La mayor demanda para mejorar la confiabilidad en la industria significa que los ingenieros deben considerar todos los componentes de su equipo.Los sistemas de cojinetes son partes críticas de una máquina y su falla podría tener consecuencias catastróficas y costosas.El diseño de los rodamientos tiene un gran impacto en la confiabilidad, especialmente en condiciones de funcionamiento extremas, incluidas temperaturas altas o bajas, vacío y atmósferas corrosivas.Este artículo describe las consideraciones que se deben tomar al especificar rodamientos para entornos desafiantes, de modo que los ingenieros puedan garantizar una alta confiabilidad y un excelente rendimiento de larga duración de sus equipos.

Un sistema de rodamientos comprende muchos elementos, incluidas bolas, anillos, jaulas y lubricación, por ejemplo.Los rodamientos estándar no suelen resistir los rigores de los entornos hostiles, por lo que se debe tener especial consideración con las piezas individuales.Los elementos más importantes son la lubricación, los materiales y el tratamiento térmico especial o los revestimientos y, al observar cada factor, los rodamientos se pueden configurar mejor para la aplicación.

Funcionamiento a alta temperatura

Las aplicaciones de alta temperatura, como las que se utilizan en los sistemas de actuación dentro de la industria aeroespacial, pueden presentar desafíos para los rodamientos estándar.Además, las temperaturas están aumentando en los equipos a medida que las unidades se vuelven cada vez más pequeñas y tienen una mayor densidad de potencia, y esto plantea un problema para el rodamiento promedio.

Lubricación

La lubricación es una consideración importante aquí.Los aceites y las grasas tienen temperaturas máximas de funcionamiento en cuyo punto comenzarán a degradarse y evaporarse rápidamente, lo que provocará la falla de los rodamientos.Las grasas estándar suelen estar limitadas a una temperatura máxima de alrededor de 120 °C y algunas grasas convencionales para altas temperaturas son capaces de resistir temperaturas de hasta 180 °C.

Sin embargo, para aplicaciones que requieren temperaturas aún más altas, se encuentran disponibles grasas lubricantes fluoradas especiales y se pueden alcanzar temperaturas superiores a 250 °C.Cuando la lubricación líquida no es posible, la lubricación sólida es una opción que permite un funcionamiento fiable a baja velocidad incluso a temperaturas más altas.En este caso, se recomiendan como lubricantes sólidos el bisulfuro de molibdeno (MOS2), el bisulfuro de tungsteno (WS2), el grafito o el politetrafluoroetileno (PTFE), ya que pueden tolerar temperaturas muy altas durante más tiempo.

Materiales

Cuando se trata de temperaturas superiores a 300 °C, se necesitan materiales especiales para anillos y bolas.AISI M50 es un acero de alta temperatura que normalmente se recomienda ya que exhibe una alta resistencia al desgaste y la fatiga a altas temperaturas.BG42 es otro acero de alta temperatura que tiene una buena dureza en caliente a 300 °C y se especifica comúnmente porque tiene altos niveles de resistencia a la corrosión y también es menos susceptible a la fatiga y al desgaste a temperaturas extremas.

También se requieren jaulas de alta temperatura y se pueden suministrar en materiales poliméricos especiales que incluyen PTFE, poliimida, poliamida-imida (PAI) y poliéter-éter-cetona (PEEK).Para sistemas lubricados con aceite de alta temperatura, las jaulas de rodamientos también se pueden fabricar de bronce, latón o acero plateado.

Recubrimientos y tratamiento térmico

Se pueden aplicar recubrimientos y tratamientos superficiales avanzados a los rodamientos para combatir la fricción, prevenir la corrosión y reducir el desgaste, mejorando así el rendimiento del rodamiento a altas temperaturas.Por ejemplo, las jaulas de acero se pueden recubrir con plata para mejorar el rendimiento y la confiabilidad.En caso de falla o falta de lubricante, el enchapado en plata actúa como un lubricante sólido, lo que permite que el rodamiento continúe funcionando durante un período breve o en una situación de emergencia.

Fiabilidad a baja temperatura

En el otro extremo de la escala, las bajas temperaturas pueden ser problemáticas para los rodamientos estándar.

Lubricación

En aplicaciones de baja temperatura, por ejemplo, aplicaciones de bombeo criogénico con temperaturas en la región de -190 °C, las lubricaciones de aceite se vuelven cerosas y provocan fallas en los cojinetes.La lubricación sólida como MOS2 o WS2 es ideal para mejorar la confiabilidad.Además, en estas aplicaciones, el medio que se bombea puede actuar como lubricante, por lo que los rodamientos deben configurarse especialmente para operar a estas bajas temperaturas usando materiales que funcionen bien con el medio.

Materiales

Un material que se puede utilizar para mejorar la vida de fatiga y la resistencia al desgaste de un rodamiento es el SV30®, un acero martensítico templado, con alto contenido de nitrógeno y resistente a la corrosión.También se recomiendan las bolas de cerámica, ya que ofrecen un rendimiento superior.Las propiedades mecánicas inherentes del material significan que brindan un funcionamiento excelente en condiciones de lubricación deficientes, y es mucho más adecuado para operar de manera confiable a bajas temperaturas.

El material de la jaula también debe elegirse para que sea lo más resistente posible al desgaste y las buenas opciones aquí incluyen PEEK, policlorotrifluoroetileno (PCTFE) y plásticos PAI.

Tratamiento térmico

Los anillos deben recibir un tratamiento térmico especial para mejorar la estabilidad dimensional a bajas temperaturas.

Diseño interno

Otra consideración para trabajar a bajas temperaturas es el diseño interno del rodamiento.Los rodamientos están diseñados con un nivel de juego radial, pero a medida que se reduce la temperatura, los componentes del rodamiento sufren una contracción térmica y, por lo tanto, se reduce la cantidad de juego radial.Si el nivel de juego radial se reduce a cero durante el funcionamiento, se producirá un fallo del rodamiento.Los rodamientos destinados a aplicaciones de baja temperatura deben diseñarse con más juego radial a temperatura ambiente para permitir un nivel aceptable de juego radial operativo a bajas temperaturas.

Manejo de la presión del vacío.

En entornos de vacío ultraalto, como los que están presentes en la fabricación de productos electrónicos, semiconductores y LCD, la presión puede ser inferior a 10-7 mbar.Los cojinetes de ultra alto vacío se utilizan normalmente en equipos de actuación dentro del entorno de fabricación.Otra aplicación típica de vacío son las bombas turbomoleculares (TMP) que generan el vacío para entornos de fabricación.En esta última aplicación, a menudo se requiere que los rodamientos trabajen a alta velocidad.

Lubricación

La lubricación en estas condiciones es clave.En vacíos tan altos, las grasas de lubricación estándar se evaporan y también se desgasifican, y la falta de una lubricación eficaz puede provocar fallas en los cojinetes.Por lo tanto, es necesario utilizar una lubricación especial.Para entornos de alto vacío (hasta aproximadamente 10-7 mbar), se pueden usar grasas PFPE ya que tienen una resistencia mucho mayor a la evaporación.Para entornos de vacío ultraalto (10-9 mbar e inferior) es necesario utilizar lubricantes y recubrimientos sólidos.

Para entornos de vacío medio (alrededor de 10 a 2 mbar), con un diseño cuidadoso y una selección cuidadosa de la grasa especial para vacío, los sistemas de cojinetes que brindan tiempos de vida prolongados de más de 40 000 horas (aproximadamente 5 años) de uso continuo y funcionan a altas velocidades, pueden ser logrado.

Resistencia a la corrosión

Los rodamientos destinados a utilizarse en un entorno corrosivo deben configurarse especialmente, ya que pueden estar potencialmente expuestos a ácidos, álcalis y agua salada, entre otros productos químicos corrosivos.

Materiales

Los materiales son una consideración vital para los ambientes corrosivos.Los aceros para cojinetes estándar se corroen fácilmente, lo que provoca fallas prematuras en los cojinetes.En este caso, se debe considerar el material del anillo SV30 con bolas de cerámica, ya que son altamente resistentes a la corrosión.De hecho, los estudios han demostrado que el material SV30 puede durar muchas veces más que otros aceros resistentes a la corrosión en un entorno de niebla salina.En las pruebas controladas de niebla salina, el acero SV30 solo muestra leves signos de corrosión después de 1000 horas de prueba de niebla salina (consulte el gráfico 1) y la alta resistencia a la corrosión del SV30 se ve claramente en los anillos de prueba.También se pueden utilizar materiales de bolas de cerámica especiales como Zirconia y carburo de silicio para aumentar aún más la resistencia de un rodamiento a las sustancias corrosivas.

Obtener más de la lubricación de medios

El último entorno desafiante son las aplicaciones en las que el medio actúa como lubricante, por ejemplo, refrigerantes, agua o fluidos hidráulicos.En todas estas aplicaciones, el material es la consideración más importante y, a menudo, se ha encontrado que los rodamientos híbridos cerámicos SV30 brindan la solución más práctica y confiable.

Conclusión

Los entornos extremos presentan muchos desafíos operativos para los rodamientos estándar, lo que hace que fallen prematuramente.En estas aplicaciones, los rodamientos deben configurarse cuidadosamente para que se ajusten a su propósito y brinden un rendimiento excelente y duradero.Para garantizar una alta fiabilidad de los rodamientos, se debe prestar especial atención a la lubricación, los materiales, los revestimientos superficiales y el tratamiento térmico.