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Comprender el montaje en eje vertical para rodamientos

Uno de los procedimientos de montaje de rodamientos más comunes es emplear una posición de eje vertical y mediante calentamiento. Teniendo en cuenta todos los métodos habituales, nada menos que uno de cada seis rodamientos puede fallar debido a daños involuntarios durante el montaje. Siendo tan usado, el procedimiento con el eje vertical ofrece riesgos poco conocidos. Este artículo aborda posibles problemas y cómo superarlos.

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El montaje en caliente de rodamientos y otros componentes, como acoplamientos y engranajes, ha demostrado ser un método muy práctico. El calentamiento, montaje y contracción de componentes son tareas bien conocidas, y el calentamiento por inducción es un método rápido y rentable. Manipular componentes en posición vertical es relativamente fácil, al igual que centrarlos montados verticalmente, y la fuerza de gravedad contribuye a mantener un componente correctamente presionado contra el apoyo al enfriarse y contraerse.

Es importante que el montaje después del calentamiento sea rápido para evitar pérdidas de temperatura que puedan provocar que el componente quede atascado en una posición errónea o cause otros daños.

Figura 1: Montaje en eje vertical

Opciones de calentamiento y montaje

Hay varias opciones de montaje usando calentamiento. Entre las más comunes, pueden citarse:

  • Rodamiento caliente colocado en un asiento de eje a temperatura ambiente
  • Eje a temperatura ambiente colocado en un rodamiento caliente
  • Rodamiento a temperatura ambiente colocado en un soporte caliente
  • Soporte caliente colocado en un rodamiento montado en un eje a temperatura ambiente

No obstante, durante el montaje vertical, los rodamientos se comportan de forma diferente a otros componentes. Todas las opciones provocarán un incremento en el juego en el rodamiento, seguido de una reducción durante los diversos ciclos de calentamiento y enfriamiento. Los rodamientos tienen una relación entre el juego axial y radial definida por el ángulo de contacto. En los rodamientos de dos hileras, esto viene dado por la ecuación:

a = 2.3 x Yo x ∆ r (∆ a es, por regla general, entre 5 y 15 veces el juego radial)

Por lo tanto, un pequeño movimiento radial (es decir, un cambio de juego) da como resultado un gran movimiento axial.

Fig. 2: En los rodamientos, hay una relación entre el juego radial y axial.

En un eje vertical, un rodamiento experimentará un movimiento axial cuando haya un cambio en el juego radial. Esto puede mostrarse (figura 3) observando primero un rodamiento caliente (presentado en rojo). Ambos aros tienen la misma temperatura y hay un pequeño juego en el rodamiento, que está soportado por el aro exterior. El aro interior está ligeramente desplazado hacia abajo. Cuando un eje a temperatura ambiente se inserta y desciende en el aro, el aro interior es enfriado por el eje, como se indica con el color gris (figura 4). El aro interior reduce su tamaño, y así aumenta el juego en el rodamiento, y el aro interior entonces se desplaza axialmente hacia abajo debido al aumento del juego axial.

Fig. 3: En un eje vertical, un cambio en el juego radial ocasiona un movimiento axial.
Fig. 4: El aro interior ligeramente desplazado hacia abajo.

El aro exterior alcanza gradualmente la temperatura ambiente (figura 5) y su temperatura se adapta a la del aro interior, lo que da como resultado un pequeño juego en el rodamiento. Sin embargo, ahora el aro interior se ha forzado hacia arriba al reducirse el juego.

Fig. 5: Un poco más tarde, también el aro exterior adquiere la temperatura ambiente.

Por consiguiente, si bien esto es interesante desde el punto de vista de la física aplicada, ¿cuáles son sus implicaciones prácticas?

Primero hemos de tener en cuenta los movimientos y fuerzas dentro del rodamiento (figura 6).

Fig. 6: Movimientos y fuerzas dentro del rodamiento. Primera secuencia: el aro interior se desplaza hacia abajo.

Inicialmente el aro interior se desplaza hacia abajo y la carga vertical (M x g) es soportada por la hilera inferior del rodamiento. Hay cargas en los rodillos (mostradas en rojo) y de fricción (mostradas en negro).

También hay un ángulo de contacto, α, y varios rodillos, Z. Usando la ecuación:

N=(M x g)/Z(sen(α)+µ x cos(α)), vemos que la fricción reduce la carga en los rodillos.

No obstante, en la segunda secuencia, cuando el aro interior se desplaza hacia arriba, entonces la carga vertical (M x g) la soporta la hilera inferior. Por lo tanto, la ecuación se convierte en N=(M x g)/Z(sen(α)-µ x cos(α)) y la fricción se invierte (figura 7). Si sen(α) = µ x cos(α), el movimiento hacia arriba crea cargas muy grandes en los rodillos y la consecuencia práctica es un riesgo de autofijación o adherencia.

Fig. 7: Segunda secuencia: el aro interior se desplaza hacia arriba.

Hay combinaciones de coeficientes de fricción y ángulos de contacto que pueden dar como resultado una autofijación (figura 8). De esta figura, hay indicaciones de autofijación cuando los ángulos de contacto son de entre 4 y 15 grados, y el coeficiente de fricción oscila entre 0,05 y 0,4. Los posibles daños asociados con una autofijación son deformación plástica, que ocasiona ruidos, vibración y desconchado temprano.

Fig. 8: Combinaciones de ángulos de fricción y contacto que se autofijan.

Además, fuera de la zona de autofijación, hay una zona adicional donde puede producirse adherencia (figura 9). En este caso, la fricción es suficiente para detener el movimiento inicial, pero no para resistir movimientos a cargas más elevadas. Mientras se desarrollan fuerzas de contacto grandes, el rodillo se mueve axialmente de forma gradual. En una situación así, los daños asociados con un movimiento axial con fuerzas de contacto elevadas son bruñido o, en el peor de los casos, adherencia.

Fig. 9: Combinaciones de ángulos de fricción y contacto que casi se autofijan.

Consecuencias prácticas

De lo antedicho, se han identificado dos consecuencias potencialmente dañinas de autofijación y también de “casi autofijación”, que, con frecuencia, pueden verse en máquinas, pero que raramente se consideran como directamente relacionadas con los procedimientos de montaje. La figura 10 muestra algunos de los daños comunes en rodamientos.

En el caso de un eje principal de turbina eólica, colocado vertical sobre el suelo, el rodamiento se calienta y monta desde arriba. Entonces su aro interior descansa sobre un apoyo, y el rodamiento se enfría mientras se calienta el soporte. Luego el soporte calentado se monta desde arriba y descansa sobre el aro exterior.

Se hacen mediciones durante la primera hora de igualación de la temperatura (figura 11).

Fig. 11: Eje principal de turbina eólica colocado vertical sobre el suelo.

En este diagrama, hay tres zonas diferentes. En la Zona 1, el soporte caliente se coloca en el aro exterior. El aro exterior con soporte se desplaza hacia abajo debido a la carga, que ocasiona una desviación radial, y causa así un movimiento axial. En la Zona 2, el soporte caliente calienta el aro exterior, que se dilata. El juego aumenta. Entonces el aro exterior con soporte se mueve hacia abajo mientras la temperatura del aro exterior aumenta. En la Zona 3, el aro exterior ya no calienta, y mientras el soporte se sigue enfriando, el aro exterior se mueve hacia arriba debido a que se reduce el juego. La secuencia de movimientos incluye un ejemplo de comportamiento de adherencia-deslizamiento (marcado con círculos rojos). Después de una inspección del montaje, mostraba una clara evidencia de bruñido de la superficie (figura 12).

En un segundo caso, se efectuaron mediciones de los aros en una aplicación de caja de engranajes industrial en la que el eje y el engranaje se montan verticalmente. Primero, el rodamiento se coloca en el soporte y un aro distanciador se sitúa en el aro interior. Luego, un engranaje calentado se coloca sobre el aro distanciador/interior. Finalmente, se inserta un eje enfriado en el engranaje y dentro del aro interior. En este caso, se mide el movimiento axial. Debido a que es un diseño monobloque, la cubierta se gira lateralmente (figura 13).

Fig. 13: Diseño monobloque con la cubierta girada lateralmente.

En este caso, había dos secuencias de montaje. En la primera, la cubierta a temperatura ambiente descansa sobre un puesto de montaje, el rodamiento a temperatura ambiente se monta lateralmente en la cubierta y luego hacia abajo. Su aro exterior descansa en la cubierta y finalmente un aro distanciador a temperatura ambiente se coloca sobre el aro interior. En la secuencia 2, mientras la cubierta a temperatura ambiente con el rodamiento todavía descansa sobre el puesto de montaje, un engranaje caliente se monta lateralmente en la cubierta y luego hacia abajo. Entonces el engranaje descansa en el aro distanciador y a su vez en el aro interior. Luego, un eje muy frío se monta desde arriba, a través del engranaje, el aro distanciador y dentro del aro interior.

Se hicieron mediciones durante la primera hora y media de igualación de la temperatura. Para facilitar las mediciones, se utilizó un soporte ficticio (figura 14).

Fig. 15: Mediciones de movimiento durante el enfriamiento.

Nuevamente pueden identificarse tres zonas diferentes. En la Zona 1, el aro interior es enfriado por el eje muy frío. Entonces aumenta el juego. El aro interior con eje y engranaje se desplaza axialmente hacia abajo. En la Zona 2, el engranaje caliente ha calentado el eje, que ahora calienta el aro interior. Entonces el aro interior se dilata. El juego disminuye. El aro interior con eje y engranaje se mueve hacia arriba. La Zona 3 indica que el movimiento real entre rodillos y camino de rodadura probablemente se ha detenido. Lo que se ha medido son probablemente cambios dimensionales del banco de pruebas completo relacionados con la temperatura. Las mediciones destacan que puede haber dos ocasiones de “adherencia-deslizamiento” (marcadas con círculos rojos).

En este caso, el aspecto del camino de rodadura del aro interior inferior en el rodamiento de prueba se estudió después de desmontar el rodamiento. Se apreciaban marcas delgadas orientadas axialmente.

Sin embargo, no todos los contactos con rodillos han dejado esas marcas. Bajo el microscopio, las marcas delgadas orientadas axialmente mostraban que consistían parcialmente de material adherido.

Esos daños se reproducen debido a la rodadura y se convierten en desgaste/deformación superficial.

Para evitar daños provocados por el montaje, hay tres factores con los que se tiene que trabajar. En primer lugar, es importante reducir o eliminar la carga del rodamiento durante la secuencia de montaje. La trayectoria lógica es evitar el montaje vertical y/o contrarrestar la fuerza de gravedad. Si no fuera posible, montar verticalmente, pero inclinar luego a la posición horizontal para reducir la carga axial durante el enfriamiento. Intentar liberar la fricción girando para superarla y evitar el movimiento centrando axialmente durante el enfriamiento. Sobre todo, la concientización es el factor clave, puesto que tener en cuenta los daños potenciales durante el montaje contribuye a reducir el riesgo.

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