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Ingeniería Mecánica: Sistemas de rodamientos autoalineables

En esta entrada os quiero hablar de las disposiciones de rodamientos habituales en el diseño mecánico de máquinas. Cada equipo o máquina tendrá sus propias peculiaridades pero básicamente, todos los ejes y árboles usados para la transmisión de potencia deberán estar soportados por cojinetes o rodamientos, a elegir según la velocidad de giro y carga. Serán muchas las posibles configuraciones a adoptar y el diseñador, en función del sistema de cargas estático y dinámico deberá elegir el más apropiado para el funcionamiento fiable del mecanismo ingeniado. El ingeniero mecánico usará criterios de resistencia, deformación y económicos, por este orden. En una máquina de papel prensa existen multitud de rodillos: aspirantes, guías, prensas, secadores, etc. las más modernas tienen anchos de hoja de papel de alrededor de 10 m y producen papel prensa a velocidades de alrededor de los 2.000 m/min. La importancia de un correcto diseño de los sistemas de rodamientos en general y en particular para el apoyo de estos rodillos es primordial para aumentar la vida del rodamiento y la fiabilidad de la máquina.

En toda máquina o equipo industrial los ejes normalmente se encuentran apoyados en dos rodamientos, cada uno de ellos generalmente localizados en ambos extremos de los mismos. Es también habitual, aunque no necesario, encontrar que el diseñador ha previsto un mecanismo que soporte el estado de cargas de manera simétrica, es decir, ambos rodamientos son del mismo tamaño. Ahora bien, tradicionalmente la disposición a diseñar pasa por el uso de un rodamiento “fijo” en uno de los extremos del eje que, además de soportar carga radial, debe soportar la carga axial aplicada sobre el eje y además fijar axialmente el eje o rodillo respecto a su estructura de apoyo. En el extremo opuesto del eje tendremos el rodamiento conocido como “libre” que, además de soportar carga radial, debe permitir el movimiento axial del eje, es decir, absorber el movimiento axial para compensar dilataciones y contracciones térmicas del eje o estructura de apoyo, tolerancias de fabricación o tolerancias de montaje.

Para la implementación de esta disposición se han usado desde hace mucho tiempo rodamientos de bolas a rótulas o de rodillos a rótulas en ambas posiciones. Es una disposición robusta capaz de aguantar cargas radiales y axiales a la vez que permiten la absorción de desviaciones producidas por las tolerancias de fabricación y las deformaciones térmicas. En la siguiente figura podéis observar un ejemplo de esta disposición, el rodamiento de la izquierda es el “fijo” y soporta el esfuerzo axial y el de la derecha es “libre” y se puede desplazar axialmente dentro de su soporte.

Disposición tradicional de dos rodamientos autoalineables

Sin embargo esta disposición, empleando estos tipos de rodamientos tiene sus consecuencias. Fijaos que el rodamiento “libre” de la derecha debe desplazarse axialmente, hacia ambos lados, dentro del soporte para compensar deformaciones y tolerancias. Es fácil suponer que para que esto pueda ocurrir, este rodamiento debe montarse en su alojamiento con ajuste deslizante y además, debe existir el espacio necesario y suficiente, tanto hacia un lado como al otro, para que este movimiento pueda producirse. Esta circunstancia condiciona enormemente el diseño en cuanto a su rigidez radial se refiere y además, con un ajuste deslizante, el rodamiento podría girar en su alojamiento bajo determinadas condiciones de carga dañando el soporte y produciendo vibraciones.

Hay que plantearse igualmente que este ajuste deslizante debe permanecer así en funcionamiento y esto puede que no sea tan fácil de conseguir como se pretende. En el arranque puede darse que, al dilatar la pista del rodamiento de manera más rápida que el soporte donde se aloja, la holgura quede eliminada y el movimiento axial del rodamiento restringido. O puede darse el caso de que el alojamiento del rodamiento no haya sido mecanizado con las tolerancias de forma correctas, quedando con forma de óvalo, cónico, etc. Finalmente, la holgura entre el aro del rodamiento y su alojamiento puede producir corrosión de contacto impidiendo igualmente el movimiento axial del rodamiento. Como consecuencia, ambos rodamientos se encontrarán sometidos a una precarga axial que provocará, a la mínima sobrecarga producida por deformaciones térmicas u otras, una evidente reducción de la vida del rodamiento provocando su fallo prematuro.

Esfuerzos axiales por restricción del movimiento del rodamiento libre

De igual manera podemos afirmar que existe un esfuerzo axial añadido que es equivalente a un porcentaje del esfuerzo radial aplicado en el rodamiento y que está causado por las fuerzas de rozamiento que éste debe vencer para emprender su movimiento. Dicho esfuerzo de valor Fa = Fr x µ, siendo µ el coeficiente de rozamiento (de valor entre 0,12 y 0,16), provoca que la distribución de la carga dentro de los rodamientos no sea uniforme y que cada hilera de elementos rodantes soporte una carga diferente.

Esfuerzo axial provocado por las fuerzas de rozamiento

Distribución desigual de la carga

En general, una distribución inestable de la carga sobre el rodamiento provocará elevadas tensiones internas, alta temperatura, desgaste acelerado del rodamiento, altos esfuerzos en las jaulas, etc. En estas disposiciones de rodamientos pueden darse estas circunstancias en mayor o menor medida considerándose efectos adversos graves. En el siguiente diagrama se representan las mediciones de temperatura y desplazamiento de un rodamiento “libre” montado sobre un rodillo de una máquina de fabricación de papel en el periodo de puesta en marcha.

Medida de temperaturas y posiciones axiales de un rodamiento

A medida que aumenta la temperatura, el rodamiento se desplaza y tiene periodos estacionarios en el que las fuerzas de rozamiento impiden su movimiento. Cuando el esfuerzo axial sobre el rodamiento es lo suficientemente grande para vencerlas, el rodamiento se desplaza repentinamente con grandes movimientos, reduciéndose a la vez de manera perceptible la temperatura medida sobre el mismo. Este proceso continúa repitiéndose así hasta alcanzar una condición estable y en la que, probablemente, quede un esfuerzo axial residual mas pequeño que las fuerzas de rozamiento que provoquen una distribución desigual de la carga en las hileras de elementos rodantes. Durante la parada de la máquina se produce el mismo efecto pero en sentido contrario.

No todo está perdido. Desde hace pocos años existen en el mercado varios diseños que evitan este tipo de concesiones a la hora de diseñar las disposiciones de rodamientos. En muchas posiciones críticas y rodillos de las máquinas de papel han empezado a introducirse con relativa rapidez. En estas posiciones los rodamientos sufren enormes deformaciones debido a los cambios de temperatura, en puestas en marcha o en paradas de máquina. Es frecuente igualmente encontrarlos en transmisiones que habitualmente pueden ser un foco de problemas, como un ventilador girando a 3.000 rpm.

El fabricante de rodamientos SKF puso en el mercado el rodamiento toroidal de rodillos con una única fila de elementos rodantes largos. La particularidad de la curvatura de sus superficies permite que el rodamiento absorba el movimiento axial internamente, es decir, uno de los aros puede desplazarse axialmente con respecto al otro con lo cual se elimina la necesidad del desplazamiento externo o que la pista exterior deba deslizarse por su alojamiento. Para comprenderlo mejor podemos imaginar que funciona, en este aspecto, como un rodamiento de rodillos cilíndricos.

Desplazamiento axial

Pero además, esta curvatura interna de sus superficies permite igualmente la desalineación de un aro respecto al otro confiriendo al elemento la capacidad de autoalineación.

Rodamiento autoalineable

La combinación de las propiedades de autoalineación y el ajuste axial sin rozamiento asegura que la carga se distribuya de la forma más uniforme y constante posible a lo largo de todas las hileras de elementos rodantes en los dos rodamientos del eje o rodillo. De esta forma las tensiones son bajas, la temperatura se reduce, se alcanza la máxima vida a fatiga y disminuyen las vibraciones y daños a las jaulas. Respecto al montaje, pueden usarse fuertes ajustes en todos los aros de rodamientos del sistema eliminando el riesgo de desgaste de los soportes.

Rodamiento SKF Carb

Me gustaría insistir que para una disposición de rodamientos autoalineables en la que se usa un rodamiento de este tipo hay que tener en cuenta que los aros exteriores de ambos rodamientos van “fijos” en sus correspondientes alojamientos. Así, en la siguiente figura se muestra una disposición de rodamientos en la que ha desaparecido la carga axial, ambos rodamientos están montados de manera fija en sus alojamientos y la distribución de la carga sobre los elementos rodantes es uniforme.

Nueva disposición de rodamientos

Montaje de un rodamiento CARB en un rodillo secador

Por su parte el fabricante de rodamientos FAG ha combinado la absorción de los movimientos axiales y la capacidad de autoalineación en un único rodamiento de rodillos cilíndricos como el que aparece en la disposición de rodamientos siguientes en el lado derecho, corresponde a un rodillo secador de una máquina de papel.

Disposición de rodamientos de un secador usando elementos FAG

Me gustaría que dejarais vuestros comentarios al respecto. Gracias.

Un saludo

mecantech@gmail.com
 

Fuente: Publicación 4417 Sp de SKF

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  1. juan antonio mercado leiva
    22/02/2012 en 04:09

    Me gusta su descripción del funcionamiento del rodamiento carb. La semana pasada le cambiamos el rotor al secador de harina de una planta de producción de harina de pescado y el rodamiento carb se instaló en el lado de entrada de vapor y ahora he entendido que por las variaciones de temperatura se produce un desplazamiento axial del eje y del rodamiento sin producir daño al mismo. Muchas gracias.

    me gustaria saber las especificaciones de montaje.

    • 22/02/2012 en 07:48

      Hola Juan Antonio, gracias por tu visita al blog. Me alegra saber que te ha aclarado la idea del funcionamiento del CARB. En cuanto a las especificaciones del montaje ¿podrías indicarme el tipo de rodamiento que montáis en el rotor? así puedo especificar algo más. Gracias.

  2. carlos chirinos
    19/05/2012 en 20:38

    muy bueno tu trabajo amigo.. mi pregunta es ¿como se las horas de trabajo operacional de los cojinetes y el sello? si puedes ayudarme te lo agradecería necesito esa información para mi trabajo de grado…

    • 19/05/2012 en 22:58

      Hola Carlos, supongo que te refieres a las horas de funcionamiento. Se trata del tiempo en el que la bomba está girando, es decir, en el que bombea. No se tiene en cuenta los periodos de tiempo en el que está parada. Para un mantenimiento puramente preventivo es importante no siéndolo tanto para un tipo de mantenimiento efectuado bajo condición de algún parámetro medible como la presión a la salida, vibraciones, temperatura, etc. Un saludo.

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