Innovaciones en rodamientos para mejorar la eficiencia de los equipos rotativos

Introducción

Los rodamientos son componentes de precisión y los apoyos dinámicos de la maquinaria rotativa, a veces pueden presentar fallas prematuras que afectan la operatividad y la productividad. Actualmente, las soluciones de rodamientos inteligentes permiten evaluar de manera continua las condiciones de funcionamiento de máquinas, plantas o productos y transmitir los datos a una unidad de control, detectando inmediatamente muchas variaciones del proceso de producción, así como cambios en el desgaste y la lubricación de los rodamientos.

Las empresas fabricantes de los rodamientos para equipos rotativos tienen requisitos específicos para el diseno de estos componentes, incluyendo velocidades más altas, menor torque, reducción de ruidos y vibración, necesidades de mantenimiento mínimo, durabilidad en entornos adversos, integración en unidades complejas, entre otros aspectos. Las innovaciones en rodamientos inteligentes han impulsado significativamente la eficiencia de los equipos rotativos en diversas industrias.

Innovaciones materiales para rodamientos mas productivos

Los materiales cerámicos como el nitruro de silicio y el circonio ofrecen coeficientes de fricción más bajos, resistencia a la corrosión y altas temperaturas, y menor desgaste en comparación con los rodamientos de acero convencionales. Estos materiales minimizan las pérdidas de energía por fricción, mejorando así el rendimiento del rodamiento y una mayor eficiencia de equipos rotativos

Rodamientos híbridos cerámicos que utilizan elementos rodantes Si3N4, que ofrecen hasta un 80% menos de fricción y una vida útil entre 3 y 5 veces más larga que los rodamientos de acero tradicionales.

Jaulas de polímero avanzadas (p. ej., PEEK) para mejorar la retención de la lubricación y reducir el desgaste de la jaula.

Recubrimientos nano-compuestos (por ejemplo, WC/a-C:H) para una mayor resistencia al desgaste y menores coeficientes de fricción (μ < 0,1).

¿Qué es un rodamiento?

Un rodamiento es un componente mecánico fundamental que consiste típicamente en dos pistas cilíndricas concéntricas, conocidas como anillos interno y externo. Entre estas pistas se disponen elementos rodantes como esferas o rodillos, que permiten el movimiento relativo entre el anillo externo (pista externa) y el anillo interno (pista interna), como se puede apreciar en la figura 1. Este diseño posibilita que la pista externa gire con respecto a la pista interna mientras soporta cargas aplicadas axial y radialmente.

El rodamiento se monta comúnmente sobre un eje de equipos rotativos, permitiendo que el eje gire libremente mientras el rodamiento se apoya en su pista exterior sobre una superficie estática o fija. Este conjunto rodamiento-eje proporciona soporte estable y permite el movimiento rotativo esencial para el funcionamiento de la máquina.

Componentes principales de los rodamientos

En la figura 2, se muestan las partes que componen un rodamiento.

¿Cómo funciona el rodamiento de rodillos y el de bolas?

Los puntos rojos indican el sentido de giro. En la mayoría de las aplicaciones, una de las piezas es fija y la otra está unida al componente giratorio, como un eje o un casquillo. Al girar una de las pistas del rodamiento, las bolas también giran, lo que da lugar a una fricción mucho menor en comparación con el deslizamiento de dos superficies planas. Esto se debe a que las bolas están rodando, minimizando así el contacto directo entre las superficies1.

Para mayor informacion en el siguiente video se muestra el funcionmientos de los rodamientos: Fuente: JAES Company Español.

¿Cómo funciona el rodamiento de rodillos y el de bolas?

¿Cuál es la función de un rodamiento?

Los rodamientos desempeñan una función fundamental en maquinaria rotativa al soportar ejes con baja fricción de rodadura. Su tamaño varía significativamente, desde 10 mm hasta varios metros de diámetro, y pueden manejar cargas que van desde unas pocas decenas de gramos hasta miles de toneladas. Están equipados frecuentemente con jaulas que reducen la fricción y el desgaste entre los rodillos.

La diversidad de aplicaciones ha impulsado el desarrollo de diferentes configuraciones de rodamientos. Los rodamientos de bolas son generalmente versátiles, mientras que los rodamientos de rodillos cilíndricos son preferidos para cargas radiales elevadas. Para cargas que combinan esfuerzos radiales y axiales, se emplean rodamientos cónicos, y para cargas axiales considerables, los rodamientos de empuje son la elección adecuada.

Como en todos los rodamientos radiales, la carga externa se redistribuye continuamente entre los rodillos (especialmente cuando las ruedas están dispuestas verticalmente). A menudo, menos de la mitad del número total de rodillos soporta una parte significativa de la carga. La animación de la izquierda muestra cómo los rodillos del rodamiento soportan una carga radial estática mientras el anillo interior gira. Distribución de la carga (fuerza normal por rodillo) en un rodamiento de rodillos cilíndricos. El anillo interior y los rodillos giran en sentido antihorario; una carga radial estática de 3000 N actúa sobre el anillo interior en dirección descendente. El rodamiento tiene 13 rodillos, 4 de los cuales están bajo carga en todo momento.

Las pistas de rodadura, anulares en la mayoría de los casos, varían según la aplicación. Por ejemplo, los rodamientos de bolas, cilíndricos y cónicos utilizan pistas anulares estándar, mientras que los rodamientos que necesitan permitir desviaciones del eje suelen tener pistas de rodadura esféricas o toroidales. Un tipo especial son las pistas anulares dentadas, que funcionan como mecanismos epicíclicos.

Los rodamientos son fundamentales para asegurar la estabilidad y el funcionamiento de ejes rotativos en diferentes aplicaciones industriales, proporcionando capacidades específicas para resistir cargas axiales, radiales o combinadas, según el diseño y las necesidades particulares de cada máquina o sistema.

Características y tipos de rodamientos

Existen diferentes tipos de rodamientos, cada uno diseñado para cumplir funciones específicas en diferentes aplicaciones. A continuación se describen algunos de los más comunes:

Rodamientos de rodillos cónicos

Estos rodamientos tienen una forma cónica y están compuestos por rodillos cónicos y un anillo cónico exterior, lo que permite el movimiento del eje. Son más eficientes que los rodamientos de bolas para soportar cargas pesadas y radiales, y se utilizan principalmente en aplicaciones que requieren altas cargas radiales y axiales, como en ejes de ruedas de vehículos.

Rodamientos de rodillos cilíndricos

Estos rodamientos tienen una forma cilíndrica y están compuestos por rodillos cilíndricos y un anillo exterior. Son utilizados en aplicaciones que requieren altas cargas radiales, como en ejes de maquinaria pesada y equipos de construcción.

Rodamientos de rodillos esféricos

Con una forma esférica, estos rodamientos están compuestos por un anillo interior y uno exterior, ambos con ranuras donde se colocan rodillos esféricos. Son ideales para aplicaciones que requieren altas cargas radiales y axiales, como en ejes de vehículos y maquinaria de construcción.

Rodamientos de agujas

Estos rodamientos, caracterizados por su diseño compacto y alta capacidad de carga en comparación con su tamaño, son ideales para aplicaciones que requieren altas velocidades y cargas radiales y axiales. Están compuestos por una serie de agujas cilíndricas dispuestas en un espacio circular entre un anillo interior y uno exterior. Se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, desde ejes de bicicletas hasta motores eléctricos y maquinaria industrial, gracias a su resistencia a la corrosión y su larga vida útil.

Rodamientos de contacto angular

Estos componentes permiten el movimiento de rotación en un eje y tienen dos tipos de carreras: interna y externa. Ofrecen una mayor capacidad de carga y precisión en comparación con otros tipos de rodamientos, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alta velocidad y carga. Pueden soportar cargas combinadas radiales y axiales y están disponibles en versiones de una y dos hileras. Los de una hilera son adecuados para cargas leves, mientras que los de dos hileras son adecuados para cargas más pesadas y aplicaciones de alta precisión.

Rodamientos radiales y axiales

Los rodamientos radiales tienen la mayor capacidad de carga y la menor altura de la sección transversal. Son preferibles para aplicaciones con diámetros exteriores pequeños y se utilizan en transmisiones y balancines. Los rodamientos axiales y radiales tienen características de rendimiento similares, pero los radiales tienen mayor capacidad de carga y pueden soportar velocidades de rotación muy altas, además de ser más flexibles y silenciosos debido a su gran superficie de contacto.

Los distintos tipos de rodamientos, con sus diseños y características específicos, ofrecen soluciones confiables y duraderas para una amplia variedad de aplicaciones, permitiendo rodamientos de alta eficiencia en todos los componentes mecánicos que lo integran.

Beneficios de la innovación en rodamientos

Los rodamientos ofrecen una serie de ventajas significativas en diversas aplicaciones industriales y mecánicas mejorando la operatividad y reduciendo costos y necesidades de mantenimiento. Algunas de las principales ventajas incluyen:

• Alta precisión de colocación: La alta precisión de los rodamientos permite valores de holgura bajos en los sellos e impulsores, lo que reduce las pérdidas de flujo volumétricas. Esto mejora la eficiencia operativa de los sistemas en los que se utilizan.
• Menor fricción de rodaje: Los rodamientos presentan una fricción de rodaje menor en comparación con otros componentes, lo que contribuye a un funcionamiento más suave y eficiente. Esto es especialmente útil en aplicaciones que requieren arranques y paradas frecuentes o velocidades muy bajas, como los sistemas de accionamiento de velocidad variable.
• Capacidad para manejar bajas viscosidades y alta dilución del aceite: Los rodamientos pueden funcionar eficazmente con aceites de baja viscosidad y soportar una alta dilución del aceite, lo que los hace adecuados para una amplia gama de entornos operativos.
• Reducción en el uso de lubricante y mantenimiento: En general, los rodamientos requieren hasta un 90% menos de aceite lubricante, lo que reduce la necesidad de mantenimiento del sistema de lubricación y contribuye a la eficiencia y sostenibilidad operativa.
• Menor complejidad y costo del sistema: La utilización de rodamientos simplifica la disposición del sistema para manejar cargas de empuje y cargas combinadas, además de grandes desalineaciones. Esto reduce tanto la complejidad como el costo del sistema en su conjunto.

Avances en tecnología de rodamientos inteligentes

Entre los rodamientos inteligentes, los más novedosos son los del tipo magnético, el cual se describe a continuación:

Rodamientos de alta eficiencia inteligentes tipo magnéticos

Los rodamientos inteligentes son dispositivos avanzados que utilizan campos electromagnéticos para suspender y estabilizar un eje rotatorio sin contacto físico directo. Un sistema de control electrónico avanzado ajusta estas fuerzas electromagnéticas en respuesta a las fuerzas generadas por el funcionamiento de la máquina.

El cojinete magnético radial posiciona el rotor mediante cuatro electroimanes, cada uno de los cuales consta de un componente del estator y un componente del rotor. Los electroimanes opuestos se ajustan para atraerse entre sí. Cuando una fuerza externa hace que el rotor cambie de posición, el movimiento es identificado por sensores de posición.

El sistema de control electrónico responde ajustando la corriente que fluye a través de los respectivos electroimanes, devolviendo el rotor a su posición original. El cojinete magnético axial posiciona un rotor axialmente utilizando fuerzas electromagnéticas que tiran en oposición del collar.

Debido a la naturaleza sensible de las superficies magnéticas, los rodamientos inteligentes magnéticos (figura 5) activos incluyen cojinetes auxiliares. Estos cojinetes soportan el rotor cuando la máquina está parada, además de soportar sobrecargas y soportar el rotor en caso de falla del sistema.

Los rodamientos inteligentes magnéticos activos (AMB Active magnetic bearing) son un tipo de rodamiento que soporta una carga mediante levitación magnética. Utilizan fuerzas electromagnéticas para mantener un eje giratorio en una posición precisa sin contacto físico. Esta tecnología proporciona varias ventajas, como fricción reducida, ausencia de desgaste mecánico y la capacidad de operar a altas velocidades.

Los rodamientos inteligentes incorporan sensores MEMS (Sistemas Micro-electromecánicos) miniaturizados capaces de medir múltiples parámetros simultáneamente. Estas incluyen:

• Acelerómetros para análisis de vibraciones (rango 0,1-20 kHz)
• Termopares o RTD para monitoreo de temperatura (precisión de ±0,1 °C)
• Galgas extensométricas para medición de carga (precisión de escala completa del 0,1%)
• Sensores capacitivos para medición del espesor de la película de aceite (rango 1-100 μm)

¿Por qué es importante la lubricación de los rodamientos?

Los rodamientos están diseñados para facilitar el movimiento suave y eficiente al minimizar la fricción entre las partes móviles. Sin embargo, sin una lubricación adecuada, las superficies metálicas del rodamiento pueden entrar en contacto directo, incrementando la fricción y acelerando el desgaste. La aplicando un buen lubricante forma una película separadora entre estas superficies, disminuyendo la fricción y previniendo el desgaste, asegurando así el rendimiento óptimo del equipo rotativo³.

La lubricación forma una película delgada entre las bolas y las pistas del rodamiento, minimizando la fricción y, por ende, las pérdidas energéticas asociadas. Esta reducción de la fricción permite que el rodamiento funcione con mayor eficiencia.

La selección del lubricante y del método de lubricación adecuados (como aceite mineral, aceite sintético o grasa) es fundamental y debe considerar variables como las condiciones operativas específicas, la velocidad, la carga y la temperatura del rodamiento.

Los rodamientos a menudo operan en entornos adversos, incluyendo humedad, polvo y agentes químicos. Un excelente lubricante actúa como una barrera protectora, impidiendo que la humedad y los contaminantes alcancen las superficies de los elementos rodantes y causen corrosión. Esto es especialmente crucial en industrias donde los equipos están expuestos a sustancias corrosivas o funcionan en condiciones de alta humedad.

Durante su operación, los rodamientos generan calor debido a la fricción. El calor excesivo puede deteriorar los materiales del rodamiento, provocando fallos prematuros. Aplicando un lubricante de calidad, facilita la disipación del calor, absorbiéndolo y trasladándolo lejos de las superficies de los rodamientos, manteniéndolos dentro de su rango de temperatura óptimo.

Los rodamientos adecuadamente lubricados operan de manera más silenciosa y con menos vibración. El ruido y la vibración pueden indicar problemas en los rodamientos, como desalineación o desgaste excesivo. Manteniendo una lubricación programada, se pueden mitigar estos problemas, garantizando un funcionamiento más suave y silencioso de la maquinaria.

La durabilidad de los rodamientos está estrechamente vinculada a la calidad y consistencia de su lubricación. Una lubricación regular y adecuada previene el desgaste prematuro, reduce el riesgo de contaminación y minimiza la probabilidad de sobrecalentamiento. Esto, a su vez, prolonga la vida útil de del equipo rotativo que soportan, resultando en menores costos de mantenimiento y una mayor productividad.

Conclusiones

Las innovaciones en rodamientos inteligentes han mejorado notablemente la eficiencia de los equipos rotativos en diversas industrias. Un avance clave es el uso de materiales cerámicos como el nitruro de silicio y el circonio, que ofrecen coeficientes de fricción más bajos, mejor resistencia a la corrosión y altas temperaturas, y menor desgaste comparado con los rodamientos de acero tradicionales. Estos materiales no solo reducen las pérdidas de energía por fricción, sino que también mejoran el rendimiento y la vida útil de los rodamientos, cumpliendo con las exigencias de los fabricantes de equipos y contribuyendo al avance tecnológico en múltiples sectores.

Ciertas aplicaciones como; equipos de precisión, plataformas offshore y unidades FPSO, compresores herméticos, aprovechan las ventajas clave de los rodamientos inteligentes magnéticos, como la operación sin contacto, la eliminación de la necesidad de lubricación, la capacidad de funcionar en condiciones extremas y la reducción del mantenimiento. Su uso está creciendo en industrias que buscan mayor eficiencia, confiabilidad y rendimiento en condiciones desafiantes.

Es importante notar que los rodamientos magnéticos requieren un suministro constante de energía eléctrica y un sistema de control sofisticado para mantener la estabilidad del rotor. Además, generalmente se incluyen rodamientos de respaldo mecánicos para casos de fallo del sistema eléctrico o sobrecarga.

Referencias

1. https://es.wikipedia.org/wiki/Rodamiento_de_bolas#Condiciones_de_funcionamiento
2. https://evolution.skf.com/es/rodamientos-magneticos-a-toda-prueba/
3. J/E Bearing & Machine Ltd., “Plain or Rolling Bearings – Which is Best?”