Roller bearing

Mecanismos causantes de indentaciones en los caminos de rodadura

Bien es sabido que las marcas por indentaciones en los caminos de rodadura de los rodamientos provocan daños superficiales que acortan su vida útil. SKF tiene esto en cuenta desde hace años en los cálculos de la vida útil de los rodamientos a través del factor de contaminación ηc. Recientemente, la empresa ha desarrollado modelos avanzados y realizado experimentos para pronosticar la interacción entre los rasguños e indentaciones y el lubricante presente en los caminos de rodadura. En este artículo se exploran detalladamente estas interacciones y el efecto del deslizamiento, a fin de obtener una comprensión profunda del proceso causante de los daños.

Por G.E. Morales-Espejel y A.Gabelli, científicos principales del Centro de ingeniería e investigación de SKF, Nieuwegein, Países Bajos.

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Resumen

Resumen
Para reducir los distintos tipos de daños en las superficies de rodadura de los rodamientos se deben comprender las causas que los desencadenan y propagan. En este artículo, ingenieros de SKF exponen una investigación teórica y experimental relacionada con la generación y desarrollo de indentaciones. Han creado mejoras en los modelos de teoría de rodamientos de SKF que muestran una buena coincidencia con los resultados experimentales que explican las causas subyacentes de los daños en la superficie. El trabajo también señala la importancia que tienen la limpieza, un adecuado montaje del rodamiento y una lubricación apropiada.

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Guillermo Morales

 

Las partículas sólidas excesivamente sometidas al paso de los elementos rodantes pueden producir indentaciones superficiales en los lugares de contacto de rodadura-deslizamiento de los caminos de rodadura. Se sabe que estas indentaciones incrementan el riesgo de desperfectos en el lugar de contacto. El proceso de formación de los desperfectos puede estar influido por el grado de deslizamiento allí presente; en los engranajes este mecanismo es diferente del de los rodamientos. Para comprender mejor el proceso del desperfecto y desarrollar medidas preventivas, se ha elaborado un análisis detallado del comportamiento dinámico de las indentaciones en los lugares de contacto de rodadura-deslizamiento lubricados y sometidos a una gran carga. Se ha analizado el efecto de las presiones, tensiones y deformación superficial alrededor de las indentaciones y se han comparado los pronósticos de daños con resultados experimentales. Los estudios acerca de la influencia del deslizamiento en el lugar de contacto han mostrado que en condiciones de poco deslizamiento, típicas en rodamientos, el proceso de los desperfectos lo domina la reducción del espesor de la película y la deformación superficial alrededor de los resaltes de la indentación, mientras que cuando hay un gran deslizamiento (engranajes), es más probable que se trate de un proceso de fatiga debido a la superposición de dos ondas de presión.

Es conocido que las perturbaciones geométricas superficiales (por ej. rasguños, marcas de indentación, etc.) son una fuente de daños en contactos de rodadura-deslizamiento lubricados y con gran carga. En general, las condiciones de lubricación de estos lugares de contacto son elastohidrodinámicas (EHL), pero a veces la lubricación puede ser del tipo combinado. En engranajes, rodamientos y otras muchas máquinas hay zonas de contacto entre las piezas. Las imperfecciones en la superficie pueden generar fluctuaciones en el espesor de película local y las ondas de presión, provocando concentraciones de tensiones. Las tensiones en la superficie inducidas por características geométricas que atraviesen lugares de contacto similares a los hertzianos han sido estudiadas por muchos investigadores mediante métodos numéricos, experimentales y semianalíticos. La tendencia industrial actual de reducción de tamaños, reducción del consumo de energía y temperaturas operativas más altas tiende a incrementar las tensiones superficiales en los rodamientos. En ellos suelen encontrarse un menor espesor de película lubricante, velocidades más altas (o muy bajas) y condiciones dinámicas. Es probable que en los rodamientos todos estos factores incrementen el riesgo de desperfectos debido a imperfecciones como la indentación en los caminos de rodadura. Un aceite limpio es un factor importante para incrementar al máximo la durabilidad. Por ello, el modelo de vida útil de rodamientos de SKF [1] y la norma ISO 281 [2] incluyen el grado de limpieza del lubricante como un parámetro en los cálculos de la vida útil de los rodamientos. En un artículo anterior [3] se abordaron los efectos de la limpieza del lubricante y su incidencia en la vida útil del rodamiento; aquí se presenta una descripción más detallada de las marcas de indentación y condiciones de lubricación del lugar de contacto en los caminos de rodadura de los rodamientos.
Muchos autores han tratado este tema usando puntos de contacto lubricados y secos, y valores de deslizamiento bajos y altos, ofreciendo una visión general poco clara del mecanismo de desarrollo de los desperfectos. Cheng et ál. [4] realizaron una investigación experimental del desarrollo de grietas en la región de indentaciones producidas artificialmente en contactos rodantes-deslizantes, como indentaciones y muescas bajo condiciones de lubricación EHL con un factor de deslizamiento S = ±0,24, es decir, S = 2 (u2-u1)/(u2+u1). El análisis fue complementado con varias simulaciones numéricas utilizando fluido no newtoniano, que mostraron que el deslizamiento cambia la posición y magnitud de la onda de presión alrededor de las indentaciones, siendo superior delante (borde delantero) de la indentación cuando la superficie indentada se mueve más lentamente que la lisa, y viceversa (véase la fig. 1 para la nomenclatura). Nélias y Ville [5], Ville y Nélias [6] han realizado numerosas observaciones experimentales y simulaciones numéricas de indentaciones en lugares de contacto EHL con condiciones de rodadura y rodadura-deslizamiento puras. Las simulaciones numéricas en Nélias y Ville [5] con fluidos newtonianos muestran que todo incremento del deslizamiento aumenta el esfuerzo cortante máximo debajo del lugar de contacto (por ej., mayor deslizamiento y mayor fricción como resultado de un fluido newtoniano). Se observó que cuanto mayor es el deslizamiento impuesto en el lugar de contacto EHL, mayor es el esfuerzo cortante en la subsuperficie y, por ello, más breve es la vida útil alrededor de la indentación. En Ville y Nélias [6], también se hicieron ulteriores experimentos y algunas simulaciones para S = ±0,015, confirmando las conclusiones anteriores de que el lugar de desarrollo preferido del desconchado depende de la dirección de la fricción. Una superficie indentada lenta tiene tendencia a desarrollar un desconchado en el borde delantero de la indentación, mientras que en una superficie indentada rápida la tendencia es que se desarrolle en el borde posterior de la indentación. En condiciones de rodadura pura se sostiene que el desconchado puede presentarse en ambos lados. En experimentos de contacto seco (Xu et ál. [7]) se observó que el desconchado se produce en el lado posterior (borde trasero) de la indentación, en la superficie impulsora; por ello, Xu et ál. llegaron a la conclusión de que en las superficies indentadas el principal mecanismo que fomenta el desconchado es la fuerza de fricción en la superficie.

Indentaciones producidas por diferentes partículas
La geometría de indentación básica se presenta idealizada en la fig. 2. Suponiendo que la partícula quede atrapada en el lugar de contacto (las partículas muy grandes no quedan atrapadas y las muy pequeñas pasan por la película de lubricante sin causar indentaciones), se producen diferentes formas de indentación, dependiendo de la dureza de la partícula, de su geometría y de la dureza del material indentado. Las indentaciones de gran tamaño (ø) o muy profundas (hp) y con grandes resaltes (sp) son las más peligrosas. La fig. 3 muestra características de diferentes partículas asociadas con las correspondientes indentaciones. Las partículas blandas o maleables (dúctiles), como la fibra o metal, producen indentaciones poco profundas con resaltes. Las partículas duras y frágiles se descomponen en fragmentos muy pequeños y producen un conjunto de indentaciones diminutas. Las partículas tenaces desmenuzables producen un gran aglomerado de material que ocasiona muescas en el acero con resaltes cortantes.

Interacción entre las indentaciones y el lubricante
Para comprender mejor la interacción de las indentaciones con el lubricante circundante atrapado en un lugar de contacto sometido a una gran carga, SKF ha desarrollado modelos detallados y ha realizado experimentos [8, 9] para estudiar los fenómenos asociados con este problema. Primeramente se describe el proceso de una indentación u otra perturbación superficial geométrica que intervenga en el lugar de contacto.

Perturbación geométrica super­ficial en lugares de contacto lubricados sometidos a gran carga
Cuando una perturbación superficial llega a un lugar de contacto EHL genera dos presiones y ondas de espesor de película diferentes. La primera es la onda de presión asociada, producida por la deformación elástica de estado estable de la perturbación en la superficie. Esta onda va acompañada de una onda contraria en el espesor de película, y se desplaza dentro del lugar de contacto con la misma velocidad que la superficie que la produce (por ej., u2); se denomina “integral particular”. La segunda onda la produce la perturbación en el inicio del lugar de contacto, debido a que toda perturbación geométrica en una de las superficies actuará como una válvula de paso reguladora del caudal de lubricante que entra en el lugar de contacto. Esta onda tiene componentes de espesor de película y onda de presión que se propagan dentro del lugar de contacto a la velocidad media del lubricante ( ū = (u2+ u1)/2). Las ondas de presión final y espesor de película, denominadas la “función complementaria”, son la combinación de esos dos componentes (fig. 4).

Perturbación geométrica superficial en lugares de contacto rodantes-deslizantes con condiciones de deslizamiento lento (rodamientos)
Las condiciones de deslizamiento lento son típicas en el centro de los caminos de rodadura de los lugares de contacto (S < 0,05) de los rodamientos. Utilizando el modelo detallado de SKF es posible simular el paso de una geometría de indentación a través de un lugar de contacto lubricado sometido a una gran carga, y calcular la geometría deformada generada dentro del lugar de contacto y las ondas de presión generadas. La fig. 5 muestra la indentación “modelo” inicial impuesta en la superficie de contacto superior y el perfil de línea central de la indentación deformada aislada, y la onda de presión generada en el centro del lugar de contacto calculada bajo condiciones de rodadura pura. Un ligero incremento del deslizamiento en alguna de las direcciones (–0,05 < S < 0,05) altera considerablemente los resultados. La fig. 5 muestra que en la parte frontal de la indentación (borde delantero), la forma deformada del espesor de película presenta un colapso. Sin embargo, detrás de la indentación (borde trasero) aparecen unas presiones ligeramente más altas. Esto parece indicar que cuando hay una buena película de lubricante, las indentaciones probablemente fallen primero en el borde trasero de la indentación debido a que las presiones son superiores y no se deben al contacto de metal con metal en el borde delantero de la indentación. Sin embargo, si la lubricación es deficiente, es de esperar que se produzca desgaste y posiblemente deformación superficial en el borde delantero de la indentación. Este resultado concuerda plenamente con los resultados experimentales (fig. 6) obtenidos en el laboratorio del Centro de ingeniería e investigación de SKF, en ensayos empleando rodamientos de bolas completos con indentaciones artificiales en los caminos de rodadura. Aquí puede observarse una zona de deformación superficial (microdesconchado) en el borde trasero de la indentación mientras que se produce un desgaste sustancial en el borde delantero, posiblemente causado por un colapso de la película lubricante local. Perturbación geométrica superficial en lugares de contacto rodantes-deslizantes con condiciones de deslizamiento moderadas (engranajes)
En los lugares de contacto de los engranajes pueden presentarse condiciones de deslizamiento moderado (S ~ 0,1). Utilizando el modelo detallado de SKF con comportamiento no newtoniano del fluido (un incremento del deslizamiento no aumenta la fricción), es posible simular el paso de una indentación en el lugar de contacto lubricado con estas condiciones de deslizamiento. La fig. 7 muestra las ondas de presión aisladas, espesores de película y tensiones de von Mises normalizadas de subsuperficie calculadas para un lugar de contacto sometido a una gran carga con dos condiciones diferentes de deslizamiento moderado (S = 0,1 – superficie lisa inferior desplazándose más rápidamente que la superficie superior indentada y S = –0,1 – superficie lisa inferior desplazándose más lentamente que la superficie superior indentada). Puede verse que en estas condiciones de deslizamiento moderadas, invirtiendo el signo del deslizamiento se invierte la ubicación de la onda de presión máxima, y por tanto la ubicación del primer desperfecto posible. Esto explica tal vez algunos resultados experimentales aparentemente contradictorios presentados en la bibliografía existente.

Perturbación geométrica superficial en lugares de contacto rodantes-deslizantes con condiciones de deslizamiento altas (engranajes)
En la parte central de los caminos de rodadura de los rodamientos no se crean condiciones de deslizamiento altas (S > 0,1) pero, en cambio, pueden producirse en los lugares de contacto de los engranajes. Utilizando el modelo detallado de SKF con un comportamiento realista del lubricante como fluido no newtoniano (un incremento del deslizamiento no aumenta la fricción), es posible simular el paso de una indentación en el lugar de contacto lubricado con estas condiciones de deslizamiento mientras la indentación se desplaza dentro del lugar de contacto. La fig. 8 muestra las ondas de espesor de película y presión aislada en función del tiempo para una condición de deslizamiento alta (S = –0,5 – desplazándose la superficie inferior lisa más rápidamente que la indentada superior).

En la fig. 8 puede verse que la posición original de la indentación sigue el valor mínimo de la onda de presión (Δp); sin embargo, debido a que el deslizamiento es elevado, hay tiempo suficiente para que los dos componentes de onda posteriormente puedan separarse como ondas de presión y espesor de película. En el último momento (Δt), la onda de espesor de película (Δh) generada en la entrada del lugar de contacto ya lo ha abandonado mientras que la onda de presión todavía está dentro. Aquí, el desperfecto en el lugar de contacto dependerá de cómo las ondas de presión se superpongan y combinen en los diversos ciclos de fatiga. El desperfecto podría producirse en un punto bastante apartado de la indentación.

Deformación superficial alrededor de las indentaciones en los rodamientos
Tal como se muestra en la fig. 6, en los rodamientos la deformación superficial (microdesconchado) aparece frecuentemente alrededor de las indentaciones (zona del resalte). Generalmente, la deformación superficial aparece primero en el borde, donde la onda de presión es máxima. Si el espesor de la película lubricante es mayor, la deformación superficial alrededor de la indentación tardará tiempo en desarrollarse, o tal vez no se produzca nunca. Sin embargo, si las condiciones de lubricación no fueran buenas, la deformación superficial se desarrollará fácilmente. El modelo de deformación superficial desarrollado por SKF [9] también puede aplicarse a indentaciones en la superficie. Dicho modelo utiliza el cálculo de la presión hidrodinámica descrito en el presente artículo, aunque modificado para tener en cuenta la lubricación parcial (zonas con contacto de metal a metal). En esta sección se realizan simulaciones para mostrar que el desarrollo de la deformación superficial alrededor de las indentaciones tiene la misma base física que la deformación superficial normal en caminos de rodadura con condiciones de lubricación deficiente. En las figuras 6 y 9 se muestran resultados experimentales y de simulaciones. Los resultados experimentales de este caso se exponen en la fig. 9a tras 2.250 millones de ciclos de rodadura. La fig. 9b presenta un perfil de presión y mapa de tensiones subsuperficiales a lo largo del eje x en el plano medio. La fig. 9d muestra el desarrollo de la deformación superficial tal como pronostica el modelo para este caso tras 2.250 millones de ciclos de rodadura. La fig. 9c revela la simulación de los daños por deformación superficial tras 750 millones de ciclos de rodadura. Una comparación con la imagen experimental de la fig. 6 muestra que los resultados son muy similares.

Comentarios y conclusiones
Las indentaciones por rodadura-deslizamiento en lugares de contacto lubricados sometidos a grandes cargas constituyen un riesgo significativo en la vida útil de los elementos de las máquinas (por ej., rodamientos, engranajes, etc.). En el presente estudio, se realizaron simulaciones con el modelo avanzado de SKF para el análisis de experimentos llevados a cabo en ensayos con rodamientos completos en el Centro de ingeniería e investigación de la empresa, a fin de comprender más profundamente el efecto de las fluctuaciones en la presión hidrodinámica de indentaciones atravesando lugares de contacto de rodadura-deslizamiento. Las simulaciones explican satisfactoriamente la presencia de la zona acristalada formada en el borde delantero del lugar de contacto (véanse los resultados en la fig. 6 comparados con los de la fig. 5, que muestra el pronóstico de colapso de la película de lubricante en el borde delantero del lugar de contacto). La seria deformación superficial del borde trasero de la indentación también concuerda con el pronóstico de modelo mostrado en la fig. 5 (con S = 0). De hecho, en todos los casos calculados, el borde trasero de la indentación siempre es el afectado por el nivel de presión máximo. También se observó que, en el deslizamiento cero nominal, falta la superficie acristalada del borde delantero de la indentación (véase la fig. 6 de referencia [8]). En cambio, se genera una forma ligera de microdesconchado. Esto se explica por la presencia de un microdeslizamiento debido a la deformación elástica microscópica de los cuerpos en contacto, lo cual en la práctica no puede evitarse en el caso de contactos hertzianos en condiciones de deslizamiento cero nominal. Bajo lubricación elastohidrodinámica o EHL parcial, debido a las propiedades piezoviscosas del lubricante y a la fricción de la capa límite, esta cantidad microscópica de deslizamiento es suficiente para generar la tracción superficial precisa para que se forme deformación superficial (no obstante, es insuficiente para un efecto de pulido). El cálculo de la evolución de la deformación superficial con la cantidad de rodadura para el caso de rodamientos se expone en la fig. 9. Puede verse que aquí los pronósticos de modelo también coinciden con las observaciones experimentales. En el artículo solo se muestran algunas microfotografías experimentales de indentaciones. Representan la esencia de muchos más ensayos, concordando el resultado de todos ellos con las muestras experimentales aquí incluidas. Por tanto, la buena coincidencia entre el pronóstico de modelo y los resultados de los ensayos representa una conclusión sólida desde el punto de vista de validación experimental.

De todo ello concluimos que:

  • La modelización de la vida de fatiga de características de la superficie y valores extremos de rugosidad, como muescas, indentaciones y marcas de origen diverso, exige determinar las fluctuaciones de presión dinámica y el consiguiente espesor de la película local de la indentación que atraviesa el contacto hertziano. El presente modelo no newtoniano es una herramienta efectiva para incrementar la comprensión de este fenómeno.
  • En los valores de deslizamiento bajos (S << |0,1|) presentes en el contacto hertziano de rodamientos de bolas y rodillos, la presión de rodadura máxima se halla siempre en la región trasera de la indentación. El desgaste domina el borde delantero de la indentación. Dentro de esta gama de deslizamiento, la presión de indentación por rodadura no incrementa significativamente al aumentar la cantidad de deslizamiento [8]. Por ello, el riesgo de deformación superficial de la indentación está controlado principalmente por el número de ciclos de rodadura.
  • Cuando el deslizamiento se incrementa a valores de S > |0,1| o en condiciones de espesor de película bajo, en caso de deslizamiento negativo puede producirse un cambio en la ubicación del valor de presión máximo, que desplaza el máximo valor de presión a la parte frontal del lugar de contacto, explicando ello los resultados experimentales obtenidos por otros investigadores que muestran desperfectos en la parte frontal de la indentación.
  • En caso de una ulterior acentuación del deslizamiento, es decir, un alto deslizamiento (S ≈ 0,3 − 0,5), como sucede en los engranajes, el proceso de fatiga en las marcas de indentación es más complejo debido a que las dos ondas de presión y espesor de película se separan. La ubicación con la presión máxima se convierte en una función del tiempo, del tamaño del contacto hertziano y de las condiciones operativas.
  • Las condiciones operativas y las presiones hidrodinámicas resultantes tienen un efecto dominante en el control de las presiones máximas generadas durante la rodadura sobre la indentación. En los caminos de rodadura de los rodamientos, el riesgo de deformación superficial de la indentación está más relacionado con esas presiones que con el valor de la relación entre deslizamiento y rodadura, o que con la direccionalidad de la fricción asociada. Sin embargo, es perfectamente posible que la direccionalidad de la tensión por fricción desempeñe un papel durante la fase de propagación de las grietas desarrolladas alrededor de las indentaciones, y esto podría explicar algunas de las conclusiones de los trabajos anteriores. El fenómeno de deformación superficial que se produce alrededor de las marcas de indentación puede describirse con el mismo modelo físico de deformación superficial de los caminos de rodadura de los rodamientos [9].

Maneras de reducir el riesgo de indentaciones

  • En primer lugar, mantener el lubricante con el máximo grado de limpieza, es decir, asegurar un buen filtrado del aceite y la grasa, y mantener las obturaciones sin daños.
  • Seguir las recomendaciones de montaje de SKF, puesto que las indentaciones en los caminos de rodadura pueden producirse a causa de un montaje incorrecto de los rodamientos.
  • Finalmente, mantener siempre una buena película lubricante en el rodamiento, seleccionando la viscosidad adecuada en el lubricante para las condiciones operativas del rodamiento.

 

Referencias
[1] S[1] Catálogo General de SKF – 6000/I EN, Junio 2008.
[2] International Standard: Rolling Bearings – Dynamic load rating and rating life, ISO 281
[3] Gabelli, A., Morales-Espejel, G.E., Ioannides, E., Efectos de la lubricación y contaminación en la vida de servicio de los rodamientos – SKF Evolution #3 2010.
[4] Cheng, W., Cheng, H.S., y Keer, L.M. (1994), “Experimental Investigation on Rolling/Sliding Contact Fatigue Crack Initiation with Artificial Defects,” Tribology Transactions, 37, págs. 1–12.
[5] Nélias, D. y Ville, F. (2000), “Detrimental Effects of Debris Dents on Rolling Contact Fatigue,” Journal of Tribology, 122, págs. 55–64.
[6] Ville, F. y Nélias, D. (1999), “Early Fatigue Failures in EHL Contacts Due to Dents in EHL Contacts,” Tribology Transactions, 42, págs. 795–800.
[7] Xu, G., Sadeghi, F., y Hoeprich, M. R. (1998), “Dent Initiated Spall Formation in EHL Rolling/Sliding Contact,” Journal of Tribology, 120, págs. 453–462.
[8] Morales-Espejel, G.E., Gabelli, A. (2011), “The Behaviour of Indentation Marks in Rolling-Sliding Elastohydrodynamically Lubricated Contacts,” Tribol. Trans., vol. 54, págs. 589–606.
[9] Morales-Espejel, G.E., Brizmer, V. (2011), “Micropitting Modelling in Rolling-Sliding Contacts: Application to Rolling Bearings,” Tribol. Trans., vol. 54, págs. 625–643.

 

 

 

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