Revista Con Mantenimiento

La guerra contra la fricción

Algunas opciones para condiciones comunes en maquinaria rotativa

Kenneth R. Foster


Cada vez que usted reduce la fricción en torno a sus operaciones, está en camino a la reducción del consumo de energía, y los rodamientos son un buen lugar para comenzar.

Cuando se usa maquinaria rotativa la fricción puede convertirse en una amenaza que pone en peligro el funcionamiento, la confiabilidad, la productividad y la vida útil de los activos. Para los rodamientos la fricción es problemática, ya que puede contribuir a un incremento del desgaste, generación de calor y altas temperaturas de operación, además de limitación de la velocidad y la potencia y reducción de la eficiencia energética. La misión es entonces mitigar los efectos negativos.

Los rodamientos antifricción (de bolas y de rodillos) ofrecen un primer paso en el camino a la solución. En contraste con los cojinetes de fricción o rótulas, con sus superficies deslizantes propensas a la fricción, los rodamientos de bolas y rodillos minimizan la fricción inherente mediante la eliminación de casi todo el deslizamiento entre las superficies del rodamiento, y la sustitución de las áreas de contacto por elementos rodantes. Sin embargo, aún con los beneficios de un elemento rodante sobre otro, también se producirá cierta fricción en los rodamientos de bolas y de rodillos.

Se pueden identificar las múltiples fuentes de fricción. La fricción se puede generar en los puntos de contacto, en las áreas de contacto entre los elementos rodantes y la jaula (así como en las superficies guía para los elementos rodantes), en el lubricante y en sellos de contacto cuando sea aplicable.

Aunque la industria ha elaborado los cálculos para determinar ‘los momentos de fricción’, siempre puede aumentar la fricción. El problema, sin embargo, puede ser controlado mediante el uso de materiales que la reduzcan, con otros diseños de los rodamientos y por la selección y cantidad de lubricación apropiada.

Considerando sus rodamientos

Para mantener la fricción a un mínimo, los rodamientos deben ser sometidos siempre a una determinada carga mínima, que permita una adecuada rotación de los elementos rodantes y la formación de una película lubricante en las zonas de rodadura en contacto. Como regla general, a los rodamientos de rodillos se debe imponer una carga que corresponda aproximadamente 0.02 veces la carga dinámica, y para los rodamientos de bolas se debe imponer una carga de 0.01 veces la carga dinámica total radial.

En general, los rodamientos de rodillos pueden soportar cargas más pesadas que los rodamientos de bolas de tamaño similar, y los rodamientos totalmente llenos de rodillos pueden acomodar las cargas más pesadas que los rodamientos con jaula correspondientes. Los rodamientos de bolas se utilizan sobre todo cuando las cargas son relativamente leves o moderadas. Para cargas pesadas y en los diámetros de eje grandes, se usan normalmente rodamientos de rodillos.

Una vez que la carga ideal se ha establecido para una correcta rotación y la formación de película lubricante, las oportunidades para reducir la fricción se obtienen con el rodamiento mismo. Por ejemplo, los materiales utilizados para la fabricación de anillos de rodamientos, elementos rodantes y las jaulas pueden desempeñar un papel importante en la reducción de la cantidad de fricción.

Los rodamientos cerámicos (nitruro de silicio) han contribuido a crear la categoría de rodamientos híbridos, que combinan los elementos rodantes de nitruro de silicio con anillos de acero que exhiben ventajas demostrables en comparación con los rodamientos fabricados totalmente de acero. Entre los beneficios destaca que las bolas cerámicas son aproximadamente 40% menos densas que las bolas de acero, esto reduce la fuerza centrífuga y permite a los rodamientos correr más rápido y con menor fricción a altas velocidades. Además, debido a los valores más altos para el módulo de elasticidad de la cerámica y la rigidez mayor que proporciona, los rodamientos híbridos se caracterizan por pequeñas áreas de contacto. Esto también favorece una reducción de la fricción de rotación y deslizamiento.

Como otro ejemplo de una solución material, las jaulas de poliamida (PEEK) introducen unas propiedades de fricción superior contra las contrapartes de acero o de latón. Además las jaulas PEEK pueden funcionar a velocidades más altas, con mejor desempeño a altas temperaturas y ofrecer mayor resistencia contra agentes agresivos.

Los recubrimientos especializados también pueden ser incluidos en la lucha contra la fricción. Los ejemplos incluyen un recubrimiento de baja fricción que se puede aplicar sobre un rodamiento de las superficies interiores. En comparación con los rodamientos sin recubrimiento, estos generan menos fricción (y calor) y pueden tolerar mejor los posibles daños de la contaminación y la lubricación escasa; también resisten mejor el desgaste, manejan cargas mayores, operan a mayor velocidad, e incluso con lubricación insuficiente.

La ingeniería de rodamientos también ha seguido con los esfuerzos para reducir la fricción. Una nueva generación de rodamientos ‘eficientes de energía’ se ha desarrollado. En ellos se incorpora una pista de rodamiento optimizada para reducir al mínimo el par de fricción (o la pérdida por fricción), una grasa única minimiza el par de fricción asociada al espesor de la grasa o la viscosidad del aceite, y las jaulas de poliamida ayudan a reducir la pérdida de fricción entre las bolas–jaula y canalizan más efectivamente la grasa dentro del rodamiento.

Una vez que un rodamiento está instalado y en funcionamiento, los usuarios deberían ser conscientes de los efectos negativos relacionados con la holgura y/o el desalineamiento. Es de entenderse que la fricción aumentará si debido a las temperaturas de operación o límites de velocidad altos, la holgura interna se reduce. Por eso, siempre se debería mantener una holgura interna adecuada. La desalineación aumentará la fricción y los rodamientos autoalineables ofrecen un recurso para ayudar a resolver el problema.

En la lucha contra la fricción, los usuarios pueden acudir a éstas y otras estrategias para obtener todos los beneficios asociados. Independientemente de las aplicaciones de los equipos, ya sean motores eléctricos, ventiladores, compresores, bombas, cajas de cambio u otros, los usuarios deberían considerar acudir a un fabricante con experiencia para ayudar a remover el factor negativo asociado a la fricción.

 

Conocimientos básicos

Los lubricantes ofrecen una película de separación entre los elementos rodantes, las pistas y las jaulas, para prevenir el contacto de metal a metal y la fricción resultante que de otra manera generaría calor excesivo, desgaste, fatiga del metal e incluso la posible fusión de las superficies de contacto; además, una lubricación de rodamientos adecuada actúa para inhibir el desgaste, la corrosión y ayuda a proteger contra los daños por contaminación. El par de fricción en un rodamiento será menor con una cantidad de lubricante suficiente para formar sólo una película sobre las superficies de contacto y con la viscosidad correcta. Si la cantidad de lubricante es mayor, el par también aumentará con la velocidad. ¿Cual es la lección? Tener el lubricante con la viscosidad correcta. La grasa se ha establecido como el mejor lubricante para rodamientos, en parte porque es fácil de aplicar, puede ser retenida dentro del rodamiento y ofrece capacidades de protección de sellado. Los aceites representan otra alternativa. Cuando se utiliza la lubricación por grasa y un rodamiento ha sido llenado (o rellenado) con la cantidad recomendada, puede mostrar valores de fricción considerablemente mayores durante las primeras horas o días de operación (dependiendo de la velocidad) a los originalmente calculados. Esto se debe a que la grasa necesita tiempo para redistribuirse en el espacio libre del rodamiento o chumacera. Después de ese periodo inicial, el momento de fricción tendrá valores similares a los rodamientos lubricados por aceite y en muchos casos serán más bajos. Para las aplicaciones de alta velocidad o de alta temperatura, una de las principales funciones del lubricante es remover el calor, en donde la lubricación por aceite circulante será necesaria, pero considerando que excesivo lubricante dentro de un rodamiento puede aumentar la fricción y generar calor. Esto nos indica que el caudal de flujo apropiado para el lubricante, está relacionado con la cantidad necesaria para la formación de una buena película de lubricación y la remoción de calor.

Perfil:
Kenneth R. Foster es un especialista de la industria de metales con SKF Inc. (Estados Unidos), empresa proveedora de rodamientos, sellos, mecatrónica, servicios de confiabilidad y sistemas de lubricación, donde es responsable de solucionar problemas de rodamientos relacionadas con cuestiones de mantenimiento. Su correo electrónico es Esta dirección electrónica esta protegida contra spambots. Es necesario activar Javascript para visualizarla .