Fallas que presentan los cojinetes durante el período de vida útil

En el presente trabajo de curso se realizó una búsqueda bibliográfica relacionada con los cojinetes de bolas, para identificar los distintos tipos, aplicaciones, y el uso en las maquinarias, además de las fallas mecánicas que estos presentan. Según lo encontrado en dichas fuentes se llegó a la conclusión, que existen un grupo de fallas que interrumpen la vida útil de los cojinetes, estas son: mal manejo, lubricación deficiente, operación inadecuada, y contaminación del medio circundante, el cual favorece a las partículas en suspensión a que se incrusten en los cojinetes. Con esta información se logrará una cultura preventiva, en todo aquel individuo que esté inmerso en la actividad de mantenimiento de los cojinetes.

Abstract

In this paper a literature search of course related to ball bearings, to identify the different types, applications, and use in machinery, in addition to mechanical failures they present was made. As found in these sources was concluded that there are a group of faults that disrupt the life of the bearings, these are: poor management, poor lubrication, improper operation, and contamination of the surrounding environment, which favors suspended particles to be embedded in the bearings. With this information a preventive culture will be achieved in any individual who is immersed in the maintenance activity of the bearings.

Introducción

Desde los inicios de la historia de la humanidad, el hombre tiene la necesidad de transportar cargas de un lugar hacia otro. El mismo fue analizando, y buscando alternativas que le permitieran solucionar ese gran obstáculo que tenía, y no fue hasta entonces, que mediante su búsqueda, determinó que con una superficie de forma redonda podía encontrar gran parte de la solución. Los primeros en cultivar la idea sobre la utilización de dicha superficie, fueron los egipcios, los cuales utilizaban troncos de árboles, para que, los voluminosos bloques tallados en piedra rodaran encima de estos como un medio de traslado. Con el transcurso del tiempo se transforma esa superficie redonda y alargada de los troncos, en superficies redondas estrechas, y da paso al surgimiento de la rueda la cual fue un gran avance. Una vez ya descubierta la rueda, al hombre se le tornaba más fácil todo, y le surgen nuevas ideas, que contribuyen a la creación de la carreta. Esta iba a ser tractada por el mismo, facilitándole transportar una mayor cantidad de peso. En aquella época se utilizaba la grasa animal para la lubricación del eje de madera con la rueda, ya que existía cierta rigidez, que entorpecía el rodaje. Con el paso del tiempo existieron numerosas ideas en beneficio de minimizar la fricción y flexibilizar el rodaje. En "el siglo xv, Leonardo da Vinci descubrió el principio del rodamiento. Este se da cuenta que la fricción sería menos importante si las bolas no se tocaran, entonces desarrolló, separadores que permitían a las bolas evolucionar libremente. Se inventó otra vez este mecanismo durante el siglo XVlll cuando se patentó en Inglaterra, un eje para coches de caballos equipados con una corona de bolas en rotación en gargantas de sección semicircular realizadas en el eje""[1].

En la revolución industrial es donde el rodamiento tiene relevancia extrema, contribuyendo al desarrollo técnico y de la industria. "Los rodamientos son elementos de máquinas que tienen como finalidad dirigir el movimiento de rotación, y soportar las cargas que actúan sobre los árboles y ejes que giran en el espacio""[1].

En la actualidad todo tipo de maquinaria utiliza los rodamientos en gran parte de sus mecanismos, debido a que los mismos poseen menores pérdidas por fricción, durante su ritmo de trabajo, menor sobrecalentamiento, reducido consumo de lubricantes etc. Debido a las mejoras tecnológicas que tienen estos cada año que pasa, se ha incrementado su uso. Producto a la gran diversidad de empleo de estos elementos de máquinas en todo tipo de equipamiento, es de vital importancia el estudio de las fallas que presentan, durante su tiempo de vida útil. El objetivo del estudio de las posibles fallas que surgen en los mismos es para minimizar los accidentes, interrupciones etc.

Objetivo general

• Realizar una búsqueda bibliográfica sobre las fallas que presentan los cojinetes durante su período de vida útil.

Objetivos específicos

• Desarrollar un estudio sobre las fallas en los cojinetes.

• Caracterizar las fallas mecánicas que causan imperfecciones en los cojinetes.

Capítulo1:

Generalidades de los cojinetes

Los cojinetes son elementos de máquinas que tienen múltiples aplicaciones que contribuyen a la movilidad de accionamientos, mecanismos, etc, sin estos sería imposible ejecutar el movimiento para el desarrollo de cualquier actividad. Además, forman puntos de apoyos en ejes rotativos, sirven para sostener su peso en los ejes, guían la rotación, evitan deslizamientos. Hoy día han tenido una gran repercusión en la humanidad, pues sin los mismos el hombre no hubiera podido tener el desarrollo tecnológico existente.

Tipos de cojinetes

Los cojinetes de acuerdo a su tipo están clasificados de manera general en dos grupos:

Cojinetes de bola y cojinetes de deslizamiento, este trabajo se focalizará en el estudio de los cojinetes de bolas, pues se analizarán las diversas fallas que presentan. Los de deslizamientos presentan otras fallas que no son de interés para el estudio que se realizará.

Figura 2

Figura 1

Los rodamientos presentan características específicas que los hacen diferentes unos a los otros, las cuales están relacionadas con el tipo de diseño, el tipo de carga que van a estar sometidos etc.

Clasificación de acuerdo al tipo de cojinete:

Los rodamientos rígidos de bolas están compuestos por un anillo interior, un anillo exterior, y bolas que son colocadas en un separador que impide la salida y el contacto de una bola con otra. Ver en la figura 1.

Los rodamientos de una hilera de contacto angular tienen un ángulo de contacto, por lo que pueden soportar cargas axiales en una dirección y radiales. La rigidez de estos rodamientos puede aumentarse mediante la precarga, por lo que a menudo se utilizan en los husillos principales de las máquinas herramientas, en las cuales se requiere de una alta precisión de funcionamiento [2]. Ver en la figura 3

Figura 3

Los rodamientos de rodillos cónicos están diseñados de forma tal que los ápices de los conos formados por las pistas de rodadura del cono, y la copa de los rodillos cónicos coinciden en un punto del eje del rodamiento. Los rodillos cónicos de ángulo medio se usan principalmente en ejes de engranajes o en diferenciales de automóviles [2]. Ver en la figura 4

Figura 4

Los rodamientos de agujas, son rodamientos que poseen rodillos cilíndricos muy delgados y largos, generalmente el diámetro de las agujas es lo bastante pequeño para empelarlo en lugares donde el espacio radial es limitado. A pesar de su pequeña sección, estos rodamientos tienen una gran capacidad de carga. Este rodamiento es utilizado en el apoyo de biela de cigüeñal de los motores de combustión interna, de las motocicletas [2]. Ver en la figura 5

Figura 5

Los rodamientos de rodillos cilíndricos según sea la disposición de las pestañas, existen varios tipos como son:

Tipo NU: con dos pestañas en el aro exterior y sin pestañas en el aro interior.

Sólo admiten cargas radiales, son desmontables y permiten desplazamientos axiales relativos del alejamiento y en un eje de ambos sentidos [2]. Ver en la figura 6.

Figura 6

Tipo N: con dos pestañas en el aro interior, y sin pestañas en el aro exterior, presenta características similares al anterior [2]. Ver en la figura 7.

Figura 7

Tipo NJ: con dos pestañas en el aro exterior y una pestaña en el aro interior. Puede utilizarse para la fricción axial del eje en un sentido [2]. Ver en la figura 8.

Figura 8

Tipo NUP: con dos pestañas integrales en el aro exterior y con una pestaña integral y dos pestañas en el aro interior [2]. Ver en la figura 9.

Figura 9 Clasificación de acuerdo a la dirección de la carga:

Radiales:

Son aquellos que están diseñados para resistir cargas en dirección perpendicular al eje. Constan de cuatro piezas:

• Aro exterior

• Aro interior

• Elemento rodante

• Jaula

Axiales:

Están diseñados para resistir en la misma dirección del eje. Constan de tres piezas:

• Un aro superior

• Un aro inferior

• Un elemento rodante con algún tipo de canastillo

Contacto angular:

Son una mezcla de los casos anteriores, se basan en un rodamiento similar al radial con un diseño especial del aro exterior e interior, para soportar cargas axiales mayores que un rodamiento radial simple. Sus aplicaciones son muy amplias debido a que un eje siempre puede desarrollar cargas eventuales en una dirección inesperada [2].

Lineales:

Son los utilizados para el desplazamiento de un objeto a lo largo de un riel.

Materiales para la construcción de cojinetes:

Los materiales utilizados para la confección de los cojinetes son aceros aleados con cormo, manganeso, y molibdeno, para facilitar la ejecución de rigurosos tratamientos térmicos, y a la vez obtener piezas de gran resistencia al desgaste y la fatiga. En el caso de las jaulas se emplea el acero, metales de bajo roce y poliamida [2].

Aplicaciones de los cojinetes

Capítulo2:

Causas de fallas en cojinetes de rodamientos

Los rodamientos en su período de vida útil presentan fallas prematuras que contribuyen a limitarle su explotación, de acuerdo a lo planificado por el fabricante. La correcta identificación de las mismas contribuirá a tomar medidas con fines preventivos, permitiendo minimizar posibles averías. Los principales fabricantes de rodamientos "tienen estadísticas que indican que cerca del 16% de las fallas en los rodamientos son el resultado del mal manejo de estos, el 36% son el resultado de una lubricación deficiente, el 34% son el resultado de la operación inadecuada y el 14% de las fallas debido a la contaminación" [3].La figura 10 muestra una representación de la relación estadística.

Figura 10

Lubricación deficiente

Cuando existe una lubricación que no sea la adecuada, provoca el aumento de la fricción y el desgaste en el interior de los rodamientos, causando fallas prematuras. El aumento de la fricción y el desgaste producto a la deficiente lubricación incrementa el contacto metálico entre los anillos del rodamiento, elementos de rodadura y la jaula. El lubricante al no presentar las características adecuadas, como viscosidad y grosor, favorece a que la fatiga superficial de los elementos rodantes y las pistas de rodadura sea mayor, provocando recalentamientos. Los lubricantes actúan como barrera para impedir la entrada de contaminantes, y a la vez como fuente de disipación de calor producido durante el servicio. La lubricación está dividida en dos métodos, uno es la lubricación por grasa y la otra es por aceite. Una correcta selección de estos métodos contribuye a mayor durabilidad, y conservación de los cojinetes.

• Incorrectas operaciones de explotación

Cuando se va a realizar cualquier tipo de actividad con un cojinete hay que tener presente la finalidad del mismo, pues una incorrecta operación de explotación ocasionaría fallas mecánicas que lo destruirían totalmente. Los cojinetes cuando están sometidos a sobrecargas, y a vibraciones, que son provocadas por mala manipulación, al ser montados en árboles y ejes, esto trae como consecuencias en la maquinaria, que se encuentren laborando exista desalineación y desbalance, ocasionando fallas repentinas en la misma.

Principales fallas en los rodamientos

Los cojinetes están sometidos a esfuerzos constantes durante el período de vida útil, los cuales causan en las superficies de contacto (elementos rodantes y pistas), fisuras, porosidades, descascarillado, que son anomalías provocadas por un fenómeno que ocurre en este tipo de elemento de máquina, y es el caso de la fatiga superficial, la cual ocasiona en el cojinete fallas que provocan el deterioro repentino del mismo.

La vida efectiva o útil de los rodamientos "se define usualmente en términos del número total de revoluciones que puede ejecutar antes de que se presente el descascarillado de las pistas o de los elementos rodantes""[4]. Los distintos fabricantes, y en el caso de SKF que es uno de los principales plantea que: La vida útil está determinada por la carga y la velocidad de giro a la que se encuentra sometido, la misma se calcula mediante la siguiente expresión matemática:

Estudios realizados por las firmas productoras de dichos elementos mecánicos plantean que el 9% de los rodamientos alcanzan su vida útil debido a los principales fallos que se mencionan a continuación:

Fatiga a causa de, rodadura sobre cuerpos extraños

En presencia de elevada contaminación en el rodamiento se produce una notable reducción de la vida útil. El efecto de "los cuerpos extraños en cada caso concreto depende de su dureza, tamaño y cantidad, así como el tamaño del rodamiento. En lo que respecta a la fatiga, los rodamientos de bolas reaccionan a la contaminación de forma más sensible que los rodamientos de rodillos, mientras que los rodamientos con elementos rodantes pequeños son más sensibles que los equipados con elementos rodantes grande. En las incrustaciones de cuerpos extraños resultan críticos los alabeos del borde que se forman en el proceso. En las subsiguientes rodaduras, estos alabeos son sometidos a una solicitación especialmente intensa, y junto a ellos se forman las primeras grietas incipientes. El gráfico de la figura 11 muestra el efecto de algunas impurezas en la duración de los rodamientos"[5].

Figura 11 Disminución de la vida útil del rodamiento a causa de diversas impurezas.

Los daños por este tipo de fatiga son ocasionados por el desprendimiento de material, un ejemplo de lo mencionado anteriormente se pude observar en la figura 12.

Figura 12 Falla por fatiga, producto a la rodadura sobre cuerpos extraños.

Fatiga a causa de, sobrecarga estática

La sobrecarga estática elevada de un rodamiento "provoca identaciones de los elementos rodantes, cuyos alabeos son las principales causas de fallos. En la fase más temprana se observan identaciones a una distancia uniforme del borde y con la misma separación que los elementos rodantes como se muestra en la figura 13. En algunas ocasiones este fenómeno se presenta en un aro, de forma simétrica con respecto al centro de rodadura"[5].

Figura 13 Identaciones producidas por las bolas en un rodamiento rígido de bolas.

Fatiga a causa de, una deficiente lubricación

La lubricación es un elemento importante para el buen funcionamiento de los cojinetes, en caso de presentar deficiencias puede ocasionar daños que le den paso a la fatiga, la cual se desarrollará en un entorno favorable.

• Mala lubricación en "presencia de carga relativamente baja y existencia simultánea de deslizamientos: se producen roturas superficiales minúsculas. Como estas roturas aparecen en gran número, tienen aspecto de manchas sobre el camino de rodadura, denominadas punteado gris o micropittings"[5], ver figura 14.

Figura 14 Micropittings

• Lubricante diluido en presencia de carga muy elevada: se forman también pittings poco profundos en forma de concha como se muestra en la figura 15.

Figura 15 Fatiga en forma de conchas

• En el caso "de solicitaciones muy elevadas y el estado de la lubricación deficiente al mismo tiempo, se pueden producir zonas de calentamiento en el camino de rodadura, en las cuales se forman fisuras superficiales por el paso de los elementos rodantes""[5].

Desgaste

El desgaste "usualmente se refiere a la aparición de rugosidades en las pistas y elementos rodantes y por consiguiente pérdida de material, generalmente se producen en presencia de partículas abrasivas, problemas de lubricación y de vibración en los momentos de reposo de la máquina""[6]. Ver en la figura 16. La tabla 1 muestra datos con respecto a la apariencia de la falla y la causa que lo origina.

Tabla 1 Tipos de desgaste, descripción y causas.

Figura 16 Huellas de desgaste en la superficie de elementos rodantes.

Oxidación

La oxidación ocurre cuando el lubricante no es capaz de crear una capa protectora que impida la penetración del oxígeno con las superficies metálicas del rodamiento. El óxido deteriorará paulatinamente la superficie hasta el momento en que la misma no sea utilizable, y a la vez provocando una falla que contribuirá a la disminución de la vida útil del rodamiento.

Esta falla es ocasionada producto al medio circundante en el cual esté presente el rodamiento. Para su identificación, se puede visualizar que en las superficies de rodadura surge una decoloración marrón, la cual se encuentra distribuida irregularmente en forma de excoriaciones. Ver en la figura 17.

Figura 17 Oxidación en el aro exterior de un rodamiento rígido de bolas.

Corrosión

La corrosión es "formada por una capa de óxido oscura y delgada, provocada por un ataque químico de agentes corrosivos, ejemplo de esto son ácidos que corroen rápidamente el acero. Las sales que están presentes en el agua constituyen, juntamente con el agua, un electrolito, el cual causa corrosión galvánica (corrosión electroquímica), por este motivo el agua salda es altamente peligrosa para el rodamiento""[1]. La figura 18 muestra los daños superficiales en un rodamiento debido a la corrosión.

Figura 18 Daños superficiales producto a la acción de medios agresivos.

Conclusiones

• De acuerdo a las fuentes bibliográficas consultadas se determinó que las fallas presentadas por los cojinetes de rodamientos son: fatiga superficial, fatiga volumétrica, oxidación, y corrosión, las cuales son ocasionadas por diferentes motivos, estos son: lubricación deficiente, mala manipulación de los cojinetes mediante operaciones inadecuadas. Estas fallas provocan disminución de la vida útil de los rodamientos.

• Durante el estudio realizado sobre las fallas en los cojinetes se encontró un análisis estadístico desarrollado por los principales fabricantes, que plantea que cerca del 16% de las fallas en los cojinetes es el resultado del mal manejo, el 36% es el resultado de una lubricación deficiente, el 34% son el resultado de una operación inadecuada, y el 14 % de las fallas es debido a la contaminación.

• Las fallas mecánicas, que según su naturaleza causan imperfecciones en los cojinetes son:

• Fatiga por sobre carga estática, la cual provoca identaciones en las pistas de rodadura de los cojinetes de bolas, y a la vez provocan altas vibraciones que conllevan a un deterioro paulatino.

• Fatiga a causa de una lubricación deficiente, esta trae como consecuencia, un recalentamiento indebido en los cojinetes, producto al elevado coeficiente de fricción, y a la vez presenta un deterioro a corto plazo.

• Desgaste: Esta es una de las fallas que más se ven en los cojinetes, ya que surgen producto a partículas abrasivas que se encuentran en suspensión en el medio circundante el cual está expuesto dicho cojinete, y se van depositando en la grasa del mismo, hasta llegar a la superficie de contacto, trayendo como consecuencia un incremento paulatino el desgaste.

Bibliografía

• Carrillo Fontaine, A., Estudio de fallas en los rodaminetos de la máquina VIBRACOM. 2013, Universidad Central ''Marta Abreu'' De Las Villas.

• NSK, Catálogo de rodaminetos NSK No.E1102c. 2009.

• Kruger, W., Detectando fallas en rodaminetos utilizando métodos de pruebas electricos y mecánicos de vibraciones. 2009.

• NTN, Rodaminetos de Bolas y de Rodillos 2202-Vll/S. 2004.

• FAG, Averías en los rodaminetos WL 82 102/2 SB. 2002. p. 75.

• Marino, C., Estudio de fallas comunes en rodaminetos rígidos de una hilera de bolas mediante análisis dentro del dominio del tiempo y de la frecuencia. 2002.

Autor:

Jorge Luis Marrero García

Estudiante de post-grado

Facultad de Ingeniería Mecánica e Industrial Departamento de Soldadura

Trabajo final de tribología

2015-2016