La ISO define a los rodamientos completamente llenos de elementos rodantes como rodamientos sin jaula. Cuando se formuló esta definición no era técnicamente posible fabricarlos con jaula. No obstante, los tiempos cambian y, una vez más, SKF ha logrado lo que parecía imposible.

SKF celebra su centenario, pero no ha perdido el espíritu innovador que impulsó la fundación de la empresa. Hoy, al igual que en 1907, sus especialistas e ingenieros trabajan incesantemente para optimizar la vida de servicio de los rodamientos y mejorar la fiabilidad de las máquinas. Uno de los ejemplos más recientes de este espíritu innovador puede verse en el nuevo rodamiento de rodillos cilíndricos SKF de alta capacidad. Una característica excepcional del mismo es que los ingenieros de SKF han conseguido incrementar sustancialmente la capacidad de carga sin cambiar las dimensiones principales estándar de dicho rodamiento. Es decir, han creado un rodamiento que combina la capacidad de carga de un rodamiento completamente lleno de elementos rodantes con las ventajas del diseño con jaula (. 1).

El rodamiento de rodillos cilíndricos de diseño E, que SKF introdujo en 1960, se consideró un importante paso hacia el desarrollo de rodamientos de rodillos cilíndricos estándar. Contaba con dimensiones principales estandarizadas y lo que lo distinguía de los demás rodamientos era su macrogeometría interna. Los ingenieros de SKF idearon la forma de optimizar el número de rodillos y su tamaño, y el espesor de los aros interior y exterior, incrementando así su capacidad de carga y vida de servicio nominal. No obstante, la labor de investigación no se detuvo allí. Durante la década de1980, SKF desarrolló el diseño EC, dotado de mayor capacidad de carga axial, y posteriormente los rodamientos de rodillos cilíndricos SKF Explorer, introducidos en 2002. Estos últimos se beneficiaban de unos materiales y un tratamiento térmico mejorados. Sin embargo, su superioridad sobre otras marcas se debe principalmente a una microgeometría mejor. Utilizando conocimientos adquiridos a lo largo de los años y un software propio, los ingenieros de SKF pudieron maximizar los efectos de la formación de una película lubricante y disminuir la fricción en el rodamiento.

 

La capacidad de carga

 

La capacidad de carga se calcula usando fórmulas estándar de las normas ISO 76 e ISO 281. Según éstas, hay dos maneras de incrementar la capacidad de carga de un rodamiento sin modificar sus dimensiones principales estandarizadas:

• Aumentando el tamaño de los rodillos y manteniendo el mismo número de rodillos en el rodamiento, o bien
• incrementando el número de rodillos y manteniendo sus dimensiones.

Desde un punto de vista práctico, el primer método conduce a un problema técnico. Aumentar el tamaño de los rodillos re­quiere reducir el espesor de los aros interior y exterior, y la anchura de las pestañas laterales. Esto no afecta el cálculo de la capacidad de carga teórica. En realidad, sin embargo, estos cambios disminuyen la rigidez de los aros y la resis­tencia de las pestañas. Para el usuario final, esto significa un mayor riesgo de micro movi­mientos en el asiento del rodamiento, lo cual causa la corrosión de contacto o el des­lizamiento de los aros. Unos rodillos más grandes también incrementan el riesgo de adherencias, ya que presentan un momento de inercia más elevado.

En general, el primer método, aunque parezca extraordinario sobre el papel, no puede considerarse como una mejora. La segunda alternativa, en cambio, ofrece posibilidades viables. Gracias a las anteriores mejoras en la macro y micro geometría, las dimensiones del rodillo y el espesor de la pared de los aros del rodamiento pueden permanecer sin cambios, en comparación con las dimensiones del bien probado diseño E, que ya cuenta con 45 años de existencia.

Sin embargo, aumentar el número de rodillos en un espacio determinado no es tan fácil como parece. Para hacer realidad este nuevo rodamiento, los ingenieros y especialistas de SKF tuvieron que analizar varios aspectos claves.

 

«Añadir más rodillos» – fácil de decir, difícil de hacer

 

Hay dos tipos de rodamientos: rodamientos con jaula y rodamientos completamente llenos de elementos rodantes. Éstos últimos no llevan una jaula y van provistos con el máximo número de rodillos que hacen contacto directo entre sí, lo cual causa el deslizamiento e incrementa la fricción y la generación de calor. En ciertas circunstancias, esto provoca un desgaste y el fallo prematuro del rodamiento, lo que hace que sean inaceptables para aplicaciones con velocidades más altas. En dichas aplicaciones, por tanto, una jaula es esencial.

Los rodamientos de rodillos cilíndricos de tamaño medio y grande están equipados, como estándar, con una jaula mecanizada de latón, principalmente para evitar el contacto entre los rodillos. Los tabiques de la jaula, que suelen estar orientados alrededor del círculo primitivo del rodillo (el círculo que une los puntos medios de todos los rodillos), tienen una sección transversal definida, diseñada para una resistencia máxima, pero reducen el número de rodillos teóricamente posibles.

Sin embargo, apartando los tabiques de la jaula del circulo primitivo de los rodillos, estos pueden colocarse más cerca entre sí, permitiendo incorporar más rodillos en el rodamiento. Para ello, SKF desarrolló una nueva jaula de acero de tipo ventana.

Esto dio como resultado dos diseños básicos de jaula: una jaula guiada por el resalte del aro exterior (JA), y otra guiada por el resalte del aro interior (JB) (. 2).

 

Más que tabiques de la jaula

 

Las grandes jaulas de acero de tipo ventana no son nuevas. Durante años se han usado con excelentes resultados jaulas con diámetros de hasta 1.300 mm en rodamientos de rodillos cónicos de gran tamaño. La jaula tenía el mismo espesor que la jaula de un rodamiento de rodillos cónicos comparable, e iba guiada por un resalte para ofrecer un rendimiento mejor frente a aceleraciones radiales y cargas de choque. Sin embargo, el personal de desarrollo tuvo que abordar varias cuestiones. En primer lugar, y probablemente la más importante, era cómo maximizar la resistencia de la jaula, fomentando al mismo tiempo la formación de una película lubricante. Los expertos también necesitaban encontrar una solución para minimizar la concentración de tensiones en la transición entre los tabiques de la jaula y los aros laterales.

Usando un software único de SKF y los conocimientos adquiridos durante años de experiencia, los especialistas determinaron que las concentraciones de tensiones en zonas críticas podrían minimizarse alisando las transiciones, incrementando los radios, optimizando el espesor de la pared y creando rebajes apropiados (. 3). Luego los expertos dieron un paso más para conseguir un contacto tangencial puro entre los rodillos y los tabiques de la jaula. Los ángulos de contacto se optimizaron, y los tabiques de la jaula se diseñaron con una forma ligeramente entallada ( 4.). Esto redujo las presiones de contacto y favoreció la formación de una película lubricante, evitando asimismo los contactos en los bordes y, por tanto, un funcionamiento en seco localizando. Las citadas características del diseño han sido probadas teórica y prácticamente, y se ha presentado una solicitud de patente. Gracias al uso del acero como material para las jaulas, junto con el apoyo de un resalte, las nuevas características ofrecían una resistencia comparable a la de las jaulas estándar de latón. Y lo que es más increíble, esto era a pesar del mayor número de rodillos.

Además de llevar una jaula de nuevo diseño, los rodamientos de rodillos cilíndricos de alta capacidad tienen, por defecto, rodillos y aros oxidados en negro para mejorar su rodaje. El tratamiento que recibe la superficie del rodamiento le confiere su color oscuro.

Una vez terminados los cálculos teóricos y las simulaciones, el nuevo diseño de jaula fue sometido a pruebas durante más de un año. Durante este período se realizaron más de 20 ensayos de validación. Los ensayos en los que se usaron rodamientos de rodillos cilíndricos del tamaño 2334, estaban diseñados para comparar el rendimiento de ambas jaulas de alta capacidad con el de una jaula estándar mecanizada de latón y guiada por el resalte.

 

Ensayos funcionales y de velocidad

 

Para determinar la velocidad y estabilidad de la jaula, se aplicaron valores n x d_m (velocidad de rotación x diámetro medio del rodamiento) de hasta 800 000 mm/min bajo cargas radiales y axiales alternas. La velocidad aplicada corresponde a la velocidad límite del Catálogo General SKF.

Los ensayos se realizaron bajo dos condiciones de lubricación distintas. En un caso, se usó aceite con una viscosidad apropiada para crear una película de aceite suficiente (Κ > 1,5). En el otro caso, se utilizó un aceite de baja viscosidad para simular condiciones de lubricación inadecuadas (Κ < 0,5). Terminadas todas las pruebas, se llevó a cabo un ensayo de 1.000 horas de duración. Durante las pruebas se monitorizaron continuamente todos los parámetros críticos de rendimiento, como las temperaturas, cargas, velocidades y niveles de vibración.  

Resultados

 

Según los resultados de las mediciones, junto con un examen a fondo de los distintos componentes de los rodamientos después del ensayo, no se encontraron restricciones en cuanto a los límites de uso tanto para el rodamiento de rodillos cilíndricos SKF de alta capacidad, como para el rodamiento estándar.

En comparación con una jaula mecanizada de latón, la menor sección transversal de la jaula de alta capacidad mejoraba el flujo de aceite por el rodamiento, para maximizar los efectos del lubricante y reducir el calor generado por el rodamiento. Otra ventaja de la jaula de alta capacidad es que su peso más ligero reduce las fuerzas de inercia. Esto puede ser especialmente importante en aplicaciones con arranques y paradas rápidas frecuentes, y en aquellas sometidas a aceleraciones radiales, como las ruedas planetarias.

 

Ensayos con cargas bajas

 

Además de las pruebas de alta velocidad y de estabilidad de la jaula, los rodamientos también se ensayaron bajo condiciones de carga mínima para investigar los riesgos de deslizamiento de los rodillos, las adherencias y otros daños que típicamente reducen la vida de servicio del rodamiento. Los citados ensayos se realizaron con menos del 10% de la carga mínima recomendada, según se prescribe en el Catálogo General SKF.

 

Resultados

 

Los resultados de los ensayos mostraron sobre todo que la jaula JB guiada por el resalte del aro interior, reducía la relación de deslizamiento en hasta el 50 % en comparación con un rodamiento provisto de una jaula de latón estándar.

 

Las turbinas eólicas impulsan la tecnología de los rodamientos

 

Las necesidades de incrementar la fiabilidad y la potencia por unidad volumétrica, especialmente en las turbinas eólicas, han impulsado varias innovaciones en las industrias de rodamientos, obturaciones, lubricación y monitorización de la condición. Desde el punto de vista de los rodamientos, los rodamientos de rodillos cilíndricos de alta capacidad han encontrado aquí su aplicación. Se han desarrollado principalmente en las series pesadas 22 y 23, de tamaños medios a grandes (diámetros de agujero de 150 mm a unos 300 mm). Pueden fabricarse otros tamaños bajo pedido. Dependiendo de la variante de jaula, los rodamientos de la serie 23 pueden tener hasta dos rodillos adicionales; los de la serie 22 hasta tres o más rodillos en comparación con un rodamiento estándar del mismo tamaño. Es notable que la jaula JA para rodamientos de la serie 23 tiene el mismo número de rodillos que la versión completamente llena de rodillos, por lo que ha alcanzado el límite superior de capacidad de carga. En este caso puede hablarse realmente de rodamientos completamente llenos de elementos rodantes provistos de una jaula.

Para una turbina eólica, esta mayor capacidad de carga constituye una oportunidad para reducir el tamaño o incrementar la densidad de potencia. En cualquier caso, es un importante avance para una aplicación instalada sobre un pedestal a 90 metros de altura.

Debido al robusto diseño de la jaula, situada por debajo o encima del diámetro primitivo del conjunto de rodillos, la retención de los rodillos por la jaula no es posible y los aros de estos rodamientos no pueden montarse por separado. En algunas aplicaciones, como en las ruedas planetarias de los engranajes de las turbinas eólicas, el camino de rodadura del aro exterior está integrado en el agujero de la rueda planetaria. Ya que para esta solución no se necesita un aro exterior, el rodamiento se suministra con un casquillo que puede usarse para su montaje (. 5).

Las cajas de engranajes planetarios en turbinas eólicas más pequeñas construidas hace tiempo usaban, a menudo, rodamientos completamente llenos de rodillos cilíndricos. Estos rodamientos, con una alta capacidad de carga, típicamente generan más fricción que un rodamiento con jaula, debido al contacto directo entre los rodillos. En las cajas de engranajes más pequeñas, estos rodamientos parecen funcionar satisfactoriamente. No obstante, a medida que las turbinas eólicas aumentan de tamaño, existe un riesgo cada vez mayor de que estos rodamientos fallen prematuramente a causa de las adherencias y el desgaste.

 

Comparación entre distintos diseños de rodamientos

 

En la . 6 se comparan diferentes diseños de rodamientos usando como ejemplo la caja de engranajes de una turbina eólica. Como puede verse, la vida de servicio calculada en los rodamientos de rodillos cilíndricos estándar provistos de una jaula de latón es menor que la de los rodamientos completamente llenos de rodillos en la unidad de transmisión planetaria. Si se compara un rodamiento completamente lleno de elementos rodantes con los nuevos rodamientos de rodillos cilíndricos de alta capacidad de SKF, el intervalo se acorta. Y cuando el rodamiento de alta capacidad se fabrica con la clase de rendimiento SKF Explorer, su vida nominal supera a la de un rodamiento completamente lleno de elementos rodantes.

Este no es un ejemplo único. Se registran resultados similares en los ejes intermedio y motor de la transmisión de un engranaje recto. En estas transmisiones no puede usarse un rodamiento completamente lleno de elementos rodantes debido a las altas velocidades. Además, típicamente la carga aplicada al rodamiento no es la mínima requerida. Como resultado, al comparar la vida de servicio calculada del rodamiento estándar con jaula con la de un rodamiento de alta capacidad de tamaño similar (. 7), existe la posibilidad de incrementar la vida de servicio en hasta un 35%. La variante guiada por el aro interior se recomienda en esta aplicación a causa de su resistencia a las adherencias.