Beneficios de los rodamientos híbridos en condiciones exigentes

Beneficios de los rodamientos híbridos en condiciones exigentes

Los rodamientos híbridos han demostrado su buen rendimiento en condiciones de lubricación deficiente y contaminación, pero todavía falta comprender qué mecanismos les confieren estos beneficios y su efecto en el rendimiento. Mediante experimentos y modelización especializada, SKF ha ampliado los conocimientos en la tribología de los rodamientos híbridos.

Autores:
C. Vieillard, técnico sénior de materiales cerámicos,
V. Brizmer, investigador sénior,
Y. Kadin, investigador sénior,
G.E. Morales-Espejel, científico principal,
A. Gabelli, científico sénior, SKF Engineering & Research Centre, Nieuwegein, Países Bajos.

Rodamientos híbridos Investigación y teoría

Los rodamientos híbridos, es decir, los rodamientos que van provistos de aros de acero y elementos rodantes especiales de nitruro de silicio (Si3N4), se usan cada vez más en entornos exigentes [1-4] como alta velocidad, compresores de aire acondicionado y refrigeración exentos de aceite, maquinaria para fluidos generales, maquinaria eléctrica y cajas de engranajes. En algunas de estas aplicaciones, un régimen de lubricación en condiciones límite o combinado, así como la contaminación por partículas sólidas, influyen en el rendimiento del rodamiento. En el caso de un régimen de lubricación en condiciones límite o combinado, las superficies de los caminos de rodadura del rodamiento –según las condiciones operativas– pueden estar expuestas a deformación y a grietas por fatiga iniciadas en la superficie, y ser susceptibles también al coeficiente de fricción en condiciones límite y a los efectos del desgaste que actúa en las superficies en contacto [5,6]. El riesgo de averías en la superficie de los caminos de rodadura es el resultado de la acumulación de daños por fatiga. En el caso de un entorno contaminado, las partículas sólidas atrapadas en el contacto rodante crean indentaciones de bordes elevados que pueden atravesar la película lubricante, incluso si el rodamiento funciona en buenas condiciones con película completa. Aunque sean puntuales, estas indentaciones grandes pueden conducir a fatiga prematura en la superficie [7,8]. Aquí se presentan los resultados de experimentos especiales y de modelización, a fin de comparar los mecanismos físicos y el rendimiento entre los rodamientos híbridos y los enteramente de acero, en primer lugar, en aplicaciones típicas en condiciones de película delgada, y en segundo lugar, en casos de grandes indentaciones.

Rendimiento de la superficie con lubricación deficiente

Los ensayos evidencian que pueden obtenerse importantes beneficios en el rendimiento usando rodamientos híbridos cuando la lubricación es combinada o en condiciones límite [1-4], incluida la deformación superficial [3]. El rendimiento de los contactos rodantes híbridos con lubricación deficiente [6] se examina en detalle mediante experimentos de fatiga con rodamientos y mediante un modelo combinado de deformación superficial y desgaste (descrito en [5]). La investigación realizada también ha revelado que la gran mejora en resistencia a la fatiga de la superficie de los contactos híbridos no puede explicarse solamente por diferencias normales en algunos de los parámetros de rugosidad existentes entre los contactos enteramente de acero y los contactos híbridos. Es necesario tener en cuenta que, en pruebas especiales, se ha observado una reducción considerable (por un factor de dos) en el coeficiente efectivo de fricción en condiciones límite del contacto híbrido, en comparación con el factor uno en el caso enteramente de acero [6].

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evolution@skf.com

Tabla 1: Banco de pruebas de rodamientos – condiciones de prueba

Tabla 1: Banco de pruebas de rodamientos – condiciones de prueba

Las pruebas se llevaron a cabo en un banco de pruebas de fricción vertical (fig. 1) bajo las condiciones de prueba consignadas en la tabla 1, empleando rodamientos axiales de rodillos cilíndricos de acero (con un desarrollo cíclico y de deformación superficial más rápidos que las arandelas) y arandelas de acero o Si3N4 para representar la configuración de contactos enteramente de acero o híbridos. Para evitar el desgaste durante la prueba al usar una arandela plana de cerámica excesivamente rugosa, se utilizó una superficie pulida. Esto es aceptable debido a que la rugosidad típica de la superficie de los elementos rodantes de cerámica en un rodamiento híbrido es muy baja. En las simulaciones numéricas, se tuvo en cuenta la diferencia en rugosidad de la superficie entre las arandelas de acero y cerámica. Se realizaron cuatro pruebas con contacto de acero y cuatro con contacto híbrido durante un total de seis horas (con paradas intermedias al cabo de dos y cuatro horas). Para la cuantificación del área de deformación superficial, se hicieron mediciones con perfilómetro óptico y se utilizó software propio. Debido a la ausencia de daños claros en la superficie del rodillo de acero en el contacto híbrido en las seis horas de la prueba, también se efectuaron pruebas más prolongadas durante un período de 97 horas (con paradas intermedias a las 37 y 60 horas).

Fig. 1: Vista esquemática de banco de pruebas de rodamientos.

Fig. 1: Vista esquemática de banco de pruebas de rodamientos.

En la fig. 2, se muestra el principal resultado, en las condiciones antedichas, de la correlación entre las mediciones y la simulación numérica (usando el modelo basado en la fatiga [6] y el modelo combinado de fatiga-desgaste [5]) del área de deformación superficial de contactos híbridos y enteramente de acero. Puede observarse fácilmente una acumulación gradual de deformación superficial a lo largo del tiempo en el contacto enteramente de acero, mientras que el híbrido no presenta prácticamente deformación superficial. También puede verse que los resultados del modelo combinado de deformación superficial/desgaste con valores de desgaste típicos de contactos híbridos (curvas azules) concuerdan algo más con los datos experimentales que con los resultados del modelo que no supone ningún desgaste (curvas negras).

Fig. 2: Datos experimentales (puntos cuadrados) respecto a simulaciones numéricas (curvas de trazo continuo) de acumulación de áreas de deformación superficial al incrementar el número de ciclos bajo las condiciones operativas relacionadas en la tabla 1.

Fig. 2: Datos experimentales (puntos cuadrados) respecto a simulaciones numéricas (curvas de trazo continuo) de acumulación de áreas de deformación superficial al incrementar el número de ciclos bajo las condiciones operativas relacionadas en la tabla 1.

La correlación entre la simulación numérica y las mediciones del área micropicada de contactos híbridos y enteramente de acero parece indicar que, por término medio, hay una relación de 2 entre los coeficientes de fricción de los contactos enteramente de acero respecto de los híbridos, lo cual explica parcialmente su mejor rendimiento en cuanto a deformación superficial. Esta relación media también se obtuvo en experimentos anteriores [7, 8]. Además de una menor fricción de lubricación límite, las demás causas del mejor rendimiento de la superficie de los contactos híbridos ante la deformación son su rugosidad más fina y asimetría de rugosidad más negativa (es decir, las cavidades profundas predominan respecto de las cimas elevadas) de los elementos antagonistas de Si3N4 en comparación con los enteramente de acero.

Propiedades de autorrecuperación de la superficie en un entorno contaminado

Aun cuando se ha realizado una gran labor en los rodamientos enteramente de acero, la naturaleza aleatoria de la indentación constituye una importante complicación al estudiar los mecanismos de desarrollo de los daños y la fatiga de la superficie relacionados con las indentaciones. Es un reto controlar el número, la geometría y la ubicación de las indentaciones. Por ello, en muchos estudios, se han introducido indentaciones artificiales. Las indentaciones, realizadas en los caminos de rodadura mediante un indentador de bola Rockwell, se utilizaron para estudiar la reducción de la vida de fatiga y el proceso de deterioro en condiciones de rodadura/deslizamiento en rodamientos enteramente de acero. Se observó que se iniciaba el desconchado en los bordes de salida de una indentación con respecto a la dirección de rodadura. Un mayor deslizamiento o alta tracción friccional de la superficie fomentan una iniciación más rápida de grietas en la superficie. Favorecen las grietas la tensión cortante ortogonal máxima desarrollada en la proximidad de la superficie de los bordes de salida [7,8]. La magnitud de estas tensiones depende de la geometría de la indentación, la calidad de la lubricación, la presión nominal de contacto y la magnitud de la rodadura/deslizamiento. Además, se realizó una modelización del colapso de la película lubricante en el borde de ataque de la indentación, con  desgaste y otros daños en la superficie. Los artículos publicados sobre el rendimiento de los rodamientos híbridos en un entorno contaminado son pocos. La labor pionera realizada [3] ha mostrado un excelente rendimiento en cuanto a resistencia al desgaste en condiciones de lubricación de aceite fuertemente contaminada. Se formuló una propuesta de mecanismo de “autorrecuperación” relacionado con el mayor módulo de Young y dureza del Si3N4, que produjo una deformación plástica de los bordes elevados de las indentaciones en la pieza equivalente de acero, lo que impidió la deformación superficial, el desconchado y el desgaste destructivo.

Fig. 3: Ilustración de una indentación artificial en un aro interior de rodamiento rígido de bolas, y geometría en sección transversal [9].

Fig. 3: Ilustración de una indentación artificial en un aro interior de rodamiento rígido de bolas, y geometría en sección transversal [9].

Para una mejor clarificación y cuantificación, el rendimiento se comparó directamente mediante experimentos y modelización de indentaciones artificiales en caminos de rodadura de acero expuestos a elementos rodantes de acero o Si3N4 [9]. Estas indentaciones se practicaron en el aro interior de rodamientos rígidos de bolas enteramente de acero y rodamientos híbridos (fig. 3). Luego, los rodamientos se sometieron a pruebas en las mismas condiciones operativas. Los ejemplos presentados en la fig. 4 eran de unas condiciones operativas con muy buena lubricación (película completa) y una presión de contacto media. Teniendo en cuenta el módulo de Young de las bolas de Si3N4, esto significa que el contacto híbrido trabaja a una presión de contacto nominal ligeramente más alta (p. ej., tabla 1). Una interrupción periódica de las pruebas para inspección y mediciones mostró una diferencia evidente entre los rodamientos enteramente de acero y los híbridos en el aspecto de la superficie y en los cambios en los bordes elevados de indentaciones (fig. 4a).

Fig. 4: a) Evolución de aspecto de indentación artificial durante el funcionamiento, b) en el rodamiento enteramente de acero con mediciones de perfil de indentaciones asociadas, c) en el rodamiento híbrido con mediciones de perfil de indentaciones asociadas. Detalles de la superficie de los bordes de indentaciones en el lado de ataque y de salida, respectivamente, en rodamientos enteramente de acero, d) y e) y en rodamientos híbridos f) y g) [6].

Fig. 4: a) Evolución de aspecto de indentación artificial durante el funcionamiento, b) en el rodamiento enteramente de acero con mediciones de perfil de indentaciones asociadas, c) en el rodamiento híbrido con mediciones de perfil de indentaciones asociadas. Detalles de la superficie de los bordes de indentaciones en el lado de ataque y de salida, respectivamente, en rodamientos enteramente de acero, d) y e) y en rodamientos híbridos f) y g) [6].

Los rodamientos enteramente de acero mostraron una deformación plástica limitada y un cambio de forma de los bordes de indentación elevados (fig. 4b). Esta reconformación limitada mantiene un determinado nivel de distribución de la presión local cuando el borde elevado de la indentación está sometido a rodadura tal como se muestra en la fig. 5b. Además, las superficies muestran unos daños claros. En los bordes de ataque de la indentación (fig. 4d), donde se prevé un colapso de la película, se observan dos mecanismos: un cierto desgaste adhesivo y deformación plástica superficial por microindentación de asperezas debido a que la superficie de las bolas de acero también se pone rugosa al someter la indentación a rodadura. En el borde de salida de la indentación, donde se prevé una mayor concentración de las tensiones, el rodamiento hecho completamente de acero mostró deformación plástica superficial por asperezas, lo que produjo microindentación en los bordes elevados de las indentaciones. A medida que discurre el tiempo de rodadura, el material se deforma y ­presiona hacia la indentación (fig. 4e), y se inicia una pequeña grieta en la superficie, que se propaga lentamente durante el continuado funcionamiento. La modelización de la deformación superficial [6, 7] muestra un círculo local de tensiones de tracción y deformación altas en la superficie (fig. 6a), y riesgo de iniciación de grietas correspondiente a la ubicación específica observada en las pruebas (fig. 4b y fig. 4e).

En una fase prematura del funcionamiento, el rodamiento híbrido desarrolló bordes de indentación mayores y más planos (fig. 4a y fig. 4c). En el borde de ataque, se observó desde un principio un ligero desgaste que eliminaba las marcas de acabado y mantenía una superficie muy suave (fig. 4f). La superficie de la bola de Si3N4 también permaneció en buenas condiciones y mantuvo su rugosidad inicial. La depuración prematura (estabilización plástica) con material forzado dentro de la indentación se justificó con simulación de elementos finitos elastoplásticos (fig. 5a), que muestra mayores tensiones y, por tanto, una mayor deformación local en el contacto híbrido. Con un tiempo de funcionamiento más prolongado (fig. 4g), también se observó un ligero desgaste en el borde de salida. Esta rápida y ligera reconformación del desgaste en los bordes de las indentaciones y el cambio en sus pendientes (fig. 4a) se estabiliza a lo largo del tiempo de funcionamiento, y la forma de la indentación cesa de evolucionar. Las presiones son lo suficientemente reducidas como para detener el suave mecanismo de desgaste.

Fig. 5: a) Contacto seco, modelo elastoplástico de tensión plana bidimensional con zona de altas tensiones de von Mises debajo de bordes elevados. b) Comparación de distribución de presión elástica local sobre borde elevado al someterse a la rodadura de rodamientos enteramente de acero e híbridos con la forma de la indentación cuando es nueva y después del funcionamiento [6].

Fig. 5: a) Contacto seco, modelo elastoplástico de tensión plana bidimensional con zona de altas tensiones de von Mises debajo de bordes elevados. b) Comparación de distribución de presión elástica local sobre borde elevado al someterse a la rodadura de rodamientos enteramente de acero e híbridos con la forma de la indentación cuando es nueva y después del funcionamiento [6].

En las condiciones de esta prueba, aun cuando en un principio las presiones locales fuesen más elevadas para el rodamiento híbrido, la reconformación de la forma de la indentación reducía la ­presión local a un nivel similar al del rodamiento enteramente de acero (fig. 5b). Además de esta reducción de la presión local, la modelización de la deformación superficial [9, 10] indicaba una reducción del gradiente de presión en los bordes de las indentaciones. Y, lo que era aún más importante, especialmente para la condición de la delgada película lubricante del borde de la indentación local, la modelización de la deformación superficial indicaba menores tensiones de tracción superficial y menos acumulación de fatiga o riesgo de iniciación de grietas (fig. 6b). Esto se debe al menor coeficiente de fricción límite en el contacto híbrido [6].

Fig. 6: Modelización de deformación superficial de indentación nueva y simulada a 250 M de revoluciones de fatiga acumulada. El lado de ataque es a la derecha de cada ilustración, el trasero a la izquierda [6].

Fig. 6: Modelización de deformación superficial de indentación nueva y simulada a 250 M de revoluciones de fatiga acumulada. El lado de ataque es a la derecha de cada ilustración, el trasero a la izquierda [6].

La vida de indentación se determinó en condiciones de carga iguales en los rodamientos enteramente de acero y los híbridos (fig. 3). El rodamiento híbrido, a pesar de funcionar a una mayor presión de contacto máxima y en unas condiciones de película más delgada, proporcionaba una mejor vida de indentación que el rodamiento enteramente de acero funcionando con película completa a una inferior presión de contacto máxima (fig. 7).

Fig. 7: Vida de indentación relativa en rodamientos enteramente de acero e híbridos bajo las mismas condiciones de carga; la calidad de la lubricación (condiciones kappa) era de 4 en los rodamientos enteramente de acero y de 1 en los rodamientos híbridos [6].

Fig. 7: Vida de indentación relativa en rodamientos enteramente de acero e híbridos bajo las mismas condiciones de carga; la calidad de la lubricación (condiciones kappa) era de 4 en los rodamientos enteramente de acero y de 1 en los rodamientos híbridos [6].

Estas observaciones pueden considerarse contradictorias, pero ilustran los beneficios de los rodamientos híbridos cuando existe una lubricación deficiente, asperezas en la superficie y tensiones por fricción, tanto si son en forma de indentaciones o lubricación general deficiente. Los mecanismos presentados compensan las eventuales indentaciones de mayor profundidad creadas en el contacto híbrido durante el aprisionamiento y rodadura sobre partículas observadas en condiciones de rodadura pura [11]. Estos beneficios compensan considerablemente la mayor presión de contacto existente en los contactos híbridos por una determinada gama de condiciones de carga. No obstante, en raros casos de aplicación con presiones de contacto muy altas, esta compensación positiva puede verse amenazada o reducida.

Resumen

Los rodamientos híbridos son mucho menos propensos a sufrir deformaciones superficiales que los fabricados enteramente de acero, gracias a su menor fricción límite y a la favorable topografía de rugosidad del nitruro de silicio utilizado.

En un rodamiento híbrido, solo la pieza equivalente de acero sufre un ligero desgaste, mientras que el componente de cerámica permanece casi inalterado.
En caso de contaminación, el ligero desgaste, la deformación plástica y la conservación de la superficie lisa en los bordes de la indentación en el rodamiento híbrido contribuyen a reducir las tensiones locales.

Se ha comprobado que, en los rodamientos híbridos, la buena resistencia a la deformación superficial y a los daños vinculados con condiciones de lubricación límite alrededor de la indentación al fallar la película lubricante conducen a una vida de indentación más prolongada.

 


Referencias

[1] Lewinschal, L., “Bearings for high speed operation”, SKF Evolution, N.° 2 1994, págs. 22-26. http://evolution.skf.com/bearings-for-high-speed-operations/
[2] Hultman, A., Weimarck, A. K., “Ceramics stand up to harsh realities”, SKF Evolution, N.° 4 1998, págs. 25-26. http://evolution.skf.com/ceramics-stand-up-to-harsh-realities/
[3] Gabelli, A., Kahlman, L., “Bearings that heal themselves”, SKF Evolution N.° 3 1999, págs. 26-28.
http://evolution.skf.com/bearings-that-heal-themselves-2/
[4] Morales Espejel, G. E., Hauleitner, R., Wallin, H. H., “Pure refrigerant lubrication technology in oil-free centrifugal compressors”, SKF Evolution, N.° 1 2017, págs. 26-30. http://evolution.skf.com/purerefrigerant-lubrication-technology-in-oilfree-centrifugal-compressors/
[5] Morales-Espejel, G.E. y Brizmer, V. (2011), “Micropitting Modelling in Rolling-Sliding Contacts: Application to Rolling Bearings”, Tribol. Trans., 54(4), págs. 625-643.
[6] Brizmer, V., Gabelli, A., Vieillard, C. y Morales-Espejel, G.E. (2015), “An Experimental and Theoretical Study of Hybrid Bearing Micropitting Performance under Reduced Lubrication”, Tribology Transactions, 58, págs. 829-835.
[7] Morales-Espejel, G.E., Gabelli, A., “The behaviour of indentation marks in rolling-sliding elastohydrodynamically lubricated contacts”, Tribology Transactions, 54, págs. 589-606, 2011.
[8] Morales-Espejel, G.E., Gabelli, A., “The progression of surface rolling contact fatigue damage of rolling bearing with artificial dents”, Tribology Transactions, 58, págs. 418-431, 2015.
[9] C. Vieillard, Y. Kadin, G.E. Morales-Espejel, A. Gabelli (2016), “An experimental and theoretical study of surface rolling contact fatigue damage progression in hybrid bearings with artificial dents”, Wear, págs. 364-365, págs. 211-223.
[10] Morales-Espejel, G. E., Brizmer, V., Stadler, K., “Understanding and preventing surface distress”, SKF Evolution, N.° 4 2011, págs. 26-31. http://evolution.skf.com/understanding-and-preventing-surface-distress/
[11] V. Strubel, N. Fillot, F. Ville, J. Cavoret, P. Vergne, A. Mondelin, Y. Maheo., “Particle entrapment in hybrid lubricated point contacts”, Tribology Transactions 2016, VOL. 59, N.° 4, págs. 768-779.

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