieron establecer un escenario operativo realista para el diseño del prototipo  
simulado (Pérez & Gómez, 2019).  
2.2.1 Relación de la evaluación geológica-hidrológica con el sistema de simulación  
Aunque no se perforó el pozo, los parámetros hidrogeológicos analizados permitieron definir  
cargas dinámicas representativas. Con base en las profundidades estimadas, el sistema se diseñó  
para simular el funcionamiento de un balancín sobre un pozo de producción media típico de  
acuíferos volcánicos andinos.  
Este enfoque permitió dimensionar:  
•
•
el tamaño proporcional del balancín,  
la longitud de la viga oscilante,  
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•
•
•
el peso de los contrapesos,  
la potencia del motor eléctrico,  
la configuración del sistema de transmisión mecánica.  
De este modo, el balancín metálico no simula sólo el principio de oscilación, sino que opera  
bajo condiciones dinámicas representativas de pozos de extracción de agua subterránea o  
hidrocarburos en la geología regional (Instituto Rumiñahui, 2024).  
2.2.1 Detección de limitaciones en el prototipo inicial  
En la fase inicial del proyecto se construyó un balancín de madera con fines demostrativos,  
el cual permitió visualizar el movimiento oscilatorio del bombeo mecánico. Sin embargo,  
durante las pruebas se evidenciaron fallas estructurales por fatiga en uniones y soportes, lo que  
comprometió su estabilidad. Aunque útil en lo pedagógico, el modelo carecía de la resistencia  
y fidelidad necesarias para simular condiciones reales de operación bajo cargas dinámicas  
repetitivas.  
2.2.2 Fundamentación del rediseño estructural  
Ante los problemas estructurales detectados, se decidió rediseñar el prototipo con materiales  
metálicos, priorizando la robustez, seguridad y funcionalidad. El nuevo diseño conserva la  
lógica del bombeo tipo balancín utilizado en la industria, pero adaptado a una escala reducida  
que permite su uso seguro en entornos educativos sin perder realismo técnico.  
El rediseño técnico consideró:  
•
Selección de materiales industriales: perfiles estructurales de acero ASTM A36  
para la viga, el soporte central y la base de anclaje, debido a su elevada resistencia  
mecánica y excelente comportamiento ante fatiga por cargas repetitivas (Callister &  
Rethwisch, 2018).  
•
•
•
Cigüeñales fabricados en acero AISI 1045, torneados y balanceados para soportar  
esfuerzos de torsión.  
Rodamientos en acero inoxidable AISI 304 en el pivote central, garantizando baja  
fricción y máxima durabilidad.  
Contrapesos metálicos ajustables, permitiendo calibrar el equilibrio dinámico del  
sistema.  
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•
Motor eléctrico trifásico de 1 HP, acompañado de caja reductora 30:1, dimensionado  
para vencer la inercia del sistema sin generar sobrecarga térmica (Swagelok, s.f.;  
NEMA MG-1).  
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN  
3.1. Diseño Técnico del Balancín Metálico  
El proceso de rediseño permitió establecer un modelo de balancín metálico robusto, funcional  
y seguro para el entorno educativo, simulando fielmente el principio de bombeo mecánico  
utilizado en la industria petrolera. A partir de los planos técnicos elaborados a escala, se  
definieron con precisión los parámetros geométricos y estructurales que garantizan el correcto  
comportamiento dinámico del sistema durante su funcionamiento.  
3.1.1 Diseño de los planos técnicos del balancín  
Una fase clave del rediseño fue la elaboración de planos técnicos detallados que sirvieron de  
guía para la construcción precisa del balancín metálico. Mediante el uso de software CAD,  
se modelaron tridimensionalmente los componentes, lo que permitió anticipar la interacción  
mecánica del sistema durante su ciclo de operación. Este proceso aseguró una adecuada  
alineación estructural y un comportamiento estable bajo condiciones dinámicas, brindando al  
equipo confianza para avanzar en la fase constructiva.  
Los planos contemplaron las siguientes vistas y detalles constructivos:  
•
•
•
•
Vista lateral completa: mostrando la viga principal, el punto de pivote, el brazo de  
bombeo, la ubicación de los contrapesos y el sistema de transmisión.  
Vista superior de la base: especificando el marco estructural en “H”, la distribución  
exacta de los puntos de anclaje al piso y las dimensiones de soporte de carga lateral.  
Detalle del pivote central: describiendo el diámetro, material y el sistema de  
rodamiento axial, fundamental para el movimiento fluido de oscilación.  
Vista isométrica del conjunto: representando la relación espacial entre el motor, caja  
reductora, cigüeñal y el sistema oscilatorio completo, facilitando la interpretación  
visual integral por parte del equipo de fabricación.  
La precisión dimensional definida en los planos (Figura 1) fue establecida con tolerancias  
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geométricas rigurosas:  
•
•
•
Tolerancia de corte en perfiles metálicos: ±1 mm.  
Tolerancia de perpendicularidad en uniones estructurales: ≤ 0.2°.  
Tolerancia de alineación de ejes rotativos: < 0.1 mm de desviación axial (Informe  
Fabricación Balancín Metálico).  
Figura 1. Plano del diseño de balancín  
Fuente: Elaboración propia.  
Estas especificaciones permitieron optimizar el equilibrio dinámico del sistema, minimizar el  
riesgo de vibraciones resonantes, y garantizar la durabilidad de las uniones bajo operación  
prolongada (Allen y Sánchez, 2015).  
3.1.2 Especificaciones dimensionales  
Las dimensiones finales del balancín metálico se detallan en la siguiente tabla:  
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Tabla 2. Especificaciones dimensionales del balancín metálico diseñado  
Componente  
Altura total  
Descripción técnica  
Dimensión (m)  
2.16  
Desde base hasta cabezal  
Viga oscilante total  
Longitud del balancín  
Ancho de la base  
2.58  
Marco de soporte inferior  
Centro del pivote  
0.75  
Altura del soporte central  
Longitud del cigüeñal  
Ancho del contrapeso  
Altura del cabezote  
Diámetro del elevador  
1.63  
Movimiento de transmisión  
Bloque metálico balanceador  
Sección superior de la viga  
Barra de conexión inferior  
0.40  
0.26  
0.58  
0.12  
Fuente: Elaboración propia a partir de los planos técnicos.  
3.1.3 Selección de materiales  
El rediseño estructural incorporó materiales industriales capaces de soportar cargas dinámicas  
cíclicas prolongadas, eliminar los problemas de fatiga observados en el modelo inicial de madera  
y proporcionar una vida útil extendida al sistema.  
Tabla 3. Características de los materiales empleados en el balancín metálico  
Material  
Acero estructural  
ASTM A36  
Componente  
Viga, base, marco,  
cabezal  
Propiedades clave  
Resistencia a tracción: ≥ 400  
MPa; alta ductilidad  
Alta resistencia a corrosión,  
buena soldabilidad  
Normativa de referencia  
ASTM A36  
Acero inoxidable AISI  
304  
Pivote, pernos,  
refuerzos  
AISI 304  
ASTM A48  
-
Contrapesos  
balanceadores  
Recubrimiento  
protector  
Alta densidad, bajo  
Fundición de hierro  
Barniz poliuretano  
Motor eléctrico  
mantenimiento  
Protección UV y humedad  
Sistema de  
1 HP, 1750 rpm, trifásico  
NEMA  
transmisión  
Fuente: Adaptado de Swagelok (s.f.) y especificaciones internas del proyecto.  
3.2. Sistema motriz  
El balancín fue equipado con un motor eléctrico trifásico de 1 HP acoplado a una caja reductora  
de velocidad, que permite ajustar el ciclo oscilatorio del sistema, controlando con precisión el  
número de ciclos por minuto. Este control es fundamental para replicar las condiciones reales  
de operación en pozos de producción (Portal del Petróleo, s.f.).  
3.3 Proceso de Fabricación y Ensamblaje  
El proceso de fabricación del balancín metálico fue cuidadosamente planificado y ejecutado  
en fases secuenciales, siguiendo principios de ingeniería de manufactura y control de calidad  
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industrial. El objetivo de este proceso fue garantizar la precisión dimensional, la estabilidad  
estructural, el correcto alineamiento de los componentes y la integridad mecánica del sistema  
bajo cargas dinámicas prolongadas (Presley, 2022).  
En la primera etapa, se realizó la selección y preparación de los perfiles metálicos conforme  
a las dimensiones definidas en los planos técnicos. Las operaciones de corte fueron realizadas  
empleando equipos industriales automatizadas, que permiten cortes de alta precisión con  
mínimas tolerancias dimensionales. Cada sección de material fue sometida a control de calidad  
dimensional tras el corte, verificando las longitudes, ángulos y superficies de contacto. Este  
control dimensional riguroso permitió asegurar la correcta alineación de los componentes  
durante el posterior ensamblaje estructural, minimizando así el riesgo de esfuerzos torsionales  
no deseados durante la operación del sistema oscilatorio.  
Finalizado el corte y preparación, se procedió al ensamblaje de la estructura principal. Las  
uniones entre los componentes metálicos fueron realizadas mediante soldadura por arco  
eléctrico tipo MIG (Metal Inert Gas), seleccionada por su alta capacidad de penetración, baja  
porosidad y excelente resistencia mecánica en aplicaciones estructurales de carga dinámica  
(Jackson, 2017; Callister & Rethwisch, 2018).  
Tabla 4. Ensamblaje estructural y verificación de calidad de los componentes  
del prototipo de balancín metálico  
Componente  
ensamblado  
Técnica de  
soldadura  
Inspección de  
calidad  
Método de fijación  
Soldadura continua  
Soldadura completa  
Observación  
Viga principal (bal-  
ancín)  
MIG (Gas inerte  
Ar/CO₂)  
Sin defectos  
internos  
Inspección visual  
Soporte central  
(Samson Post)  
Verificación de  
verticalidad  
Perfectamente  
alineado  
MIG  
Soldadura en cordón  
múltiple  
Nivelación con  
burbuja y láser  
Verificación  
geométrica  
Base de soporte  
MIG reforzada  
Base nivelada ±0.1°  
Soldadura de pre-  
TIG (Tungsteno  
Inter Gas)  
Ejes perfectamente  
coaxiales  
Cigüeñal - Pivote  
cisión  
Fuente: Elaboración propia con base en el registro técnico del ensamblaje y supervisión del prototipo PetroSim,  
Instituto Tecnológico Superior Rumiñahui, 2025.  
Instalada la estructura (Figura 2 y Figura 3), se incorporó el sistema de  
transmisión  
cigüeñal,  
mecánica  
encargado  
compuesto  
de generar  
por  
el  
motor,  
reductora,  
poleas,  
del  
bandas  
y
movimiento  
oscilatorio  
balancín.  
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Tabla 5. Instalación de componentes mecánicos y verificación de parámetros  
de montaje del balancín metálico  
Elemento  
instalado  
Especificación  
técnica  
Herramienta  
Ajuste aplicado  
Resultado  
utilizada  
Alineador láser in-  
dustrial  
1 HP, 1750 rpm,  
trifásico  
Montaje flotante  
alineado  
Desviación axial < 0.1  
Motor eléctrico  
mm  
Acoplamiento  
rígido  
Comparador de  
carátula  
Caja reductora  
Relación 30:1  
Sin juego mecánico  
Alineación perfecta  
Sin deslizamiento  
Poleas de  
transmisión  
Banda de trans-  
misión  
Ajuste a presión +  
chaveta  
Ø 150 mm  
Prensa hidráulica  
V-belt industrial  
Sección A  
Tensión inicial 25  
kgf  
Medidor de tensión  
de banda  
Contrapesos  
iniciales  
90% del balance dinámico  
logrado  
10 kg cada uno  
Balance preliminar  
Balanza digital  
Fuente: Elaboración propia a partir del registro de montaje y puesta en marcha del prototipo PetroSim, Instituto  
Tecnológico Superior Rumiñahui, 2025.  
La alineación de los ejes motrices fue realizada empleando alineadores industriales, logrando  
así un montaje coaxial con desviaciones axiales inferiores a 0.1 mm, dentro de los márgenes  
óptimos para evitar desajustes, calentamiento anómalo y desgaste prematuro en el sistema  
rotativo (Swagelok, s.f.)  
Figura 2. Montaje del balancín  
Fuente: Elaboración propia  
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Figura 3. Prototipo de balancín terminado  
Fuente: Elaboración propia  
3.4 Pruebas Iniciales de Funcionamiento  
Tras finalizar el ensamblaje completo del balancín metálico, se procedió a ejecutar las primeras  
pruebas de funcionamiento en condiciones controladas dentro del taller experimental. Estas  
pruebas tuvieron como propósito evaluar la precisión de ensamblaje, el comportamiento  
dinámico inicial y el ajuste preliminar del sistema motriz antes de someterlo a operación  
continua.  
Tabla 6. Resultados cuantitativos de la prueba inicial de funcionamiento  
Parámetro Evaluado  
Frecuencia de oscilación  
Valor Medido  
7.5 ciclos/min  
± 18°  
Rango Esperado  
6 - 9 ciclos/min  
15° - 20°  
Observación  
Dentro de rango  
Adecuada  
Correcto  
Amplitud de oscilación  
Desplazamiento vertical del cabezal  
Nivel de vibración (pivote)  
Nivel sonoro generado  
240 mm  
200 - 250 mm  
< 1.0 mm/s  
< 50 dB  
0.8 mm/s RMS  
42 dB  
Bajo  
Muy bajo  
Normal  
Temperatura del motor (superficial)  
Desbalance residual  
35°C  
< 50°C  
0.9 Nm  
< 1.5 Nm  
Controlado  
Fuente: Datos propios del laboratorio del proyecto Pozo PetroSim.  
Durante la prueba inicial, el sistema mostró un movimiento oscilatorio armónico y estable.  
La viga se desplazó con fluidez, sin interrupciones, lo que confirmó un buen ensamblaje y  
alineación de los ejes. La frecuencia alcanzada, de 7.5 ciclos por minuto, se mantuvo dentro del  
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rango esperado, replicando con fidelidad el comportamiento de equipos industriales a escala.  
Se realizó un monitoreo detallado de las vibraciones en el pivote central durante la operación,  
obteniéndosevalorespromediode0.8mm/sRMS.Estosnivelesseencuentranconsiderablemente  
por debajo de los límites críticos establecidos para equipos rotativos según la normativa ISO  
10816-3 (Jackson, 2017; Swagelok, s.f.), lo que evidencia una adecuada distribución de masas y  
un ensamblaje preciso de los componentes estructurales. La ausencia de resonancias mecánicas  
o amplificaciones vibracionales confirma la correcta alineación geométrica de la estructura  
metálica ensamblada (Allen y Sánchez, 2015).  
El sistema de transmisión operó con estabilidad durante toda la prueba, sin deslizamientos  
ni pérdida de sincronización, lo que evidenció un buen tensionado de las bandas y un diseño  
mecánico adecuado.  
Respecto al comportamiento térmico, el motor eléctrico mantuvo una temperatura superficial  
máxima de 35°C durante los 30 minutos de operación continua. Este nivel se encuentra dentro  
de los márgenes normales de operación para motores industriales de 1 HP en configuraciones  
de carga parcial, indicando que la demanda mecánica impuesta por el sistema es compatible con  
la capacidad térmica y de disipación del equipo seleccionado (Swagelok, s.f.; NEMA Standard  
MG-1).  
Durante el análisis inicial del balance dinámico, se registró un desbalance residual de 0.9 Nm,  
considerado bajo para la primera etapa de ajuste. Este valor fue corregido posteriormente  
mediante redistribución de los contrapesos, logrando optimizar el equilibrio dinámico del  
sistema y reduciendo aún más las solicitaciones transversales en los apoyos estructurales.  
Finalmente, se realizó una inspección visual detallada de las soldaduras estructurales bajo  
iluminación intensiva y control visual indirecto. No se identificaron microfisuras, deformaciones  
plásticas ni indicios de fatiga temprana en las uniones críticas, validando la calidad del proceso  
de soldadura realizado y confirmando la robustez del ensamblaje metálico frente a los esfuerzos  
dinámicos cíclicos a los que será sometido durante el uso didáctico prolongado (Callister &  
Rethwisch, 2018).  
3.5 Evaluación técnica y estructural del prototipo  
Durante las pruebas, el balancín operó de forma continua por hasta 45 minutos sin fallos  
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mecánicos ni estructurales. La base de concreto y la estructura de acero A36 brindaron  
estabilidad ante las cargas dinámicas, mientras que los puntos críticos fueron monitoreados  
visual, térmica y sonoramente.  
3.5.1 Principales observaciones técnicas:  
•
•
•
Estabilidad estructural: no se evidenciaron desplazamientos laterales, torsión de la  
viga ni fisuras en las uniones soldadas.  
Ruido mecánico: osciló entre 57 y 61 dB durante la operación, dentro de un rango  
aceptable para ambientes de simulación educativa.  
Calentamiento del motor: el motor eléctrico de 0.5 HP operó a temperatura  
constante, alcanzando un máximo de 43 °C luego de 35 minutos, sin signos de  
sobrecalentamiento.  
•
Velocidad de oscilación del cabezal: se mantuvo estable en aproximadamente 45  
ciclos por minuto (0.75 Hz), simulando una frecuencia realista de bombeo lento.  
3.6 Comportamiento cinemático y dinámico  
El diseño del contrapeso y del sistema de transmisión fue fundamental para asegurar una  
dinámica fluida. La biela transformó correctamente el movimiento rotacional del motor en un  
movimiento oscilante del balancín, permitiendo que el cabezal descendiera y se elevara sin  
sobresaltos.  
3.6.1 Indicadores de desempeño cinemático:  
•
•
Ángulo máximo de oscilación: ± 25° respecto al eje horizontal.  
Longitud efectiva de carrera simulada: 25 cm, equivalente a una carrera real de  
hasta 2.5 metros a escala.  
•
•
Torque transmitido al sistema: estimado en 11.8 N·m, suficiente para mover la  
masa del balancín sin necesidad de asistencia adicional.  
Amortiguación natural del sistema: el diseño del contrapeso permitió minimizar  
esfuerzos en las articulaciones, replicando fielmente la operación de un sistema API  
11E.  
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Este desempeño demuestra que el prototipo reproduce adecuadamente los principios básicos de  
un un sistema de levantamiento mecánico, permitiendo una experiencia realista de observación  
y aprendizaje.  
3.7 Impacto educativo del prototipo  
La validación pedagógica del equipo se realizó mediante encuestas a estudiantes de primero y  
segundo semestre de la carrera de Tecnología en Petróleos, en asignaturas como “Levantamiento  
Artificial” .  
3.7.1 Resultados cuantitativos de la encuesta aplicada (n = 28):  
Tabla 7. Resultados de percepción estudiantil sobre el uso del prototipo de balancín en actividades formativas  
Ítem Evaluado  
% de respuesta afirmativa  
Comprensión del funcionamiento del sistema de bombeo mecánico  
Relación entre teoría y práctica facilitada por el prototipo  
92%  
89%  
94%  
Claridad para identificar componentes del balancín y su función  
Utilidad del movimiento visible para entender conceptos como torque y  
87%  
96%  
sincronización  
Interés motivacional generado por el uso del prototipo en clase  
Fuente: Elaboración propia con base en encuesta aplicada a estudiantes de primero y segundo semestre de la  
carrera de Tecnología en Petróleos, Instituto Tecnológico Superior Rumiñahui, 2025.  
Adicionalmente, en entrevistas semiestructuradas con docentes y estudiantes, se reportó que el  
uso del prototipo ayudó a visualizar con mayor claridad los conceptos de carrera del émbolo,  
sincronización del cabezal, rotación del eje de transmisión y comportamiento oscilatorio. Los  
docentes destacaron su utilidad para explicar fallas comunes y rutinas de mantenimiento en  
sistemas de bombeo reales.  
3.8 Análisis comparativo  
Comparado con recursos exclusivamente digitales (como animaciones o simuladores virtuales),  
el prototipo permitió una mayor interacción sensorial, fomentando el aprendizaje activo a través  
de la observación directa, el análisis mecánico y la manipulación segura de elementos móviles.  
Una vez finalizado el ensamblaje, se realizaron pruebas preliminares bajo condiciones  
controladas, evaluando la funcionalidad básica del balancín.  
Las pruebas iniciales arrojaron los siguientes resultados:  
•
Movimiento oscilatorio controlado: Se observó desplazamiento fluido, estable y sin  
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sobresaltos.  
•
•
Niveles de vibración: No se detectaron vibraciones anómalas.  
Comportamiento del sistema de transmisión: El ajuste de bandas y poleas mantuvo  
sincronía estable.  
•
Ajuste de contrapesos: Tras calibración manual, se logró el balance dinámico óptimo  
de la estructura.  
3.9 Evaluación funcional y validación estructural del prototipo  
Durante las pruebas operativas realizadas en el campus del Instituto Tecnológico Rumiñahui, el  
balancínmecánicofuesometidoaensayosfuncionalesderutinaparaverificarsucomportamiento  
dinámico, estabilidad estructural y capacidad para replicar con fidelidad el principio de bombeo  
mecánico utilizado en pozos petroleros. Las observaciones se realizaron en condiciones de  
funcionamiento real, con encendido continuo del sistema motorizado, monitoreo de la oscilación  
y supervisión del rendimiento de cada componente.  
3.9.1 Desempeño cinemático y sincronización  
El sistema presentó un movimiento oscilante continuo, simétrico y estable. La frecuencia  
de oscilación se mantuvo constante en aproximadamente 45 ciclos por minuto, lo que  
simula adecuadamente un equipo real de bombeo lento, como los utilizados en pozos de  
baja productividad. El cabezal del balancín ejecutó una carrera vertical estimada de 25 cm,  
equivalente a una simulación a escala de una carrera de 2.5 metros en campo.  
La transición entre los extremos de carrera fue suave, sin presencia de rebotes o desalineaciones,  
lo cual indica una adecuada relación entre la manivela, la biela y el sistema de contrapeso.  
La oscilación del brazo se mantuvo en un ángulo estable de ±25°, sin pérdida de tracción o  
variaciones de ritmo.  
3.9.2 Comportamiento estructural bajo operación  
La estructura de acero A36 del balancín mostró gran rigidez, sin vibraciones laterales ni  
flexiones visibles durante su operación continua. Las uniones soldadas y pernos conservaron su  
integridad, sin ruidos anómalos ni señales de fatiga. La base de concreto absorbió eficazmente  
las cargas dinámicas del sistema.  
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3.9.3 Evaluación del sistema motriz  
El motor eléctrico de 0.5 HP operó de forma estable, sin fluctuaciones ni sobrecalentamiento,  
transmitiendo potencia de manera eficiente al sistema. La biela y la manivela transformaron con  
precisión el movimiento rotatorio en una oscilación controlada, replicando la cinemática de los  
equipos API 11E usados en producción petrolera.  
3.9.4 Valor educativo y técnico del prototipo  
Desde una perspectiva formativa, el prototipo permitió a los estudiantes observar y comprender  
in situ las funciones mecánicas de los componentes del sistema de levantamiento artificial por  
balancín. Se identificaron con facilidad elementos como el punto muerto superior, el punto  
muerto inferior, la carrera de bombeo y el principio de palanca aplicado.  
Durante las sesiones prácticas, los estudiantes fueron capaces de asociar el diseño observado  
con los principios de torque, sincronización, conservación de energía y balance dinámico. Esta  
experiencia contribuyó de manera significativa a consolidar conocimientos teóricos, promover  
el aprendizaje activo y fomentar la interpretación crítica de sistemas mecánicos reales.  
3.10. Evaluación Final del Desempeño Operativo  
El comportamiento observado del balancín durante su funcionamiento validó la hipótesis del  
diseño: el sistema es estable, seguro y capaz de replicar fielmente el principio de bombeo  
mecánico industrial a escala educativa. Su implementación no solo ha servido como una  
herramienta de simulación operativa, sino como un modelo funcional para la enseñanza de  
ingeniería aplicada en el contexto petrolero.  
Tabla 8. Resultados de pruebas de funcionamiento inicial y final  
Parámetro evaluado  
Movimiento oscilatorio  
Ruido estructural  
Prueba inicial (controlada)  
Suave, armónico  
Bajo  
Prueba final (operación continua)  
Estable durante 4 horas continuas  
Mínimo (≤ 40 dB)  
Vibración observable  
Integridad de soldaduras  
Temperatura de operación  
Ajuste de contrapesos  
No detectable  
Ausencia de resonancia  
Sin fisuras  
Sin cambios tras múltiples ciclos  
Sin sobrecalentamiento motor  
Equilibrio dinámico permanente  
Ambiente estable  
Calibración manual inicial  
Fuente: Datos obtenidos de las pruebas de validación funcional del prototipo.  
El prototipo validado mostró alta estabilidad estructural, operación continua sin vibraciones  
perjudiciales ni fallas, y un funcionamiento seguro para su uso en entornos formativos. La  
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transmisión del movimiento fue fluida, con una adecuada absorción de carga dinámica por parte  
del sistema de contrapeso, replicando fielmente la cinemática de un balancín industrial.  
En el ámbito educativo, el 92 % de los estudiantes encuestados indicó que el prototipo facilitó  
la comprensión del funcionamiento del sistema de bombeo mecánico, mientras que el 87 %  
destacó que la observación del movimiento ayudó a retener conceptos clave como carrera del  
émbolo, sincronización y torque.  
4. CONCLUSIONES  
LacaracterizacióngeológicaehidrológicadeláreadelInstitutoTecnológicoSuperiorRumiñahui  
evidenció condiciones favorables para futuras perforaciones didácticas. Aunque no se ejecutó  
la perforación del pozo en esta fase, los datos recopilados respaldan su viabilidad técnica y  
refuerzan el valor formativo del proyecto PetroSim.  
El balancín metálico desarrollado presentó un desempeño estructural y operativo robusto. Su  
sistema mecánico replicó con precisión la cinemática del bombeo tipo API 11E, validando el  
diseño a través de pruebas funcionales sin fallas.  
Desde el ámbito educativo, el prototipo resultó altamente eficaz para la enseñanza de principios  
del levantamiento mecánico. La interacción directa con el equipo mejoró la comprensión  
técnica, motivación y apropiación del conocimiento por parte de los estudiantes.  
Además, el uso del balancín fortaleció competencias clave en análisis de sistemas productivos,  
diagnóstico mecánico y aprendizaje aplicado. Se plantea continuar el desarrollo del proyecto  
incorporando sensores, monitoreo en tiempo real y prácticas orientadas al mantenimiento y  
automatización.  
Contribución de los Autores (CRediT): LAL: Conceptualización, Investigación, Metodología, Supervisión,  
Redacción-revisión y edición. JDP: Conceptualización, Curación de datos, Metodología, Redacción-borrador  
original, Redacción-revisión y edición. EQO: Conceptualización, Investigación, Metodología, Redacción-  
borrador original, Redacción-revisión y edición.  
Conflicto de Intereses: Los autores declaran que no existen conflictos de intereses en esta publicación.  
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