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Rodamientos híbridos, el próximo estándar de la industria

Los rodamientos híbridos ofrecen soluciones a los retos técnicos actuales y futuros. La combinación de aros de acero y elementos rodantes de cerámica reduce el peso y la fricción, y elimina asimismo la erosión eléctrica, al tiempo que aumenta la confiabilidad y capacidad de mayores velocidades.

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El mundo vive un período de rápidos cambios. Las megatendencias globales están alterando la forma de viajar y hacer negocios, y también nuestro modo de vida. La urbanización aumenta la población de las ciudades, la digitalización y automatización aceleran nuestra vida privada y profesional, y la sociedad tiene que abordar varios retos medioambientales. Al mismo tiempo, vemos un rápido desarrollo de la electrificación, especialmente en los vehículos eléctricos, y un continuo cambio hacia la globalización.

Estas grandes tendencias globales impulsan, a su vez, un cambio en el campo de los rodamientos. Muchas tecnologías emergentes exigen propiedades especiales en los rodamientos que utilizan, incluida la aptitud de usarlos con mecanismos de velocidad variable, la reducción de los requisitos de mantenimiento, la posibilidad de incrementar la densidad de potencia y reducir la fricción.

Los rodamientos híbridos ofrecen soluciones prometedoras a los retos técnicos actuales y futuros. Una combinación de aros de acero exteriores e interiores con bolas o rodillos de cerámica proporciona en ellos propiedades únicas en su clase, y los hace aptos para su uso en una amplia gama de aplicaciones modernas. Los rodamientos híbridos SKF están fabricados de elementos rodantes de nitruro de silicio y pueden obtenerse como rodamientos de bolas, de rodillos cilíndricos y en diseños personalizados.
Fig. 2: Los rodamientos híbridos combinan aros de acero y elementos rodantes de cerámica.

El uso de cerámica en los rodamientos no es nuevo. En todo el mundo, la industria aeroespacial fue la precursora de su uso durante las décadas del sesenta y del ochenta, atraída por su poco peso y propiedades de resistencia térmica. Sin embargo, la comercialización del nitruro de silicio no se inició hasta la década del ochenta. A partir de la década del noventa, los rodamientos híbridos modernos se usan en numerosas aplicaciones, incluidas máquinas herramienta, aerogeneradores, motores de tracción de ferrocarriles y vehículos eléctricos, maquinaria aeroespacial y de fluidos como compresores, bombas y bombas de vacío.

Los elementos rodantes de nitruro de silicio usados en los rodamientos híbridos SKF tienen propiedades que se diferencian de sus equivalentes estándares de acero. El nitruro de silicio tiene una resistencia a la compresión mucho más alta que el acero para rodamientos, y su módulo de elasticidad es aproximadamente un tercio más elevado, lo que contribuye a reducir la fricción en el contacto rodante.

Y, muy importante, la dureza del nitruro de silicio duplica la del acero para rodamientos, lo que lo hace ideal en condiciones de funcionamiento y lubricación exigentes. En comparación con el acero para rodamientos, es un aislante eléctrico, al mismo tiempo que su densidad es significativamente menor. Finalmente, su coeficiente de alargamiento es mucho menor, lo que permite un ajuste preciso del juego, aun cuando debe tenerse en cuenta bajo determinadas condiciones operativas, incluidas aplicaciones a temperaturas muy bajas.

Usado en rodamientos, el nitruro de silicio proporciona una mejora en su rendimiento, con un excelente aislamiento eléctrico, reducción del peso, magnífico rendimiento tribológico y elevada resistencia al desgaste. Además, su capacidad de velocidad aumenta significativamente.

Entonces, ¿cómo resuelven esas propiedades retos de aplicación específicos? ¿Y por qué parece que los rodamientos híbridos van a convertirse en la tecnología estándar en muchas industrias durante los próximos años?

Prevención de la erosión eléctrica en mecanismos de velocidad variable

Una aplicación clave en la que los rodamientos híbridos pueden ofrecer todas sus ventajas es en mecanismos de velocidad variable, que se usan para optimizar el control del equipo giratorio, como bombas o motores de tracción. Estos mecanismos de modulación por ancho de pulsos causan corrientes de alta frecuencia perjudiciales en los rodamientos. Cuando pasa corriente por un rodamiento, pueden dañarse los aros y elementos rodantes, al igual que el lubricante. La consecuencia menos nociva es un nivel de vibración mayor, debido a que la erosión eléctrica también puede conducir a una reducción significativa de la vida útil del rodamiento y el lubricante.

En una situación así, el uso de rodamientos híbridos elimina el problema. El nitruro de silicio es aislante y evita el paso de corriente entre los aros de los rodamientos, incluso de corrientes de frecuencia muy alta. Las posteriores fallas en los rodamientos pueden evitarse completamente.

Prolongación de los intervalos de mantenimiento al aumentar la vida útil de la grasa

Una segunda ventaja clave de los rodamientos híbridos se presenta en forma de intervalos de mantenimiento más prolongados y mayor vida útil. El uso de elementos rodantes de cerámica en esos rodamientos incrementa la duración del lubricante, lo que significa que el rodamiento puede seguir funcionando durante más tiempo antes de precisar mantenimiento. Los elementos rodantes de cerámica mejoran el suministro de lubricante al contacto rodante, y debido a que hay menor fricción y erosión eléctrica, y la degradación térmica posterior se elimina, la lubricidad se mantiene durante un período más largo.

En ensayos de SKF, la vida útil del lubricante en un rodamiento rígido de bolas híbrido era, como mínimo, el doble y hasta siete veces superior al mismo rodamiento de acero. En ensayos similares en rodamientos de rodillos cilíndricos, la duración del lubricante en el rodamiento híbrido, como mínimo, se duplicaba, y llegaba a ser hasta cuatro veces mayor.

Mayor densidad de potencia gracias a velocidades de funcionamiento más altas

Una tercera ventaja de los rodamientos híbridos es la posibilidad de facilitar velocidades de funcionamiento más altas y, con ello, mayor densidad de potencia. Hay una tendencia general entre los fabricantes de motores eléctricos de incrementar la densidad de potencia, especialmente en trenes y vehículos de carretera y todoterreno. En términos simples, la potencia depende del par y la velocidad. Si puede aumentarse la velocidad de giro de un rodamiento, también puede aumentarse la potencia del motor.

¿Por qué aumentar la densidad de potencia?

• Más potencia en un motor eléctrico del mismo tamaño

• La misma potencia en un motor eléctrico más pequeño

P = M • n

• Velocidad máxima (también) limitada por los rodamientos

Debido a que la masa de los rodamientos híbridos es inferior a la de los rodamientos de acero, su capacidad en cuanto a velocidad es hasta el 25 % más alta. Además, los rodamientos híbridos reducen la fricción, lo que a su vez significa una temperatura de funcionamiento más baja y mayor vida útil a velocidades elevadas. Por si fuera poco, la mayor rigidez del rodamiento permite más precisión en la maquinaria y menos riesgo de problemas con la dinámica del rotor.

Reducción de la fricción

Una ventaja clave final de los rodamientos híbridos es la reducción de la fricción. En un rodamiento, esta reducción puede contribuir a disminuir el consumo de energía, un factor clave en la industria moderna. Los elementos rodantes de cerámica en los rodamientos híbridos tienen una influencia directa en la fricción generada por los pares de rodadura y deslizamiento. Las pérdidas de energía debidas al par de rodadura son inferiores en los rodamientos híbridos debido a una menor elipse de contacto, que conduce a un módulo de Young más alto. Asimismo, el par de fricción por deslizamiento se reduce debido a la mejor calidad de la superficie de los elementos rodantes de cerámica.

Fig. 3. La fricción por deslizamiento y rodadura se reduce en los rodamientos híbridos.
En ensayos de SKF, se ha comprobado que, con rodamientos híbridos, el par de fricción es entre el 5 % y el 8 % inferior a velocidades elevadas en comparación con rodamientos de acero. Por otro lado, los ensayos revelan que los rodamientos híbridos soportan muy bien una reducción en los volúmenes de lubricante y viscosidad, factores que también pueden contribuir a disminuir la fricción. Al ajustar esos parámetros de lubricación y optimizar la aplicación, una reducción de la fricción de hasta el 50 % puede convertirse en realidad sin comprometer la vida útil del rodamiento.

Rodamientos híbridos: de solucionador de problemas a factor de éxito

El sector de fabricación industrial y automotriz aspira optimizar su producción para cumplir con los retos globales de sostenibilidad en consonancia con las tendencias sociales y tecnológicas. Al usar aros de acero y elementos rodantes de cerámica, los rodamientos híbridos tienen la posibilidad de resolver una amplia gama de problemas de diseño y mantenimiento con el resultado de mayor confiabilidad. Además de su capacidad de resolver problemas, ofrecen un funcionamiento más económico y mayor potencia de salida. Por ello es muy probable que, durante los próximos años, se conviertan en la solución estándar en rodamientos en una amplia gama de aplicaciones e industrias.

Nuevas tecnologías de jaula permiten velocidades de giro aún más altas

La mayor velocidad es una importante ventaja de los rodamientos híbridos respecto de sus equivalentes de acero. Cuando se quiera incrementar aún más la velocidad de giro, avanzadas tecnologías de jaula del rodamiento prestan ayuda. SKF ha introducido un innovador nuevo diseño de jaula, adecuado para rodamientos híbridos, fabricado de polieteretercetona (PEEK), un material polimérico de poco peso. El nuevo diseño de jaula de dos piezas facilita el funcionamiento a alta velocidad, con lo que reduce la generación de calor y disminuye la degradación del lubricante a velocidades elevadas. Permite incrementos de velocidad del 60 % con respecto a las jaulas de latón y del 100 % con respecto a jaulas poliméricas convencionales.
Fig. 4: El nuevo diseño de jaula de SKF para rodamientos rígidos de bolas híbridos combina un diseño innovador con un material polimérico de alto rendimiento.