FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA ZONA POZA RICA TUXPAN COJINETES APLICADOS A LAS BOMBAS CENTRIFUGAS" TESINA QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

Transcripción

1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA ZONA POZA RICA TUXPAN COJINETES APLICADOS A LAS BOMBAS CENTRIFUGAS" TESINA QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA. PRESENTA: ROGELIO LUCIANO CRUZ JOSE LUIS PAULA HERNANDEZ DIRECTOR DE TRABAJO RECEPCIONAL: ING. CESAR IGNACIO VALENCIA GUTIERREZ POZA RICA, VER.

2 INDICE INTRODUCCION... 3 CAPITULO I... 3 JUSTIFICACIÓN NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO ENUNCIACIÓN DEL TEMA EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO CAPITULO II DESARROLLO DEL TEMA... 9 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN MARCO CONTEXTUAL MARCO TEÓRICO DESCRIPCION DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS Clasificación de las bombas centrífugas Componentes de las Bombas Centrífugas Cargas desarrolladas en las bombas COJINETES UTILIZADOS EN BOMBAS CENTRÍFUGAS Tipos de cojinetes utilizados en bombas centrífugas Arreglos de los Cojinetes en Bombas Vida Útil de los Cojinetes Lubricación de Cojinetes Temperatura de los Cojinetes Montaje y claro radial de los cojinetes COJINETES DE BOLAS DE CONTACTO ANGULAR EN BOMBAS CENTRÍFUGAS Cojinetes de bolas de contacto angular de hilera sencilla Cojinetes de bolas de contacto angular de doble hilera Ejecuciones básicas Aptitud para altas velocidades Tratamiento térmico Rodamientos obturados

3 3.2.5 Carga dinámica equivalente Carga estática equivalente Medidas auxiliares COJINETES DE RODILLOS EN BOMBAS CENTRÍFUGAS COJINETES DE RODILLO CILÍNDRICOS DE UNA HILERA Ejecuciones básicas Aptitud para altas velocidades Tratamiento térmico Carga dinámica equivalente Lubricación en los rodamientos de rodillos cilíndricos cargados axialmente Rodamientos de Rodillos Cilíndricos sin aro interior COJINETES DE RODILLOS CÓNICOS Ejecución básica Adaptabilidad angular Tratamiento térmico Capacidad de carga dinámica C para una pareja de rodamientos de rodillos cónicos Determinación de la fuerza axial para el rodamiento individual Medidas auxiliares COJINETES DE RODILLOS ESFÉRICOS Ejecución básica Disposición de los rodamientos Jaula Lubricación Aptitud para alta velocidad Rigidez y precarga ANÁLISIS CRÍTICOS DE LOS DIFERENTES ENFOQUES C A P I T U L O III CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA

4 INTRODUCCION CAPITULO I Cada vez son más las plantas que tienen el objetivo de prolongar el tiempo medio entre reparaciones para sus equipos dinámicos, que incluyen bombas centrífugas para las industrias petrolera, petroquímica y del gas. Maximizar la eficacia de la lubricación en bombas de procesamiento contribuirá en gran medida hacia alcanzar dicho objetivo. En este trabajo recepcional se entenderán formas óptimas de lubricar los rodamientos en las bombas de procesamiento, incluyendo el uso de deflectores o anillos elevadores de aceite, así como la importancia de mantener el nivel adecuado de aceite y diversas formas de controlar la contaminación. Los rodamientos que se lubrican correctamente, con una contaminación mínima, funcionarán a temperaturas más bajas y durante períodos de tiempo más largos. Los rodamientos ó baleros son elementos de precisión que necesitan de un especial manejo. Los baleros surgen de la necesidad de que las partes en movimientos giren más rápido y a menor fricción. La mayoría de los baleros consisten de anillos (un anillo interior y un anillo exterior), elementos rodantes (bolas o rodillos), y un separador de elementos rodantes, comúnmente llamado jaula. La jaula separa los elementos rodantes a intervalos iguales, los mantienen en su lugar entre la pista interna y la externa, y les permite rodar libremente. Los elementos rodantes son provistos en dos formas generalmente bolas o rodillos. Los rodillos se suministran en cuatro estilos básicos: cilíndricos, de agujas, cónicos y esféricos. El contacto geométrico de las bolas con la superficie de las pistas de rodadura de los anillos internos y externos es un punto; mientras que el contacto de los rodillos es una línea. Teóricamente, los rodamientos de bolas y de rodillos se construyen para permitir que los elementos rodantes giren orbitalmente, al mismo tiempo lo hacen sobre sus propios ejes. Mientras que los elementos rodantes y los anillos soportan cualquier carga aplicada al rodamiento (en los puntos de contacto entre los elementos rodantes y las superficies de las pistas), la jaula, no soporta carga alguna en forma directa. Su objetivo básico es para mantener os elementos rodantes a distancias iguales entre si y, para lograr una buena distribución de las cargas sobre el rodamiento. 3

5 JUSTIFICACIÓN. Los rodamientos son elementos de alta precisión. Un manejo inadecuado provocará su falla prematura y un mal funcionamiento de la maquinaria. Para evitar que esto ocurra, se deben tomar precauciones en su manejo. Los rodamientos deben ser montados en un ambiente de trabajo limpio, libres de contaminantes que se filtren a su interior, evitando también que reciban golpes innecesarios. El rodamiento antifricción es un elemento de maquinaria que desempeña un papel muy importante y controla el rendimiento de la máquina. La vida efectiva del rodamiento se define como el número total de revoluciones o el número total de horas de operación a una velocidad constante antes de que ocurra el descascarillado. El rodamiento puede fallar por atascamiento, fracturas, desgaste, corrosión, etc. Estos problemas son causados por una selección o manejo inadecuado del rodamiento y pueden ser evitados a través de una correcta selección, manejo y mantenimiento. Estos problemas son considerados por separado de la vida por fatiga del rodamiento. 4

6 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DEL TRABAJO. La selección de rodamientos suele basarse en la vida de los rodamientos y los modelos de fatiga para predecir la vida. Por lo tanto, la selección inicial de un tamaño de rodamiento para una aplicación comienza normalmente por comparar sus capacidades de carga con las cargas aplicadas que generan fatiga, lo que origina tensiones con respecto a los requisitos de vida útil y fiabilidad. Se deben comprobar de forma independiente las condiciones de carga dinámica y estática del rodamiento. La capacidad de carga dinámica se usa para los cálculos de vida de rodamientos sometidos a esfuerzos dinámicos, como los que giran bajo carga. Esta capacidad, definida en la norma ISO 281, expresa la carga del rodamiento que ofrecerá una vida nominal (L10) de un millón de revoluciones. Las cargas dinámicas se deben comprobar utilizando un ciclo de trabajo representativo o espectro de las condiciones de carga del rodamiento, incluyendo las posibles cargas de pico (pesadas) que puedan ocurrir. La capacidad de carga estática se aplica a los cálculos cuando los rodamientos giran a velocidades menores de 10 rev/min, están sujetos a movimientos oscilantes muy lentos o permanecen estacionarios bajo carga durante determinados períodos de tiempo. Las cargas estáticas no son solo las que se aplican cuando el rodamiento está parado o con velocidades de giro muy bajas; deben tenerse en cuenta las cargas de choque pesadas (cargas de duración muy breve). Unas cargas estáticas excesivas pueden comprometer la integridad de un rodamiento provocando deformaciones plásticas en las superficies de contacto. Las cargas que actúan sobre un rodamiento se pueden calcular según la mecánica clásica, si las fuerzas externas se conocen o se pueden calcular. Entre las fuerzas externas pueden encontrarse las fuerzas resultantes de la transmisión de potencia, los apoyos de ejes o soportes, o las fuerzas de inercia. Cuando se calculan los componentes de la carga de un rodamiento, el eje se considera una viga que descansa sobre soportes rígidos y no sometidos a momentos. En los catálogos básicos o en cálculos simplificados, las deformaciones plásticas del rodamiento, el soporte o la bancada de la máquina suelen no tenerse en cuenta, ni tampoco los momentos producidos en el rodamiento como resultado de la flexión del eje. Tradicionalmente, y con el fin de simplificarlos, los métodos estandarizados para el cálculo de las capacidades de carga y las cargas equivalentes se han basado en suposiciones similares. Si la carga calculada del rodamiento cumple los requisitos de la capacidad de carga dinámica (es decir, la carga es constante en magnitud y dirección, y actúa radialmente sobre un rodamiento radial, o axialmente y centrada sobre un rodamiento axial), entonces la carga puede ser insertada directamente en las fórmulas de la vida. 5

7 En los demás casos se debe establecer una carga dinámica equivalente. Esta se define como la carga hipotética (constante en magnitud y dirección y que actúa radialmente en los rodamientos radiales o axialmente en los rodamientos axiales) que, si se aplicara, ejercería la misma influencia sobre la vida del rodamiento que las cargas reales a las cuales está sometido. Los rodamientos radiales se encuentran sujetos, con frecuencia, a cargas radiales y axiales que actúan simultáneamente. Si la carga resultante es constante tanto en magnitud como en dirección, la carga dinámica equivalente se puede obtener con una simple ecuación. Una carga axial adicional solo influye en la carga dinámica equivalente para un rodamiento radial de una hilera de elementos rodantes si la relación Fa/Fr sobrepasa un valor límite determinado. Para los rodamientos radiales de dos hileras de elementos rodantes, incluso las pequeñas cargas axiales influyen de manera significativa. La misma ecuación general se aplica a los rodamientos axiales de rodillos a rótula y a otros tipos de rodamientos axiales que admiten tanto cargas axiales como radiales. Para los rodamientos axiales de bolas y de otro tipo que solo pueden absorber cargas puramente axiales, la ecuación se puede simplificar, siempre que la carga esté centrada. Para los rodamientos axiales que soportan tanto cargas axiales como radiales, los diseños varían tanto que es necesario consultar los catálogos de los fabricantes. 6

8 ENUNCIACIÓN DEL TEMA. Los rodamientos son elementos de alta precisión. Un manejo inadecuado provocará su falla prematura y un mal funcionamiento de la maquinaria. Para evitar que esto ocurra, se deben tomar precauciones en su manejo. Los rodamientos deben ser montados en un ambiente de trabajo limpio, libres de contaminantes que se filtren a su interior, evitando también que reciban golpes innecesarios. El rodamiento antifricción es un elemento de maquinaria que desempeña un papel muy importante y controla el rendimiento de la máquina. La vida efectiva del rodamiento se define como el número total de revoluciones o el número total de horas de operación a una velocidad constante antes de que ocurra el descascarillado. El rodamiento puede fallar por atascamiento, fracturas, desgaste, corrosión, etc. Estos problemas son causados por una selección o manejo inadecuado del rodamiento y pueden ser evitados a través de una correcta selección, manejo y mantenimiento. Estos problemas son considerados por separado de la vida por fatiga del rodamiento. El conocimiento completo de la máquina o del equipo donde se ha de instalar un rodamiento, los requerimientos de operación y ambiente de funcionamiento; son la base principal para una adecuada selección del mismo. Para el proceso de selección se requieren los siguientes datos: La función y construcción del equipo Ubicación de montaje del rodamiento Carga en el rodamiento (dirección y magnitud) Velocidad de giro Vibración y cargas de impacto Temperatura de operación del rodamiento Ambiente (corrosión, limpieza del ambiente etc.) Método de lubricación Seleccionar lubricante 7

9 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO. Este trabajo recepcional proveerá una mirada detallada a los apoyos aplicados a las bombas centrífugas. Se inicia con la descripción de las principales operaciones generales de las bombas centrifugas, detalles de los apoyos de las bombas incluyendo su vida útil, lubricantes, y una definición de las diversas cargas a las que estarán sometidos. Posteriormente se incluye la aplicación del cojinete de bola y de rodillos, con rodamientos en detalle, clasificación comparativa de viscosidad, conversión de unidades y referencias. 8

10 CAPITULO II DESARROLLO DEL TEMA PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE LA INVESTIGACIÓN. Las exigencias más importantes del diseño de rodamientos son: larga duración de servicio, alta fiabilidad y rentabilidad. Para alcanzar estas metas, los ingenieros de diseño recopilan en especificaciones las condiciones que influyen en el rodamiento y las exigencias que deben alcanzarse. No sólo deben seleccionarse el tipo, diseño y disposición de rodamientos adecuada; también las partes adyacentes, es decir el eje, alojamientos y piezas de fijación, obturación y sobre todo la lubricación, deben estar adaptados a los parámetros indicados en las especificaciones. Los pasos para diseñar una disposición de rodamientos generalmente siguen el mismo orden. Primero debe efectuarse un exacto reconocimiento de todos los factores de influencia. Luego, se elige el tipo, la disposición y el tamaño de los rodamientos y se revisan las alternativas. Finalmente se determina la disposición completa de rodamientos en el plano de diseño donde se definen los datos de los rodamientos (dimensiones principales, tolerancias, juego del rodamiento, jaula, denominaciones abreviadas) las partes adyacentes (tolerancias de ajuste, fijaciones, obturaciones) y la lubricación. También se considera el montaje y el mantenimiento. Para elegir la disposición de rodamientos más económica, debe compararse el grado en que cada solución alternativa soporta los factores de influencia así como los costes totales. Deben conocerse los siguientes datos: Máquina / dispositivo y lugar de montaje de los rodamientos (croquis) Condiciones de servicio (carga, velocidad, espacio de montaje, temperatura, condiciones ambientales, disposición del eje, rigidez de las partes adyacentes) Exigencias (duración, precisión, ruido, rozamiento y temperatura de servicio, lubricación y mantenimiento, montaje y desmontaje) Datos comerciales (plazos, cantidad de piezas) Antes de diseñar la disposición de los rodamientos, deben evaluarse los siguientes factores de influencia: Carga y velocidad Qué cargas radiales y axiales existen? Cambia la dirección? Cuál es la velocidad de giro? Cambia el sentido de giro? Pueden producirse cargas de choque? Debe considerarse la relación entre carga y velocidad y sus porcentajes de tiempo en el dimensionado? Espacio de montaje Hay una zona de montaje especificada? Es posible cambiar las dimensiones sin perjudicar el funcionamiento de la máquina? Temperatura Qué temperatura ambiente hay? Hay que contar con un calentamiento o refrigeración externo (gradiente térmico entre los aros de los rodamientos)? Qué variaciones longitudinales por dilatación térmica cabe esperar? Condiciones ambientales Existe elevada humedad ambiental? Conviene proteger los rodamientos contra suciedad? Existen medios agresivos? Disposición del eje En cuál de las tres disposiciones, horizontal, vertical o inclinada se encuentran los ejes? 9

11 Rigidez de las partes adyacentes Deben considerarse deformaciones del soporte? Cabe esperar desalineaciones de los rodamientos originadas por flexión del eje? Vida Qué vida se exige? Es posible comparar la presente disposición de rodamientos con otra ya probada? Debe efectuarse un cálculo de vida ampliado (que siempre será preferible por sus resultados más parecidos a las condiciones de servicio reales)? Precisión Hay grandes exigencias en precisión de giro, en apoyos para máquinasherramienta? Ruido Se exige un funcionamiento muy silencioso, en motores eléctricos de aparatos electrodomésticos? Rozamiento y temperatura de servicio Se exige una pérdida de energía reducida? Conviene limitar el aumento de temperatura para no perjudicar la precisión? Lubricación y mantenimiento Existen especificaciones sobre el tipo de lubricación del rodamiento, lubricación por baño o circulación de aceite? Es necesario evitar la fuga de lubricante para que la calidad del producto no se perjudique, en la industria alimenticia? Se ha previsto un sistema central de lubricación? Montaje y desmontaje Se necesitan dispositivos de montaje especiales? El aro interior se monta sobre un eje cónico o cilíndrico? Los rodamientos deben montarse directamente sobre el eje o fijarlos con manguitos de montaje o desmontaje? Datos comerciales Qué demanda existe? Cuándo se necesitan los rodamientos? Es posible utilizar las ejecuciones básicas suministrables a corto plazo? Se necesitan variantes del diseño básico del rodamiento o nuevos diseños para condiciones de servicio especiales? Estas influencias son tenidas en cuenta para cada uno de los siguientes pasos de diseño de una disposición de rodamientos Elección del tipo de rodamiento Elección de la disposición del rodamiento Determinación del tamaño del rodamiento (vida, factor de seguridad estática) Definición de datos del rodamiento Diseño de las partes adyacentes Lubricación y mantenimiento Montaje y desmontaje. En la mayoría de los casos los costes ocasionados por el diseño del rodamiento son relativamente bajos porque se aprovechan las experiencias adquiridas con disposiciones parecidas. Las indicaciones del catálogo se refieren a estas aplicaciones. 10

12 MARCO CONTEXTUAL. RODAMIENTOS. Los rodamientos ó baleros son elementos de precisión que necesitan de un especial manejo. Los baleros surgen de la necesidad de que las partes en movimientos giren más rápido y a menor fricción. La mayoría de los baleros consisten de anillos (un anillo interior y un anillo exterior), elementos rodantes (bolas o rodillos), y un separador de elementos rodantes, comúnmente llamado jaula. La jaula separa los elementos rodantes a intervalos iguales, los mantienen en su lugar entre la pista interna y la externa, y les permite rodar libremente. Los elementos rodantes son provistos en dos formas generalmente bolas o rodillos. Los rodillos se suministran en cuatro estilos básicos: cilíndricos, de agujas, cónicos y esféricos. El contacto geométrico de las bolas con la superficie de las pistas de rodadura de los anillos internos y externos es un punto; mientras que el contacto de los rodillos es una línea. Teóricamente, los rodamientos de bolas y de rodillos se construyen para permitir que los elementos rodantes giren orbitalmente, al mismo tiempo lo hacen sobre sus propios ejes. Mientras que los elementos rodantes y los anillos soportan cualquier carga aplicada al rodamiento (en los puntos de contacto entre los elementos rodantes y las superficies de las pistas), la jaula, no soporta carga alguna en forma directa. Su objetivo básico es para mantener os elementos rodantes a distancias iguales entre si y, para lograr una buena distribución de las cargas sobre el rodamiento. CLASIFICACIÓN. Los baleros se clasifican en dos categorías principales: rodamientos de bolas y rodamientos de rodillos. Los rodamientos de bolas se clasifican de acuerdo a la configuración de sus anillos: baleros rígidos, de contacto angular y de carga axial. En contraste, los rodamientos de rodillos se clasifican en función de la forma de los rodillos: cilíndricos, de agujas, cónicos y oscilantes ó esféricos. Los baleros pueden clasificarse adicionalmente de acuerdo a la dirección en la que se aplica la carga: baleros, baleros para carga axial, para carga radial y para carga combinada radial - axial. Otros aspectos de clasificación incluyen: El número de hileras de elementos rodantes (una, dos ó 4 hileras) No separables ó separables, en el cual, el anillo interior ó el anillo exterior pueden ser separados o desmontados Baleros de empuje, los cuales pueden tomar cargas axiales en un sentido y, baleros de empuje de doble sentido, los cuales pueden tomar carga axial en ambos sentidos de una misma dirección. También existen baleros diseñados para aplicaciones especiales, tales como: Una unidad de rodamiento de rodillo cónico para vagones de ferrocarril (rodamientos RCT), baleros tipo plato giratorio (tornamesa), así como baleros de movimiento rectilíneo (baleros lineales de bola, rotulas), etc. 11

13 CLASIFICACION PRINCIPAL DE LOS RODAMIENTOS DE BOLAS Y RODAMIENTOS DE RODILLOS. 12

14 CARACTERÍSTICAS. Los rodamientos de bolas y de rodillos presentan diferentes formas y variantes, cada una con sus rasgos distintivos. Sin embargo, cuando se comparan con soportes planos (cojinetes), los rodamientos de bolas y de rodillos tienen las siguientes ventajas: El coeficiente de fricción es mucho menor. Son normalizados internacionalmente, son intercambiables y se obtienen con facilidad. Se lubrican con facilidad y el consumo de lubricante es bajo. Como una regla general, un rodamiento puede llevar tanto carga radial como axial, a la vez. Puede ser utilizado en aplicaciones de alta o baja temperatura y alta o baja velocidad. La rigidez del rodamiento puede mejorarse con la aplicación de una precarga. Generalmente cuando se comparan los rodamientos de bolas y rodamientos de rodillos de las mismas dimensiones, los rodamientos de bolas exhiben una resistencia a la fricción menor y una menor variación, de rotación, que los rodamientos de rodillos. Eso los hace más adecuados para las aplicaciones de alta velocidad, alta presión, bajo par torsión y baja vibración. En contraste, los rodamientos de rodillos tienen una capacidad de carga mayor que los hace apropiados para aplicaciones de vida y de resistencia a la fatiga prolongada, con cargas elevadas y de aplicación repentina. Casi todos los tipos de rodamientos de bolas y de rodillos pueden llevar tanto carga radial como carga axial, a la vez. Generalmente, cuando los rodamientos que poseen un ángulo de contacto menor a 45 grados, tienden a ser rodamientos radiales, mientras que los rodamientos que poseen un ángulo de contacto mayor que 45 grados tienden a ser rodamientos axiales. También hay rodamientos clasificados como combinados; estos reúnen las características de carga tanto de los rodamientos radiales como de los axiales. SELECCIÓN DE BALEROS. Los rodamientos de rodillos y de bolas se suministran en una gran variedad de tipos y dimensiones. La consideración más importante en la selección de un rodamiento es escoger aquél que permita a la máquina ó la parte en la cual se instala, desempeñarse satisfactoriamente y en la forma esperada. Para facilitar el proceso de selección y lograr la determinación del rodamiento más apropiado para una tarea, es necesario analizar las especificaciones requeridas. Aunque no hay reglas rápidas y fijas para la selección, la siguiente lista de pasos de evaluación ofrece entre otros conceptos, una referencia general en la elección del rodamiento adecuado: 13

15 Comprensión cabal del tipo de máquina en la que se va a utilizar el rodamiento y de las condiciones de operación bajo las cuales funcionará Definir claramente todos los requerimientos básicos que la aplicación demanda Seleccionar el tipo del rodamiento Seleccionar el arreglo del rodamiento Seleccionar el tamaño del rodamiento Seleccionar las especificaciones del rodamiento Seleccionar el método de montaje CONDICIONES DE OPERACIÓN Y AMBIENTE. El conocimiento completo de la máquina o del equipo donde se ha de instalar un rodamiento, los requerimientos de operación y ambiente de funcionamiento; son la base principal para una adecuada selección del mismo. Para el proceso de selección se requieren los siguientes datos: La función y construcción del equipo Ubicación de montaje del rodamiento Carga en el rodamiento (dirección y magnitud) Velocidad de giro Vibración y cargas de impacto Temperatura de operación del rodamiento Ambiente (corrosión, limpieza del ambiente etc.) Método de lubricación Seleccionar lubricante MANEJO DE LOS BALEROS. Los rodamientos son elementos de alta precisión. Un manejo inadecuado provocará su falla prematura y un mal funcionamiento de la maquinaria. Para evitar que esto ocurra, se deben tomar precauciones en su manejo. Los rodamientos deben ser montados en un ambiente de trabajo limpio, libres de contaminantes que se filtren a su interior, evitando también que reciban golpes innecesarios. El rodamiento antifricción es un elemento de maquinaria que desempeña un papel muy importante y controla el rendimiento de la máquina. La vida efectiva del rodamiento se define como el número total de revoluciones o el número total de horas de operación a una velocidad constante antes de que ocurra el descascarillado. El rodamiento puede fallar por atascamiento, fracturas, desgaste, corrosión, etc. Estos problemas son causados por una selección o manejo inadecuado del rodamiento y pueden ser evitados a través de una correcta selección, manejo y mantenimiento. Estos problemas son considerados por separado de la vida por fatiga del rodamiento. 14

16 INSPECCIÓN DE LOS RODAMIENTOS. Rutinas de inspección de los rodamientos de la maquinaria durante el funcionamiento son importantes para prevenir fallas innecesarias. Los siguientes métodos son generalmente adoptados para inspeccionar los rodamientos: Revisión de los rodamientos en funcionamiento. Se incluye la temperatura del rodamiento, ruido y vibración y la verificación de las propiedades del lubricante para determinar cuándo debe ser cambiado. Inspección de los rodamientos después del funcionamiento. Cualquier cambio del rodamiento es cuidadosamente examinado después del funcionamiento y durante inspecciones periódicas para así poder tomar medidas para prevenir la recurrencia. Es importante para el mantenimiento adecuado de los rodamientos determinar los requerimientos e intervalos de inspección de acuerdo a la importancia del sistema o el equipo y seguir el programa establecido. INSPECCIÓN DURANTE EL FUNCIONAMIENTO. Temperatura del rodamiento, generalmente se eleva durante el arranque y se estabiliza a una temperatura un poco menor que durante el arranque, normalmente 10º a 40º C más alta que la temperatura ambiente según se aplicaran, en un periodo de tiempo. El tiempo antes de su estabilización depende del tamaño, tipo, velocidad y sistema de lubricación del rodamiento y las condiciones de disipación de calor alrededor del rodamiento. Puede variar entre 20 minutos hasta varias horas. Si la temperatura del rodamiento no se estabiliza y continúa ascendiendo, la operación debe ser detenida y una apropiada revisión y acción correctiva debe ser tomada. Una alta temperatura en el rodamiento no es deseable en virtud de mantener una vida de servicio adecuada y prevenir el deterioro del lubricante. Una temperatura deseable en el rodamiento es generalmente por debajo de los 100º C. Las mayores causas de altas temperaturas en los rodamientos son: Poco o excesivo lubricante Instalación incorrecta de los rodamientos Juego interno muy pequeño o carga extremadamente pesada Desalineación de los rodamientos Tipo de lubricante inapropiado Deslizamiento entre las superficies de ajuste MONTAJE DE LOS BALEROS. Revise su equipo antes del montaje. Cualquier rebaba, viruta, óxido o suciedad debe ser removida de las superficies de los asientos del eje, alojamiento y apoyos donde irá montado el rodamiento. El montaje se puede facilitar si se aplica una capa delgada de aceite a las superficies limpias. Saque el rodamiento de su empaque justo antes del montaje. Virutas, rebabas y otros contaminantes que se filtren al interior del rodamiento antes y durante el montaje causarán ruidos y vibraciones durante el funcionamiento. 15

17 HERRAMIENTAS PARA MONTAJE. Verifique que todos los aditamentos de presión, discos y otros dispositivos de montaje sean del tamaño apropiado y estén libres de rebabas o suciedad. Igual precaución debe observarse con las herramientas que se utilizarán. No modifique el rodamiento, los rodamientos se fabrican con tolerancias muy cerradas que le permiten cumplir con los requerimientos de alta precisión. Por lo tanto, es imperativo tomar precauciones especiales para evitar alterar las tolerancias o dimensiones del rodamiento. La utilización de un martillo en el montaje de los rodamientos ocasiona daños debido a los impactos puntuales. Cuando el montaje del rodamiento requiera un ajuste apretado, se debe utilizar una prensa u otro dispositivo para distribuir la fuerza de manera uniforme. CUIDADOS ESPECIALES. Los rodamientos son muy susceptibles a cargas de impacto y de choque. Los rodamientos soportan la carga en un área de contacto muy pequeña, localizada entre los elementos rodantes y las superficies de las pistas del anillo interior y exterior. Si se aplica una carga excesiva o de impacto a esta pequeña área de contacto, se producirán indentaciones y/o marcas que provocarán niveles de ruido, vibraciones y una rotación inapropiada. (Aun el dejar caer el rodamiento en el piso ocasionará este tipo de daños). Los rodamientos son muy susceptibles a la contaminación por partículas extrañas, si las partículas extrañas se filtran al interior del rodamiento durante el funcionamiento, se producirán indentaciones y/o marcas que darán como resultado una mala rotación del rodamiento y un ruido excesivo. MONTAJE EN CALIENTE. En este proceso se busca la expansión por calor del anillo interior para facilitar el montaje. Método utilizado comúnmente para rodamientos grandes y rodamientos con un ajuste apretado. El método más común es la inmersión del rodamiento en un recipiente que contenga aceite caliente. Utilice aceite limpio. Suspenda el rodamiento en el aceite con un alambre o un soporte empleando una malla metálica para evitar el calentamiento no uniforme de los elementos del rodamiento. La temperatura a la cual se debe calentar el anillo interior depende de que tan apretado será el ajuste (ejemplo: el diámetro de las superficies de ajuste). Para prevenir la formación de espacios entre el anillo interior y el hombro del eje, el rodamiento debe ser presionado contra el hombro hasta que se haya enfriado por completo. Observaciones: Los rodamientos nunca deben ser calentados arriba de 120º C. Este método de montaje en caliente no puede ser empleado con rodamientos pre-engrasados, sellados o con tapas de protección. 16

18 CALENTAMIENTO POR INDUCCIÓN. En este método, los rodamientos se calientan en seco y en un periodo de tiempo corto. Luego de utilizar el método, aplique un tratamiento demagnetizador al rodamiento. Para verificar que el rodamiento ha sido montado correctamente, realice un giro de prueba. Primero, gire el eje o el alojamiento para ver si detecta algo inusual. Luego, arranque el equipo sin aplicarle cargas a los rodamientos. Luego de observar sus condiciones de rotación a baja velocidad, aumente lentamente la velocidad y la carga mientras verifica cualquier incremento en los niveles de ruido, vibración y temperatura. Si algo inusual es detectado durante la operación, detenga el equipo y realice una inspección. La revisión de ruidos inusuales o niveles de ruidos debe ser realizado por alguien familiarizado con el sonido que producen los rodamientos montados correctamente operando bajo condiciones normales. Para evitar daños a la maquinaria y peligros a los trabajadores durante el cambio o desmontaje de rodamientos, se debe utilizar el equipo de seguridad y el equipo para remover rodamientos que sean apropiados. Como norma general, no se recomienda la reutilización de los rodamientos. No se recomienda la reutilización de un rodamiento que estaba montado en un ajuste apretado en el eje y se desmonta aplicándole fuerza al anillo exterior. CUIDADOS DE LOS BALEROS. Los rodamientos están recubiertos con un aceite antioxidante y son empacados cuidadosamente antes de ser despachados de fábrica. Por favor recuerde las siguientes recomendaciones cuando almacene los rodamientos: Bajo condiciones ideales, los rodamientos deben ser almacenados en un lugar con la baja humedad (por ejemplo, menos de 60% de humedad relativa). Los rodamientos nunca deben ser almacenados en el piso, sino en anaqueles o paletas localizadas al menos 20 cm por encima del piso. Las cajas de rodamientos no deben ser colocadas en pilas muy altas, ya que por su peso los anillos del rodamiento pueden ser dañados. No almacenar junto con materiales corrosivos ni en contenedores de madera. PRINCIPALES TIPOS DE FALLAS EN LOS RODAMIENTOS Y SU PREVENCIÓN. Los rodamientos modernos tienen una larga vida de servicio. Los rodamientos de bolas, de rodillos y de agujas no se desgastan a menos que introduzca en ellos materiales abrasivos extraños o suciedad. Los rodamientos que son propiamente seleccionados, correctamente lubricados y protegidos del abuso, generalmente durarán más que las máquinas en las cuales están instalados. 17

19 PRINCIPALES FALLAS DE LOS RODAMIENTOS Y CÓMO PREVENIRLAS Síntoma Causa Solución Descascarillado 1. Carga excesiva 2. Precarga excesiva 3. Sobrecarga debido a dilatación por calentamiento 1. Revisión del diseño de la máquina y la selección del rodamiento. 2. Cuidado en la instalación. 3. Analizar el diseño de la máquina y la aplicación del rodamiento. En las pistas Presencia de basura, impurezas Reemplazo del rodamiento considerado una mejor protección para evitar la entrada de impurezas. Circunferencia sobre las pistas Oxidación y ralladuras Reemplazo del rodamiento considerado una mejor protección para evitar la entrada de impurezas. Areas descascarillado fuera del centro 1- Desalineamiento de la flecha o de los alojamientos del rodamiento. 2. Instalación inadecuada. 3. Desgaste Corregir el desalineamiento, instalar el rodamiento de reemplazo correctamente. Descascarillado fuera del centro Excesiva carga axial Corregir el desalineamiento o la instalación inadecuada. Descascarillado diagonal de las pistas Areas descascarilladas en los intervalos de los elementos rodantes Atascamiento o frenado Cambio de color o reblandecimiento de los elementos rodantes o de las pistas 1. Flexión de la flecha 2. Desalineamiento de los anillos interior y exterior 1. Vibración sin rotación 2. Oxidación 1. Sobrecarga. 2. Lubricación inadecuada. 3. Lubricante incorrecto. Seleccionar un rodamiento más adecuado a la aplicación. Suprimir la vibración; mejorar protección de los rodamientos. Precarga correcta. Chequeo del método de lubricación y selección del lubricante. Reconsiderar la aplicación del rodamiento. Daño visible Sobrecarga Revisar la aplicación del rodamiento. Fractura o agrietamiento a.fracturado b. Agrietado a.daño b. Desgaste Daño en la jaula c. Desgaste de los alvéolos de la jaula d. Ralladuras 1. Descascarillado bajo impacto o durante la instalación. 2. Excesivo juego o radio grande en las esquinas. Carga angular Alta velocidad de rotación Lubricación inadecuada. Presencia de impurezas. 1.- Cuidado en el manejo e instalación. 2.- Inspección el montaje y la precarga. 3.- Verificar la exactitud de la flecha y alojamiento. Cuidado en la operación y reevaluación de la aplicación. Revisar el método de lubricación o selección del lubricante. 18

20 Oxidación a. Oxidación en todo el rodamiento 1. Almacenaje inadecuado. 2. Dejarlos sin protección o sea desempacarlos antes de su uso. 3. Limpieza pobre. 4. Insuficiente protección contra la oxidación Correcto almacenaje y protección contra la corrosión. b. Oxidación localizada. 1. Empaque inadecuado. 2. Montaje holgado. Mejorar el almacenaje y la práctica de mantenimiento. c. Corrosión en las superficies de montaje Desgaste a. Desgaste rápido de las pistas o de los elementos rodantes. 1. Montaje holgado. 2. Protección pobre. 1. Presencia de impurezas en el lubricante. 2. Oxidación Insistir en que las flechas y los alojamientos tengan las tolerancias correctas. Protección contra la humedad. Revisar lubricantes y sistema de lubricación. b. Desgaste de la jaula. Lubricación inadecuada. Revisar lubricantes y sistema de lubricación. Erosión eléctrica Cráteres semejantes a picaduras. Descarga eléctrica Desviación de la corriente a tierra o un aislante más efectivo. Asperezas a. Rugosidad b. Superficies picadas. Impurezas prensadas entre los elementos rodantes y las pistas. Mejorar las prácticas de mantenimiento. c. Golpes durante el manejo. Descuido en el manejo Mejorar las prácticas de mantenimiento. d. Daños durante el montaje. Descuido en la instalación. Mejorar las prácticas de mantenimiento. Embarradura Ralladura de los elementos rodantes o de las pistas. Deslizamiento a. Desgaste de la pista en su superficie de montaje. b. Deslizamiento, decoloración. 1. Lubricación inadecuada 2. Inclinación de los elementos rodantes. 3. Lubricante impropio. 1. Excesivo juego interno en el montaje. 2. Holgura de la jaula. Abrasión. Verificar el lubricante y método de lubricación. Verificar los asientos y la exactitud del maquinado de la flecha y alojamientos o revaluación del diseño. SISTEMA DE NOMENCLATURA. El número y código de identificación de rodamientos indica su diseño, dimensiones, precisión, construcción interna, entre otros conceptos. Este número se deriva a su vez de una serie de números y códigos de letras, y es compuesto de tres grupos principales de códigos; por ejemplo, dos códigos suplementarios y un código numérico básico. El número básico indica información general, tales como el diseño del rodamiento y dimensiones principales, y está compuesto por el código de serie del rodamiento, el número de diámetro interior, por el código del ángulo de contacto. 19

21 ESTÁNDARES INTERNACIONALES. Para facilitar la intercambiabilidad internacional y permitir la producción económica de rodamientos, los principios básicos de dimensiones han sido internacionalmente normalizados por la ISO. De donde tenemos ISO - 15 (rodamientos radiales, excluyendo los rodamientos de rodillos cónicos), ISO (rodamientos de rodillos cónicos), e ISO - 104, (rodamientos axiales). En Japón JIS, Estándares Industriales Japoneses regula los principios básicos de dimensiones de los rodamientos (JIS B1512), de conformidad con los estándares de la ISO. Los principios de dimensiones que han sido normalizados, por ejemplo: el diámetro exterior e interior, ancho ó altura y, las dimensiones. Sin embargo, como regla general, las dimensiones de la construcción interna de los rodamientos no son cubiertos por estas normas. Los 90 diferentes diámetros internos normalizados bajo el sistema métrico, van desde 0.6 mm hasta 2,500 mm. Se ha establecido para todos los tipos de rodamientos estandarizados, una serie combinada denominada serie dimensional. Para todos los rodamientos de radiales (excepto los rodamientos de rodillos cónicos), hay ocho diámetros exteriores comunes para cada diámetro interno estandarizado. Esta serie se denomina serie de diámetro y se expresa por la secuencia numérica (7, 8, 9, 0, 1, 2, 3, 4) en orden ascendente de magnitud (7 siendo menor y 4 el mayor). Los rodamientos en general se fabrican en dimensiones métricas y sus cotas más comunes son: diámetro interior, diámetro exterior, ancho y radios. La ISO se encarga de establecer las normas de fabricación para facilitar la estandarización de los rodamientos, de tal forma que pueda haber intercambiabilidad. RODAMIENTOS DE BOLAS. Los rodamientos rígidos de bolas, se caracterizan por tener una ranura o surco profundo tanto en el anillo interior como en el exterior. Estos rodamientos, pueden absorber carga radial y axial en ambos sentidos, como también las fuerzas resultantes de estas cargas. Adicionalmente, son adecuadas para operar velocidades altas. En la actualidad, existen varios tipos de estos rodamientos, tales como los rodamientos con tapa de protección (o de obturación) en ambos lados y pre-lubricación, rodamientos con anillos de fijación y rodamientos abiertos (tipo básico). Los rodamientos de bolas con tapas de protección, son rodamientos rígidos de bolas que poseen las mismas dimensiones que las del tipo abierto. Las tapas protectoras de acero de estos rodamientos, ofrecen protección contra la penetración de material extraño y previene las fugas de grasa. Existen dos tipos: uno es el tipo ZZ, (pre-lubricado), provisto con tapas protectoras a ambos lados y el otro es el de tipo Z, con tapa de protección de un lado. Como las tapas de protección son del tipo no-contacto, (es decir, no existe contacto entre la tapa y el anillo interior), el par de torsión es muy bajo. 20

22 RODAMIENTOS RÍGIDOS DE BOLAS. Los rodamientos radiales de bolas son también conocidos como rodamientos rígidos de bolas o rodamientos de garganta profunda, porque poseen una ranura profunda en los anillos interior y exterior que permiten soportar cargas radiales y cargas axiales en cualquier sentido. Estos rodamientos son adecuados para aplicaciones de alta velocidad. Los rodamientos de bolas de garganta profunda se fabrican con diversas variantes siendo las más comunes las siguientes: Con una o dos tapas metálicas de protección (Z o ZZ) Con uno o dos sellos de neopreno (LU o LLU) Con una ranura en el anillo exterior para alojar un seguro o snap ring (NR) Los rodamientos tapados o sellados son prelubricados Las principales características de los rodamientos de bola de garganta profunda son: Bajo torque. Alto límite de velocidad. Soporta cargas radial y axial (ambas direcciones). Fácil de lubricar. Disponible en un amplio rango de tamaños. RODAMIENTOS DE BOLAS DE CONTACTO ANGULAR. En estos rodamientos los anillos interior y exterior tienen un borde alto y un borde bajo para permitir su ensamble. La línea de acción de la carga es la que une los puntos en donde la carga apoya en las pistas y forma un ángulo con la línea vertical llamado ángulo de contacto o ángulo α. Estos rodamientos soportan cargas radiales y axiales, el hombro más alto (en un lado) incrementa la carga axial por lo que pueden soportar más carga axial que los rodamientos radiales de bolas de garganta profunda pero, solo toma la carga axial en una sola dirección, excepto el de dos hileras, el contacto angular produce mayor juego interno, soportan altas velocidades y cubren necesidades de alta precisión y regularmente deben usarse en pares para absorber las cargas axiales en ambos sentidos. CHUMACERAS. Las chumaceras se componen de un rodamiento rígido de bolas (series 62 y 63) y su alojamiento (housing) de material hecho con hierro fundido (alto grado) o de acero prensado, disponibles en variadas formas. La superficie exterior del rodamiento y la superficie interna de la chumacera son esféricos, lo que permite su auto-alineabilidad. Por lo general y dependiendo de su aplicación, las chumaceras se clasifican en dos tipos, a saber: No relubricables Relubricables 21

23 CHUMACERAS RELUBRICABLES. Su diseño permite la relubricación, aun en los casos en que exista desalineamiento de 2 grados a la izquierda o derecha. El uso de la chumacera tipo relubricables se hace necesario cuando se presentan situaciones como las siguientes: Temperatura de operación alcanza los 100º C Salpicadura de agua y/o cualquier otro liquido nocivo al rodamiento Maquinaria de uso intermitente operando en áreas con alta humedad RODAMIENTOS DE LAS CHUMACERAS. Rodamiento con prisionero de fijación, tipos UC, AS, UR. Adecuados para trabajar en aquellas aplicaciones de uso común, en las que no existe alta velocidad ni vibración. Rodamientos con anillo de fijación excéntrico con prisionero tipos UEL, AEL Estos rodamientos deben utilizarse para aquellas aplicaciones en las que se requiera soportar carga y mayor velocidad. Rodamientos con manguito de fijación tipo UK Adecuados para trabajos en los que se requiere soportar alta velocidad y vibración. RODAMIENTOS CILÍNDRICOS. Dado que los rodillos de los rodamientos de rodillos cilíndricos hacen contacto lineal con la pista, los mismos están capacitados para soportar cargas radiales pesadas y son adecuados para operaciones que requieren altas velocidades. Los rodamientos de rodillos cilíndricos de las series NU y N, tienen uno de sus anillos sin bordes, permitiendo, dentro de ciertos límites, desplazamientos axiales entre el anillo interior y exterior, siendo apropiados para el uso en el extremo libre del eje. Los rodamientos del tipo NJ, NUP, NH y NF están provistos de rebordes en el anillo interior y exterior pueden recibir ciertas cantidades de carga axial, siendo utilizados (a veces), en el lado fijo del eje. Los rodamientos de rodillos cilíndricos son del tipo separables, por lo que pueden montarse y desmontarse fácilmente en los casos en que se requieren ajustes por interferencia. Estos rodamientos se fabrican con jaulas prensadas (acero) y maquinados (latón y acero). CARACTERÍSTICAS GENERALES: Pueden soportar cargas radiales pesadas Las cargas axiales que pueden soportar, depende de la serie Algunas series son de tipo separable. 22

24 RODAMIENTOS ESFÉRICOS. Estos rodamientos se caracterizan por tener hileras de rodillos de perfil esférico como "barriles" que ruedan en una pista exterior esférica que le permiten autoalinearse. Este tipo de rodamiento tiene una gran capacidad de carga radial y axial y se pueden fabricar con el diámetro interior cónico, para ser montados con manguito de montaje. CARACTERÍSTICAS GENERALES. Diseñando para soportar cargas radiales, axiales (en ambas direcciones) y cargas combinadas. Pueden soportar desalineamientos en el eje. Apropiados para aplicaciones con carga de impacto y/o vibraciones. RODAMIENTOS CÓNICOS. Tal como el nombre lo indica este rodamiento se caracteriza por tener rodillos cónicos como elementos rodantes y se emplean donde se requiere de gran capacidad de carga axial y radial, así como una baja velocidad. La cantidad de carga radial y carga axial es función del ángulo de contacto entre la taza y el cono. Los rodamientos de una hilera de rodillos cónicos usualmente son montados en pares para evitar la separación de sus partes. CARACTERÍSTICAS GENERALES Pueden soportar cargas radiales, axiales (en una dirección) y cargas combinadas NTN identifica exclusivamente esta serie con el prefijo 4T- ó ET Con los nuevos desarrollos de NTN, esta serie se identificará de manera estándar con el prefijo ECO La experiencia ha demostrado que los rodamientos aparentemente idénticos y bajo condiciones de funcionamiento idénticas no mostrarán necesariamente la misma vida a fatiga. Los métodos estandarizados del cálculo de vida facilitan una elección bien fundamentada de un rodamiento adecuado para una aplicación concreta. La industria utiliza los métodos estandarizados de cálculo de vida por una buena razón: en realidad, desde un punto de vista temporal y económico, no resulta práctico probar una gran cantidad de rodamientos para averiguar si muestran la fiabilidad que se requiere en una aplicación determinada con sus condiciones de funcionamiento. Con el paso del tiempo, se ha ido integrando una lista creciente de factores relevantes para los cálculos de vida de los rodamientos, a medida que ha ido aumentando el conocimiento sobre sus condiciones de funcionamiento y las influencias del entorno, en cuanto a contaminación sólida, lubricación, regímenes de funcionamiento, tensiones internas derivadas del montaje, tensiones residuales por endurecimiento y otros procesos de fabricación, la limpieza del material, matriz y tensión límite de fatiga, entre otros. 23

25 MARCO TEÓRICO. 1.0 DESCRIPCION DE LAS BOMBAS CENTRÍFUGAS. El objetivo de esta parte inicial es que el lector conozca de forma detallada las bombas centrífugas como máquina. Conoceremos los principales tipos de bombas centrífugas, su clasificación, características y partes principales. Detallaremos sus componentes, sistemas de sellado, alivio de las fuerzas radiales y axiales, etc. 1.1 Clasificación de las bombas centrífugas. Las bombas son máquinas hidráulicas que transfieren energía al fluido con la finalidad de transportarlo desde un punto a otro. Reciben energía de una fuente motora cualquiera y entregan parte de esta energía al fluido en forma de energía de presión, energía cinética o ambas, es decir, aumentan la presión del líquido, la velocidad o ambas. Las principales formas de accionamiento son: Motores eléctricos (forma más usual); Motores de combustión interna (por ejemplo.; Diesel, muy utilizado en sistemas de riego y bombas para red contraincendio ); Turbinas (en su gran mayoría, turbinas a vapor o de gas). No existe una terminología homogénea sobre bombas, pues existen varios criterios para designarlas; para nuestros efectos, las clasificaremos en dos grandes categorías: a) Bombas centrífugas. b) Bombas volumétricas o de desplazamiento positivo. 1.1a. Bombas centrífugas. Este tipo de bombas tienen por principio de funcionamiento la transferencia de energía mecánica hacia el fluido bombeado en forma de energía cinética. A su vez, esta energía cinética es transformada en energía potencial y en energía de presión, siendo ésta su característica principal. El movimiento rotatorio de un rodete inserto en una carcasa (cuerpo de la bomba) es el órgano funcional responsable por tal transformación. En función de los tipos y formas de los rodetes, las bombas centrífugas pueden ser divididas en la siguiente clasificación: a) Radiales. Cuando la dirección del fluido bombeado es perpendicular al eje de rotación. b) Flujo mixto o Semi-Axial. Cuando la dirección del fluido bombeado es inclinada en relación al eje de rotación. c) Flujo Axial. Cuando la dirección del fluido bombeado es paralela en relación al eje de rotación. 24

26 FIGURA 1. CLASIFICACIÓN POR TIPO Y FORMA DEL RODETE b. Bombas de desplazamiento positivo. Al contrario de las bombas centrífugas, este tipo de máquina tienen por característica de funcionamiento la transferencia directa de energía mecánica entregada por una fuente motriz en energía de presión. Esta transferencia se obtiene por el movimiento de una pieza mecánica en la bomba, la que obliga al fluido a ejecutar el mismo movimiento que este produce. El líquido, sucesivamente llena los depósitos y después es expulsado de estos espacios con un volumen determinado hacia el interior de la bomba, dando origen al nombre de bombas volumétricas. La variación en los tipos de estos órganos mecánicos (pistones, diafragmas, engranajes, tornillos, etc.), son lo de clasificación de las bombas volumétricas o de desplazamiento positivo, las cuales se dividen en: a) Bombas de pistón o alternativas. b) Bombas rotativas b.1. BOMBAS DE PISTÓN O ALTERNATIVAS. En las bombas de pistón, el órgano que produce el movimiento del fluido es un pistón que, en movimientos alternados aspira y expulsa el fluido bombeado como muestra la siguiente figura: 25

27 Principio de funcionamiento: FIGURA 2. ESQUEMA DE UNA BOMBA DE PISTON 1) Movimiento de aspiración con el consecuente cierre de la válvula de descarga y abertura de la válvula de admisión, llenado de fluido con un volumen V1. 2) Movimiento de descarga con abertura de la válvula de descarga y cierre de la válvula de admisión, vaciando el fluido en el volumen V1, imprimiéndole la energía potencial (de presión). Observaciones generales: la descarga a través de la bomba es intermitente; Las presiones varían periódicamente en cada ciclo; Esta bomba es capaz de funcionar como bomba de vacío, en caso que no exista un fluido que aspirar b.2. BOMBAS ROTATIVAS. El nombre genérico de Bomba Rotativa, designa a una serie de bombas volumétricas accionadas por un movimiento de rotación, de ahí el origen del nombre. Las bombas rotativas pueden ser de tornillos (screw pumps), engranajes, paletas, lóbulos o peristálticas, entre otras, conforme se muestra en las siguientes figuras: A) BOMBA DE ENGRANAJE B) BOMBA DE LÓBULOS FIGURA 3. DIFERENTES TIPOS DE BOMBAS ROTATIVAS. 26

28 C) BOMBA DE TORNILLO D) BOMBA DE PALETAS FIGURA 3. DIFERENTES TIPOS DE BOMBAS ROTATIVAS. (Continuación). El funcionamiento volumétrico de todas ellas consiste en el llenado de los intersticios entre el componente giratorio y la carcaza, siendo que la suma de todos ellos, menos las pérdidas naturales (recirculación), corresponde al caudal total entregado por la bomba. En estas bombas, cuando la velocidad es constante, la descarga y la presión son prácticamente constantes, en la práctica se presentan pequeñas fluctuaciones c. Tipos de bombas centrífugas. Las bombas centrífugas son generalmente clasificadas por su configuración mecánica general. Las características más importantes, las que incluyen virtualmente a todas las bombas centrífugas, son las siguientes: 1.1. c.1. BOMBA CENTRÍFUGA CON RODETE EN VOLADIZO. En este grupo de bombas, el rodete o rodetes, están montados en la extremidad posterior del eje del accionamiento que a su vez es fijado en voladizo sobre un soporte de rodamiento, (figura 4). Este grupo de bombas se subdivide en bombas monobloc, donde el eje de accionamiento de la bomba es el propio eje del accionador y bombas no monobloc, donde el eje de accionamiento de la bomba es diferente del eje del accionador. El acoplamiento entre los ejes es realizado normalmente por un acoplamiento elástico c.2. BOMBA CENTRÍFUGA CON RODETE ENTRE RODAMIENTOS En este grupo de bombas, el rodete o rodetes son montados en un eje apoyado por rodamientos en ambos extremos y los mismos se sitúan entre ellas, (figura 5). Este grupo puede ser subdividido en bombas de simple y múltiples etapas. 27

29 BOMBA CENTRÍFUGA CON RODETE EN VOLADIZO, UNA ETAPA, MONOBLOC. BOMBA CENTRÍFUGA CON RODETE EN VOLADIZO, UNA ETAPA, BOMBA Y MOTOR SEPARADO. FIGURA 4. BOMBAS CENTRIFUGAS CON RODETE EN VOLADIZO. BOMBA CENTRÍFUGA CON EL RODETE ENTRE RODAMIENTOS, UNA ETAPA, BOMBA Y MOTOR SEPARADOS. BOMBA CENTRÍFUGA CON RODETES ENTRE LOS RODAMIENTOS, MULTIETAPA, BOMBA Y MOTOR SEPARADOS FIGURA 5. BOMBAS CENTRIFUGAS CON RODETE ENTRE RODAMIENTOS. 28

30 1.1. c.3. BOMBA CENTRÍFUGA TIPO TURBINA (VERTICALES) Estas bombas pueden ser subdivididas en: bombas de pozo profundo; bomba tipo barril (CAN); bombas de una o múltiples etapas, con rodetes radiales o semi-axiales; bombas sumergibles para norias, etc. BOMBA CENTRÍFUGA VERTICAL, TIPO TURBINA, BOMBA Y MOTOR SEPARADO, MÚLTIPLES ETAPAS. BOMBA CENTRÍFUGA VERTICAL, TIPO TURBINA, MÚLTIPLES ETAPAS, BOMBA TIPO BARRIL (CAN). FIGURA 6. BOMBAS CENTRIFUGAS TIPO TURBINA, (VERTICALES). 29

31 De acuerdo con el Hydraulic Institut, describiremos las sub-divisiones de las clasificaciones anteriormente citadas: 30

32 1.2 Componentes de las Bombas Centrífugas. Los principales componentes de las bombas centrífugas son los siguientes: Bomba de una etapa. FIGURA 7. COMPONENTES PRINCIPALES DE BOMBA CENTRÍFUGA DE UNA ETAPA. 31

33 Bomba multietapa. FIGURA 8. COMPONENTES PRINCIPALES DE BOMBA CENTRÍFUGA MULTIETAPA. 32

34 1.2 a. Rodete o Impulsor. El rodete es el componente rotatorio, formado por álabes que tienen la función de transformar la energía mecánica que produce en energía de velocidad y energía de presión. En función de la velocidad específica de la bomba, el rodete puede ser del tipo radial, semiaxial o axial. Abajo damos algunos ejemplos prácticos para la selección del tipo de rodete en función del líquido bombeado: 33

35 En la figura 9, se muestran algunos ejemplos de los rodetes: RODETE CERRADO, RADIAL, FLUJO SIMPLE RODETE DE DOBLE SUCCIÓN RODETE ABIERTO SEMI-AXIAL RODETE DE FLUJO AXIAL FIGURA 9. ALGUNOS TIPOS DE RODETES COMERCIALES. 34

36 RODETE ABIERTO, CON TRES ÁLABES RODETE DE FLUJO LIBRE FIGURA 10. RODETES ESPECIALES (PARA LÍQUIDOS CON GASES Y CONTAMINADOS) RODETE PERIFÉRICO RODETE TIPO ESTRELLA PARA BOMBAS DE CANAL LATERAL FIGURA 11. RODETES PERIFÉRICOS (PARA LÍQUIDOS LIMPIOS, BAJO CAUDAL Y ALTA PRESIÓN) 35

37 Para determinar el material de construcción de los rodetes en bombas centrífugas, se deben considerar los siguientes factores, los que deben ser observados conjuntamente: Corrosión/abrasión. En este caso se deben observar las características del líquido bombeado. Para esto, existen tablas que recomiendan el material de construcción más adecuado en función del líquido bombeado. Por ende, en la mayoría de las aplicaciones, la experiencia del usuario final es el mejor indicador de las características del material a ser especificado, respecto de sus propiedades físico-químicas. Velocidad periférica. La velocidad periférica de un rodete es calculada en base a la siguiente fórmula: Donde: Vp = velocidad periférica, (m/s); D = diámetro do rodete, (m); n = rotación, (rpm). Los siguientes son los límites de velocidad periférica para los materiales más usuales: Cavitación. Es importante destacar que las curvas de NPSH requerido, contenidas en los manuales técnicos, fueron obtenidas considerándose como criterio de medición del NPSHr una caída del 3% en la altura manométrica (Hydraulic Institut), es decir, en ciertas circunstancias puede ocurrir cavitación incipiente (inherente al diseño hidráulico), la que puede afectar al rodete con mayor o menor grado de intensidad, en función de la calidad del material del rodete. Además de estas consideraciones, debemos verificar si el material del rodete soporta, por ejemplo, altas temperaturas y la presión del fluido bombeado; contaminación; etc. 36

38 1.2 b. Voluta o Carcaza. El cuerpo espiral es el responsable por la contención del fluido bombeado así como el de permitir la transformación de la energía cinética contenida en el fluido en energía de presión, paso fundamental para el bombeo. La espiral propiamente dicha y la boca de descarga están separados por una pared llamada línea de la espiral. Existen las siguientes formas de carcasa de bombas, con una etapa: Carcasa simple, Carcasa doble, Circular, Mixta. Las dos primeras formas son las más usuales y conocidas. Dependiendo de la forma del cuerpo, la fuerza radial actuante varía en el conjunto rotatorio. Veamos los principales tipos de carcasa: Simple espiral Doble espiral Circular Mixta FIGURA 12. DIFERENTES TIPOS DE CARCAZA. 37

39 Otra clasificación de la carcasa está relacionada con su sección, es decir: Cuerpo bipartido axialmente; Cuerpo bipartido radialmente. La ventaja esencial de los cuerpos bipartidos axialmente, dice relación con la facilidad de mantenimiento, que puede ser hecha con la simple remoción del cuerpo superior. CUERPO BIPARTIDO RADIALMENTE CUERPO BIPARTIDO AXIALMENTE FIGURA 13. CLASIFICACIÓN DE CARCAZAS. 38

40 En lo referente a las bocas de las bombas, se observan las siguientes formas: Roscadas (normalmente utilizados en instalaciones de construcción civil, bombas de tamaño pequeño, bombas para pequeños riegos, etc).la norma de rosca utilizada es la BSP o también llamada rosca gas. Flageados (utilizados en instalaciones industriales, abastecimiento de agua, medias y grandes irrigaciones, etc.). Dentro de las innumerables normas existentes, se destacan las normas DIN (sistema métrico) y la norma ANSI (sistema USA). Ambas normas presentan características propias cuyas diferencias deben ser perfectamente entendidas, para la correcta determinación de los flanges c. Difusor. La función del difusor es idéntica a la carcasa, es decir, convierte parte de la energía cinética del fluido en energía de presión y principalmente, sirve como direccionador del fluido desde la salida de un rodete hasta la entrada del próximo. Los difusores son usados principalmente en bombas multietapas con rodetes radiales, así como también en bombas verticales con rodetes semi-axiales o axiales. En este último caso, el difusor asume también la función de carcasa, siendo parte integrante de la misma. Los difusores de las bombas multitapas son instalados en las carcasas de las etapas siendo fijados axial y radialmente buscando inclusive, impedir que ellos giren. FIGURA 14. UBICACIÓN DE DIFUSORES. 39

41 1.2 d. Eje o flecha. La función del eje es la de transmitir el torque del accionamiento al rodete. El eje es proyectado para que tenga una deflexión máxima pre-establecida cuando está en operación. Este factor es importante para evitar que los juegos entre las piezas rotativas y las estacionarias se alteren en operación, lo que provocaría contacto, desgaste prematuro y mayor consumo de energía. El eje debe ser construido en un material que soporte las variaciones de temperatura, para aplicaciones que utilizan líquidos calientes, así como la fatiga debido a las cargas aplicadas que surgen durante la operación. También por cuestiones de vida útil del sello mecánico, la deflexión del eje en la parte de la caja de sellado no debe ser superior a los límites definidos en normas y recomendaciones de los fabricantes de sellos mecánicos. El punto más importante a considerar en el diseño de ejes es la velocidad crítica, que es la rotación con la cual un pequeño desbalance en el eje o en el rodete es amplificado de tal forma, manifestándose como una fuerza centrífuga, que produce deflexión y vibración. La velocidad crítica más baja es llamada primera velocidad crítica, la siguiente como segunda velocidad crítica y así sucesivamente. Cuando la bomba opera sobre la primera velocidad crítica se dice que el eje es flexible y cuando opera bajo, se dice que el eje es rígido. El eje puede ser calculado para trabajar tanto como flexible o rígido, desde que en el primer caso la velocidad crítica sea del orden de 60 a 75 % de la velocidad de trabajo y en el segundo, un mínimo de 20 % por sobre. Generalmente las bombas trabajan bajo la velocidad crítica. Los ejes soportados en ambos extremos, que poseen el rodete en el centro, tienen el diámetro máximo en el lugar de montaje del rodete. Los ejes de bombas con el rodete en voladizo tienen el diámetro máximo entre los rodamientos. La punta del eje es calculada para resistir el máximo torque o máxima deflexión que pueda ocurrir en operación. Dependiendo del tipo de bomba, éstas poseen ejes sellados o no sellados. Los ejes sellados garantizan que el líquido bombeado no entre en contacto con el eje, lo que se consigue por medio del sellado entre las piezas montadas en el eje del lado del rodete y una tuerca especial en el rodete. Los ejes del tipo no sellados tienen contacto con el líquido bombeado. 40

42 EJE DE BOMBA CON RODETE EN VOLADIZO EJE DE BOMBA CON RODETE ENTRE RODAMIENTOS FIGURA 15. DIFERENTES TIPOS DE EJES. En la selección del material del eje, se debe considerar que, para líquidos corrosivos, los ejes no sellados deben ser construidos en materiales resistentes a la corrosión; por ende, los ejes sellados pueden ser suministrados en acero al carbono con un casquillo protector del eje en un material resistente a la corrosión. 1.2 e. Casquillo Protector del Eje. El casquillo protector del eje tiene la función de proteger al eje contra la corrosión, erosión y el desgaste, causado por el líquido bombeado. Además de lo anterior, debe proteger el eje en la región de la prensaestopa, contra el desgaste causado por las mismas. El casquillo protector gira con el eje y generalmente es fijado en forma axial, por chavetas o roscas en el eje F. Anillos de Desgaste. Son piezas montadas sólo en la carcasa (estacionaria), sólo en el rodete (rotatorio) o en ambos, y que mediante un pequeño juego operacional, produciendo una separación entre la región donde imperan las presiones de descarga y succión, impidiendo así un retorno exagerado de líquido desde la descarga hacia la succión. Los anillos son piezas de bajo costo y que evitan el desgaste y la necesidad de substituir piezas más costosas, como por ejemplo el rodete y la carcasa. Las bombas seriadas en servicios livianos no poseen anillos de desgaste. La propia carcasa y el rodete poseen superficies ajustadas de tal forma que el juego entre estas piezas sea pequeño. Cuando el juego aumenta, se puede remaquinar el rodete o la carcasa y poner anillos, dejando así los juegos originales. En bombas de mayor tamaño tanto la carcasa y/o rodete pueden ser suministradas con anillos de desgaste. 41

43 Los anillos son cambiados cuando el juego diametral excede los límites definidos en los manuales de servicio del fabricante. Se debe destacar que, a medida que se aumenta el juego diametral de los anillos del desgaste, se produce una reducción en la eficiencia de la bomba, es decir, aumenta el retorno de líquido desde la descarga hacia la succión de la bomba, llamado recirculación hidráulica o pérdidas volumétricas. FIGURA 16. CASQUILLOS PROTECTORES DEL EJE. FIGURA 17. ANILLO DE DESGASTE. En el bombeo de líquidos con sustancias abrasivas en suspensión, las bombas pueden ser suministradas con placas de desgaste con un sistema de lavado mediante un líquido limpio de una fuente externa. El montaje de los anillos de desgaste y sus fijaciones locales, pueden ser realizados con pasadores, montaje por interferencia, fijación por tornillo o soldadura, dependiendo del diseño de la bomba. Algunas normas de construcción incidan que, además de la pieza de fijación, es necesario soldarlos, este ocurre generalmente en aplicaciones con fluidos a altas temperaturas, con el fin de evitar que con una dilatación el anillo se suelte g. Caja de Sellado. La caja de sellado tiene como principal objetivo proteger a la bomba de posible derrames en los puntos donde el eje pasa a través de la carcasa. Los principales sistemas utilizados en bombas centrífugas son: Prensaestopa, Sello mecánico. 42

44 1.2. g.1. Prensaestopa. Podemos definir la prensaestopa como un material deformable, utilizado para prevenir o controlar el paso de fluidos entre dos superficies en movimiento, una en relación a la otra. Las prensaestopas son fabricadas por hilos trenzados de fibras vegetales (yute, rami, algodón), fibras minerales (asbesto) o fibras sintéticas. De acuerdo con el fluido a bombear, la temperatura, la presión, el ataque químico, etc, se determina el tipo de empaquetadura. La función de la prensaestopa varía según como sea el funcionamiento de la bomba, es decir, si una bomba opera con succión negativa, su función es prevenir la entrada de aire hacia la bomba. Por otro lado, si la presión es más alta que la atmosférica, su función es evitar la salida del líquido de la bomba. FIGURA 18. CAJA DE EMPAQUETADURAS. En bombas para aplicaciones generales, la caja de prensaestopa usualmente tiene forma de una caja cilíndrica que contiene un cierto número de anillos de prensaestopa envueltos en el eje o en el casquillo protector del eje. La prensaestopa es comprimida para dar el ajuste deseado en el eje o en el casquillo protector del eje por una brida de prensaestopa que se desliza en la dirección axial. El sellado del eje por prensaestopa necesita de una pequeña gotera para garantizar la lubricación y refrigeración en el área de roce de la misma con el eje o el casquillo protector del eje. 43

45 Generalmente entre los anillos de la prensaestopa, se utiliza un anillo candado o anillo linterna. Su uso se hace necesario, cuando por ejemplo el líquido bombeado contiene sólidos en suspensión, que podrían acumularse e impedir el libre paso de líquido o impedir la lubrificación de la prensaestopa. Con esto, ocurriría un desgaste excesivo en el eje y en la prensaestopa por abrasión. Este sistema consiste en la inyección de un líquido limpio en la caja de prensaestopas. Este líquido llega hasta los anillos de prensaestopa a través de un anillo perforado llamado anillo linterna. Este líquido puede ser el propio fluido bombeado inyectado sobre el anillo linterna por medio de perforaciones internas o por medio de una derivación desde la boca de descarga de la bomba. El anillo linterna puede ser también utilizado cuando la presión interna en la caja de prensaestopa es inferior a la atmosférica, impidiendo así la entrada de aire en la bomba. La posición del anillo linterna en la prensaestopa es definida durante la etapa de diseño de la bomba por parte del fabricante. La inyección de un líquido de una fuente externa es siempre necesaria en las siguientes condiciones: La altura de succión es mayor que 4,5 m; La presión de descarga es inferior a 0,7 kgf/cm 2, El líquido bombeado contiene arena, sólidos en suspensión o materiales abrasivos; En bombas de condensado que succionan directo del condensador. El uso de prensaestopa es un dispositivo de reducción de presión. El material de las prensaestopas debe ser fácilmente moldeable y plástico para que pueda ser fácilmente ajustada, debiendo resistir el calor y el roce con el eje o el casquillo protector del eje. La tabla en la página siguiente muestra los diversos tipos de prensaestopa y sus aplicaciones: Asbesto grafitado; Asbestos trenzado con hilos metálicos antifricción, impregnado y grafitado; Asbestos de alta resistencia y flexibilidad, impregnado con compuestos especiales y acabado con grafito; Asbesto impregnado con teflón y lubricado, no grafitado; Teflón puro trenzado en filamentos y lubricado, no grafitado; Grafito puro. El sellado del eje por prensaestopa sólo puede ser usado para presiones hasta de 15 kgf/cm 2 en la entrada de la caja de prensaestopas. Para presiones mayores, se deben usar sellos mecánicos. 44

46 Cuando el líquido bombeado es inflamable, corrosivo, explosivo, tóxico o cuando no se permite goteo de líquido, es necesario el uso de sellos mecánicos g.2. Sello Mecánico. TABLA PARA APLICACIÓN DE PRENSAESTOPA. Cuando el líquido bombeado no puede gotear hacia el medio externo de la bomba, por un motivo cualquiera (líquido inflamable, tóxico, corrosivo, muy volátil o cuando no se desean goteras) se utiliza otro sistema de llamado sello mecánico. A pesar que los sellos mecánicos pueden diferir en aspectos físicos, todos tienen el mismo principio de funcionamiento. Las superficies de en un plano perpendicular al eje y usualmente consisten en dos partes adyacentes y altamente pulidas; una superficie unida al eje y la otra a la parte estacionaria de la bomba. 45

47 Estas superficies altamente pulidas son mantenidas en contacto continuo por resortes, formando una capa de líquido entre las partes rotatorias y estacionarias con muy bajas pérdidas por roce. El goteo es prácticamente nulo cuando el sello es nuevo. Con un uso prolongado, puede ocurrir alguna gotera, obligando a la substitución de los sellos. Los sellos mecánicos pueden ser de dos tipos: Sellos de montaje interno; en ellos la cara rotatoria, unida al eje, está en el interior de la caja de sello y está en contacto con el líquido bombeado. Sellos de montaje externo; el elemento unido al eje se ubica en el lado externo de la caja. En ambos tipos de montaje, el se realiza en tres partes: A) Entre la cara estacionaria y la carcasa. Para conseguir este, se usa un anillo común llamado anillo en O (O'ring). B) Entre la cara rotatoria y el eje o el casquillo protector del eje, cuando éste existe. Se usan O'rings, fuelles o cuñas. C) Entre las superficies de contacto de los elementos de la presión mantenida entre las superficies asegura un mínimo de gotera. FIGURA 19. ESQUEMA DE UN SELLO MECÁNICO. 46

48 Cuando el líquido a bombear es inflamable, tóxico, por lo que no se debe escapar de la bomba, o cuando el líquido es corrosivo, abrasivo o se encuentra a temperaturas muy elevadas o muy bajas, se utiliza sello mecánico doble, en el que se realiza el sellado del líquido con agua limpia. Existen sellos mecánicos balanceados y no balanceados. Los no balanceados, son utilizados para fluidos con propiedades lubricantes, iguales o mejores que los de la gasolina y presiones de hasta 10 kgf/cm², la presión de un resorte y la presión hidráulica actúan en el sello con el objeto de juntar las superficies de contacto. Los sellos mecánicos balanceados son utilizados para condiciones más severas, en el que la fuerza de sellado es atenuada por la existencia de una degradación en la cara estacionaria. Por otro lado debemos observar que los sellos balanceados no son normalmente aplicables para presiones internas en la caja de menores que 4 kgf/cm, pues la presión interna de sellado sería tan reducida que podría ser insuficiente para entregar un sellado adecuado de las caras rotatoria y estacionaria. Los sellos mecánicos necesitan, para su adecuado funcionamiento, que se forme una capa de lubricación del líquido bombeado entre las caras de. Además de eso, una alta temperatura de bombeo, la presencia de abrasivos, líquidos con tendencia a la formación de cristales y servicios en que la bomba permanezca parada por mucho tiempo, son características negativas para el trabajo de sellos. Como el objetivo de atenuar estas limitaciones, encontramos los siguientes dispositivos auxiliares eventualmente incorporados al sello mecánico: Refrigeración o calentamiento de la caja de sellado: es realizado introduciendo un fluido circulante por cámaras construidas para esta finalidad. Refrigeración de la cara estacionaria: realizado en forma similar al esquema anterior. Lubricación de las caras de sellado: en este caso el lubrificante actúa sobre las caras de a través de perforaciones existentes en la brida del sello y en la cara estacionaria. Lavado líquido (flushing) consiste básicamente en inyectar un líquido de forma de alcanzar las caras de. El líquido puede ser de la descarga de la bomba o de una fuente externa. 47

49 Recirculación con un anillo bombeador: es un sistema en que, mediante el uso de un anillo bombeador, es posible hacer la recirculación del líquido con una pasada intermediaria por un permutador para promover su refrigeración. Lavado especial (quenching): en casos donde hay formación de cristales, una alternativa válida es la inyección y posterior drenado de un fluido, usualmente vapor de agua, y eventualmente agua o aceite para realizar el lavado. Succión y drenaje: en el caso de fluidos peligrosos el sello puede incorporar una conexión para succión y otra para dreno independientemente de otros dispositivos auxiliares eventualmente utilizados. Filtro o separador tipo ciclón cuando el líquido bombeado contiene sólidos en suspensión y se desea efectuar el lavado con el propio líquido bombeado, se hace necesario el uso de un filtro o separador tipo ciclón h Soporte de Rodamientos. Las bombas de una etapa pueden tener, dependiendo del diseño, un suporte de rodamientos o un caballete de rodamientos. Las bombas de una etapa con soporte de rodamiento son normalmente del tipo backpull out. Esto significa que el soporte de rodamiento junto con el rodete son desmontables por atrás, sin remover la carcasa de la bomba (que posee pies propios) del lugar de instalación. La ventaja es un fácil desmontaje de la bomba, sin ser necesario soltar las tuberías de succión y descarga. Las bombas de una etapa con caballete de rodamiento tienen, para los tamaños menores y medios, normalmente el apoyo de la bomba sólo en el caballete de rodamiento y no permiten el desmontaje sin sacar la bomba interna del lugar de la instalación. La ventaja es mayor robustez y accionamiento por poleas y correas directamente en la punta del eje de la bomba. Las bombas multietapas o bombas bipartidas poseen soportes de rodamientos en los dos extremos de la bomba. Los rodamientos tienen la función de soportar el peso del conjunto rotatorio, fuerzas radiales y axiales que ocurren durante la operación. Los rodamientos que suportan las fuerzas radiales son llamados como rodamientos o baleros radiales y los que soportan fuerzas axiales son llamados como rodamientos o baleros axiales. Las bombas de construcción horizontal poseen normalmente rodamientos para soportar fuerzas radiales y axiales. 48

50 Los rodamientos más utilizados en bombas centrífugas son: RODAMIENTOS DE ESFERA DE UNA O DOS HILERAS (SOPORTA FUERZAS RADIALES Y AXIALES) RODAMIENTOS DE ESFERAS DE CONTACTO ANGULAR. MONTADO EN O O X, SON CAPACES DE SOPORTAR FUERZAS RADIALES Y AXIALES EN LAS DOS DIRECCIONES RODAMIENTOS AUTO-COMPENSADOS DE ESFERAS (SOPORTA FUERZAS RADIALES Y AXIALES) RODAMIENTOS DE RODILLOS CILÍNDRICOS DE UNA SOLA HILERA (PARA SOPORTAR SÓLO FUERZAS RADIALES) FIGURA 20. RODAMIENTOS MÁS EMPLEADOS EN EQUIPO CENTRÍFUGO. Dependiendo del diseño de la bomba, los rodamientos pueden ser lubricados por grasa o aceite. Los diseños con lubricación de grasa generalmente poseen un surtidor en el soporte o caballete de rodamientos para ingresar la grasa (grasera). Los soportes o caballetes con lubricación por aceite, poseen sellos en la pasada del eje, por ejemplo, en la tapa del soporte de rodamientos; un vaso de lubricación automático (constant level oil), una vara de nivel de aceite y un respiradero en la parte superior del soporte de rodamientos (generalmente se incorpora una vara) o un visor de aceite (sight glass).para ciertas aplicaciones es necesario tener un sistema de lubricación con aceite forzado. 49

51 1.3. Cargas desarrolladas en las bombas. Cuando las bombas centrífugas están en operación, surgen fuerzas radiales y axiales sobre el rodete y consecuentemente sobre todo el conjunto rotatorio. Estas fuerzas deben ser debidamente compensadas o reducidas, de forma de tener una vida útil mayor del equipamiento y principalmente de los descansos de las bombas a. Fuerzas Radiales. Las fuerzas radiales, en la tecnología de las bombas centrífugas, envuelven las fuerzas radiales hidráulicas generadas por la interacción entre el rodete y la carcasa o difusor de la bomba. Existe una distinción entre fuerzas radiales estáticas y no estáticas. Fuerzas radiales estáticas: El vector de la fuerza radial cambia su magnitud y dirección con la variación de caudal q, dado por el cociente q = Q / Qóptimo. Si q = constante, su magnitud varia con la altura manométrica total, pero su dirección permanece inalterada. En el caso de bombas con carcasa espiral simple, las fuerzas radiales son relativamente pequeñas en el punto de mejor rendimiento, y crece enormemente para caudales bajos ( q < 1 ) o superiores ( q > 1 ). La magnitud de las fuerzas radiales (R), en bombas tipo voluta, depende mucho de la velocidad específica (n q ), conforme se muestra en la figura 21. FIGURA 21. CORRELACIÓN DE FUERZAS RADIALES. El medio más usado para la reducción de la fuerza radial en bombas centrífugas es la alteración de la carcasa de la bomba. Las figuras siguientes muestran la intensidad de la fuerza radial en función de la relación q = Q / Qóptimo; donde Q = caudal de diseño y Qóptimo es el caudal en el punto de mejor rendimiento de la bomba. 50

52 CARCAZA SIMPLE CARCAZA CIRCULAR CARCAZA MIXTA ESPIRAL DOBLE FIGURA 22. FUERZAS RADIALES PRODUCIDAS EN CARCAZAS. Notar que la mejor forma de reducir la fuerza radial es utilizar una carcasa espiral doble, o sea, un cuerpo espiral con una segunda carcasa que se inicia a 180 grados de la primera. En este caso, la fuerza radial es prácticamente constante desde el caudal cero hasta el máximo. 51

53 En el caso de bombas con difusores, no hay generación de fuerzas radiales estáticas si el rodete es instalado concéntricamente con el difusor. Fuerzas radiales no estáticas: Las fuerzas radiales no estáticas pueden ocurrir conjuntamente con las fuerzas radiales estáticas. Su presencia se debe a varias causas y características. La causa más conocida de esta fuerza radial es la frecuencia del número de álabes del rodete versus la rotación. Estas fuerzas radiales existen con mayor o menor intensidad en todos los diseños de bombas centrífugas. Este fenómeno existe especialmente en bombas con difusor operando con caudales reducidos b. Fuerzas Axiales. Las presiones generadas por las bombas centrífugas ejercen fuerzas, tanto en las partes móviles como en partes estacionarias. El diseño de estas partes balancea algunas de estas fuerzas, sin embargo es posible utilizar medios diferentes para contrabalancear a otras. El esfuerzo axial es la suma de las fuerzas no balanceadas actuando en la dirección axial del rodete. Los rodetes sin dispositivos de compensación axial tienen una fuerza axial hacia el lado de succión, debido al área de presión existente en el lado de descarga del rodete, (figura 23) FIGURA 23. DISPOSITIVOS DE COMPENSACIÓN DE FUERZAS AXIALES. 52

54 RODETE DE DOBLE SUCCIÓN: Los rodetes de flujo doble, teóricamente tiene las fuerzas compensadas gracias a la simetría de las áreas de las presiones en los dos lados del rodete. En la práctica, esta compensación no es total, debido a divergencias en el fundido del rodete, distribución desigual del flujo debido a localizaciones de la curva o una válvula próxima al flange de succión; el rodete está ubicado fuera de la línea de centro de la espiral; recirculación desigual por los anillos de desgaste en los dos lados del rodete. El empuje axial residual deberá ser soportado por los rodamientos de la bomba. FIGURA 24. FUERZAS EN RODETE DE SUCCIÓN DOBLE. PERFORACIONES DE ALIVIO EN EL RODETE / ANILLOS DE DESGASTE: En las bombas de flujo simple, existen los siguientes métodos para compensar el empuje axial: El anillo de desgaste ubicado en el lado da descarga, posee un diámetro igual o próximo al anillo de desgaste en el lado de succión y el rodete posee perforaciones en la cubo del mismo. A través de estas perforaciones se crea una presión entre el anillo de desgaste y el cubo del rodete, próxima a la presión de succión, produciendo un equilibrio de presiones en ambos lados del rodete. Este método tiene el inconveniente de generar turbulencia debido al retorno de fluido por los orificios en oposición al flujo principal. 53

55 FIGURA 25. MÉTODO DE PERFORACIONES DE ALIVIO. La fuerza axial residual deberá ser soportada por los descansos. ÁLABES TRASEROS: Este sistema consiste en álabes ubicados en la parte posterior del rodete los que inducen el equilibrio de las fuerzas axiales. Este sistema es muy utilizado en bombas para la industria química y aplicaciones en el bombeo de fluidos sucios con sólidos en suspensión, donde estos álabes, además de producir el equilibrio producen el efecto adicional de mantener libre de impurezas el espacio entre la parte trasera del rodete y la carcasa. FIGURA 26. SISTEMA DE ÁLABE TRASERO. 54

56 El empuje axial en bombas multietapas es mayor comparado con bombas de una etapa, toda vez que el desbalance total será la sumatoria de los desbalances de todos los rodetes, teniéndose así la necesidad de utilizar una forma de equilibrio más eficaz en bombas multietapas. CONFIGURACIÓN DE RODETES: Este método consiste en posicionar rodetes en formas opuestas, como se muestra en la figura siguiente, donde el empuje resultante de los rodetes dispuestos hacia un lado es balanceado por los rodetes dispuestos hacia el otro. La desventaja de este método es que el flujo recorre un camino más complejo, influyendo de esta forma, negativamente en el valor de las pérdidas. FIGURA 27. CONFIGURACIÓN DE RODETES. DISCO Y CONTRA-DISCO: Este sistema consiste en un dispositivo llamado disco y contra-disco de equilibrio, donde el disco de equilibrio es solidario al eje y el contra-disco de equilibrio es fijado al cuerpo de descarga de la bomba. Se forma una cámara atrás del disco que, a través de una tubería, es conectada a la succión o al estanque de succión, dependiendo de la cantidad de etapas de la bomba. Con eso, durante la operación se produce una presión frente del disco igual a la presión de descarga la cual abre un juego radial entre el disco y el contra-disco, produciéndose una fuga de líquido hacia la cámara trasera del disco, causando así el equilibrio. Este tipo de compensación necesita de un eje fluctuante, para que el juego entre disco y contra-disco pueda variar a fin de equilibrar el conjunto. Cuando parte y para la bomba, este sistema de compensación tiene una fase de inestabilidad donde se crea un contacto entre las dos piezas (disco y contra-disco), hasta que la bomba llega a una presión de cerca de 13 kgf/cm², donde a partir de esta presión este sistema comienza a funcionar. El constante contacto entre las piezas rotativas (disco) y estacionarias (contra-disco), causa un desgaste entre estas piezas el que puede ser controlado a través de un indicador de posición ubicado en el lado opuesto al accionamiento, donde a través de marcas previamente establecidas, se controla el desgaste de estas piezas. 55

57 FIGURA 28. SISTEMA DE DISCO Y CONTRADISCO. TAMBOR O PISTÓN DE EQUILIBRIO: El funcionamiento de este sistema es similar al del disco y contra disco de equilibrio, excepto que el juego entre el componente estacionario y rotativo es axial. Este sistema compensa el empuje axial solamente en el punto de operación, por lo tanto, las bombas con este tipo de dispositivo necesitan de un rodamiento axial sobre dimensionado para absorber la fuerza axial residual y permitir la operación en los limites de la curva característica. IMPORTANTE: Los sistemas de compensación de empuje axial por medio de disco y contra-disco de equilibrio así como tambor de equilibrio sólo pueden ser utilizados para el bombeo de líquidos limpios, sin sólidos en suspensión. FIGURA 29. SISTEMA DE TAMBOR DE EQUILIBRIO. 56

58 2.0 COJINETES UTILIZADOS EN BOMBAS CENTRÍFUGAS. En este apartado se proveerá una detallada mirada a los apoyos usados en bombas centrífugas. Aquí se incluyen las principales operaciones generales de las bombas centrifugas, detalles de los apoyos de las bombas incluyendo su vida útil, lubricantes, etc. 2.1 Tipos de cojinetes utilizados en bombas centrífugas. En la tabla siguiente se ilustran los cojinetes de tipo rodamiento comúnmente utilizados en bombas centrifugas. Los tres tipos de cojinetes de bola más usados son los cojinetes de bola en una hilera con ranura profunda, cojinetes de bola de contacto en doble hilera angular y universalmente cojinetes de bola en contacto partido de simple hilera angular. CARGA RELATIVA APROXIMADA, VELOCIDAD Y DESALINEAMIENTO COMPATIBLE DESCRIPCIÓN COJINETE DE BOLA DE SIMPLE HILERA DE RANURA PROFUNDA COJINETE DE BOLA DE DOBLE HILERA CON CONTACTO ANGULAR PAR DE COJINETE DE BOLA DE SIMPLE HILERA CON CONTACTO ANGULAR CARGA RADIAL CARGA AXIAL VELOCIDAD DESALINEA CIÓN SET DE COJINETE PUMPAC 2 4 (1 dirección)

59 DESCRIPCIÓN CARGA RADIAL CARGA AXIAL VELOCIDAD DESALINEA CIÓN COJINETE DE RODA- MIENTO CILÍNDRICO COJINETE DE RODA- MIENTO ESFÉRICO SET DE COJINETE DE RODA- MIENTO ESTRECHO TABLA DE CARACTERÍSTICAS DE COJINETES Sin capacidad. 1: Bajo. 2: moderado. 3: grande. 4: muy grande. Los cojinetes de bola son más comúnmente usados en pequeños y medianos tamaños de bombas debido a su gran capacidad de velocidad y baja fricción. Los cojinetes de bola con hilera sola de ranura profunda y el cojinete de bola con doble hilera de contacto angular son producidos en Conrad (sin calza) y diseño topo calza. Para aplicaciones de bombeo, los cojinetes Conrad son preferibles por encima de los cojinetes tipo calza. Los cojinetes de bola Conrad de doble hilera de contacto angular operan a más bajas temperaturas que los cojinetes de doble hilera tipo calza en condiciones similares de bombeo y no están influenciadas por la calza. Los cojinetes de bola con doble hilera de contacto angular con calzas deberían especialmente estar orientados para que la carga axial no pase a través del costado de la calza del cojinete. Los estándares API 610 no permiten rodamientos con calza de ningún tipo. Los cojinetes de bola simples con hilera sola de contacto angular del diseñador BE (ángulo de contacto 40 ) son usados donde gran capacidad de carga axial es necesitada para una gran confiabilidad en operaciones de bombeo. Igualmente los Cojinetes de bola con hilera sola de contacto angular pueden ser puestos en pares para soportar cargas en cualquier dirección axial. 58

60 Cojinetes MRC ha combinado cojinetes de bola con un ángulo de contacto de 40 con cojinetes de bola con ángulo de contacto de 15 para introducir un set de cojinetes llamado PumPac. El set de cojinetes PumPac puede ser usado cuando la carga axial de la bomba actúa predominantemente en solo una dirección axial. Cojinetes de bola esféricos, cilíndricos y cojinetes esféricos con rodillos de empuje son usados mayormente, cuando la velocidad de bombeo es más baja en donde se necesita mayor capacidad para llevar las cargas de apoyo. 2.2 Arreglos de los Cojinetes en Bombas. La bomba y arreglo de cojinetes en bombas más comunes son mostrados en las figuras 30 a la 32. La bomba vertical en línea, figura 30.a, y la bomba con proceso horizontal, figura 30.b, son usadas en aplicaciones de procesos químicos de función ligera y fabricas de papel. Los impulsores de bombas son diseñados típicamente abiertos o semi - abiertos. Los cojinetes de las bombas en línea vertical mostradas son lubricadas con grasa y selladas de por vida. Los cojinetes están en saltos pre cargados para el control del corte de funcionamiento de la flecha. Los cojinetes de bombas con procesos horizontales son con más frecuencia lubricados con un baño de aceite. En algunos casos los cojinetes están soportando la carga axial montada en la carcasa del cojinete, separados desde la armazón de la bomba, para permitir ajustes en el impulsor en la cubierta. En estos casos, la carcasa ajustable esta en juego con el armazón para asegurar un buen alineamiento del cojinete. a) BOMBA VERTICAL EN LÍNEA. b) BOMBA HORIZONTAL DE PROCESO FIGURA 30. ARREGLO DE COJINETES EN BOMBAS. 59

61 Las bombas de procesos de mediana y gran resistencia (figura 31.a y 31.b) son usadas en servicios de refinerías donde una mayor confiabilidad es requerida. Los impulsores son diseñados típicamente cerrados con uno o más anillos de desgaste. La carga axial esta soportada universalmente por cojinetes de bola de simple hilera con contacto angular. Los cojinetes son con mayor frecuencia lubricados con baño de aceite o anillos de aceite. a)bomba DE PROCESO DE MEDIANA RESISTENCIA b)bomba DE PROCESO DE GRAN RESISTENCIA FIGURA 31. ARREGLO DE COJINETES EN BOMBAS. Las bombas con gran resistencia para mezcla los cojinetes de rodamientos son usados para soportar las cargas más pesadas, comunes en esas aplicaciones. Rodamientos esféricos son usados en bombas para mezclas teniendo cargas muy grandes. Las cargas radiales están soportadas por rodamientos esféricos. Un cojinete esférico con rodamientos de empuje soporta la carga axial. Este salto precargado es para asegurar que carga suficiente se está aplicando en los cojinetes durante las condiciones, cuando la carga axial reversible se presenta en el arranque o paro de la bomba. Este arreglo está más comúnmente lubricado con un baño de aceite. Para bombas verticales de pozo profundo, los cojinetes esféricos con rodamientos de empuje son una buena elección, fácilmente alojan la desalineación usual es esta aplicación teniendo largo estrecho de flecha. La pobre fiabilidad del sello de la flecha ha incrementado la aplicación de bombas con manejo magnético. Los impulsores y estas flechas están soportados en cojinetes lisos lubricados por el fluido bombeado. Cojinetes con rodamientos son usados para soportar el manejo de la flecha. Cojinetes de bola con ranura profunda son comúnmente mas usados en este tipo de bombas. Los cojinetes pueden ser con salto pre cargado para el movimiento límite final de la flecha y mantener la carga adecuada en el cojinete. El salto pre cargado impide la rotación del anillo exterior del cojinete en la frecuente carga ligera. 60

62 2.3 Vida Útil de los Cojinetes. Cuando se determina el nivel de vida de los cojinetes, es recomendado que los niveles básicos de vida L 10h, el ajuste del nivel de vida L 10ah, y la nueva teoría del nivel de vida L 10aah sea evaluada cada una por separado, siempre que una suficiente información esté disponible para evaluar satisfactoriamente el ajuste en el nivel de vida y según la teoría de nueva vida. La ecuación que se usa cuando calculamos los niveles de vida de los cojinetes es la siguiente: Donde: L 10h = nivel básico de vida en horas de operación n = velocidad de rotación, RPM C = nivel básico de carga dinámica, N P = carga dinámica equivalente del cojinete, N p = exponente de la ecuación de vida. p = 3 para cojinetes de bola p = 10/3 para cojinetes de rodamientos h = horas L 10ah = nivel de vida ajustado en horas de operación a 23 = factor combinado para materiales y lubricación, ver diagrama en el catalogo general. a SKF = factor de ajuste de vida basado en la teoría de nueva vida. La norma ASME / ANSI B73.1 para bombas de proceso, específica que los cojinetes de rodamientos deben tener niveles de vida mayores a horas en condiciones de máxima carga y a un ritmo de velocidad. La norma API 610 para bombas de servicio a refinerías con cojinetes de rodamientos deben tener niveles de vida mayores que h en condiciones estables de bombeo y no menores a h en condiciones máximas de carga y velocidad estable. Ambas normas permiten un nivel de vida básico L 10h o cálculos de ajustes en el nivel de vida L 10ah. El factor de ajuste a 23 y el ajuste en el nivel de vida L 10ah dependen de la viscosidad del lubricante en condiciones de operación del cojinete. En la figura 32 se observa el factor a 23 contra Kappa k. Kappa es el radio de la viscosidad del lubricante (v) en condiciones de operación. Los valores de Kappa deberían idealmente ser más grandes que

63 FIGURA 32. CORRELACIÓN DEL FACTOR DE AJUSTE. La teoría de la vida nueva indica que un cojinete de rodamientos puede tener una vida de fatiga infinita siempre que la carga aplicada esta bajo un límite de fatiga, los cojinetes operan en un ambiente suficientemente limpio, y están manufacturados para tolerancias exactas. Esta es una consideración en algunas aplicaciones de bombas donde los cojinetes hidrodinámicos seleccionados son para vida indefinida. El factor de ajuste a SKF para la aplicación de la teoría nueva vida depende de la viscosidad del lubricante en condiciones de operación (v) el límite de carga de fatiga de los cojinetes (P u ) y los niveles de contaminación en la aplicación. Para permitir una evaluación sistemática y consistente de los niveles de contaminación, SKF ha desarrollado un programa de computación para este propósito. En algunos casos, la vida de los cojinetes de las bombas puede ser extendida por el uso de revestimientos o cojinetes sellados lubricados con grasa instalados dentro del sello en la carcasa de la bomba. En el caso con cojinetes sellados, podría ser necesario limitar la velocidad de las bombas porque se adiciona fricción en el sello. La teoría de vida nueva generalmente considera solo partículas solidas contaminantes del lubricante. La contaminación del lubricante por agua y otros fluidos puede también reducir la vida de los cojinetes. El permisible contenido libre de agua en tipos de lubricantes a base aceite mineral generalmente esta en rangos desde 200 a 500 ppm por volumen dependiendo de los aditivos suministrados al lubricante. Preferentemente, el agua contenida debería ser por debajo de 200 ppm. 62

64 Algunos aceites lubricantes a base de hidrocarburos sintéticos tienen los mismos limites que los aceites minerales. Hay riesgos de reducir la vida de los cojinetes si el agua contenida excede esos valores. La contaminación del lubricante por agua es uno de las razones más comunes de fallas en cojinetes en bombas. 2.4 Lubricación de Cojinetes. Los lubricantes separan los elementos rodantes de la pista de contacto y lubrica las caras corredizas dentro del cojinete. El lubricante también previene la corrosión protegiendo y enfriando los cojinetes. El parámetro principal para la selección de lubricantes es la viscosidad, ν. Los aceites lubricantes están identificados por un Numero de Grado en la Viscosidad ISO (VG). El numero VG es la viscosidad del aceite a 40 C (104 F). Los grados comunes del aceite son mostrados en la figura 33; para este grafico, la viscosidad ISO de un grado de aceite puede ser determinado en la temperatura de operación del cojinete. FIGURA 33. GRADOS COMUNES DE ACEITE. 63

65 Los lubricantes para los rodamientos en cojinetes dependen del tamaño del cojinete d m * y la velocidad de operación n, pero pequeña en carga del cojinete. La viscosidad mínima requerida del lubricante v 1 necesitada en temperaturas del cojinete en operación está obtenida en la figura 34. El lubricante actual seleccionado para una aplicación deberá proveer mayor viscosidad v que la viscosidad mínima requerida v 1 (i.e. Kappa, k > 1.0). FIGURA 34. EQUIVALENCIAS DE VISCOSIDADES. La tabla mostrada más adelante nos da recomendaciones de lubricantes generales para usar en cojinetes de bombas centrifugas. Estas recomendaciones son validas para velocidades de operación de entre el 50 y 100% de los rangos de velocidad en los catálogos de cojinetes. En velocidades más grandes, grandes grados de viscosidad deberían ser considerados. El radio de viscosidad, Kappa deberá ser la guía para evaluar la viscosidad. Kappa > 1.5 es preferible. La viscosidad del lubricante no deberá ser mayor cuando esto causaría fricción excesiva en el cojinete y calor. 64

66 TEMPERATURA DEL COJINETE EN OPERACIÓN C ( F) GRADO DE VISCOCIDAD ISO RECOMENDADO COJINETES DE RODAMIENTOS CILÍNDRICOS Y DE BOLA OTROS COJINETES CON RODAMIENTOS 70(150) VG46 VG68 80(176) VG68 VG100 90(194) VG100 VG150 TABLA DE RECOMENDACIÓN DE LUBRICANTES. La frecuencia del cambio de aceite depende de las condiciones de operación y de la calidad del lubricante. La calidad de aceites minerales con un índice mínimo de viscosidad de 95 son recomendados. Aceite multigrado, y lubricantes con detergentes y con viscosidad mejorada no son recomendados. Los aceites minerales se oxidan y deben ser remplazados en intervalos de tres meses cuando son operados continuamente a 100 C (212 F). Largos intervalos entre remplazos son posiblemente a bajas temperaturas de operación. Los aceites sintéticos son más resistentes al deterioro cuando son expuestos a altas temperaturas y pueden permitir remplazarlos con menor frecuencia. Los lubricantes pueden requerir más frecuentes remplazos si se presenta contaminación. Los métodos más comunes de lubricación de cojinetes en bombas son: el baño de aceite, anillo de aceite, paño de aceite y grasa. La lubricación circulatoria es también usada opcionalmente. Lubricación por baño de aceite. En aplicaciones de orientación horizontal, el nivel de baño de aceite es puesto en el centro de los elementos rotativos más lentos de los cojinetes donde la bomba está parada, (figura 35). Una vidrio trasparente o una mirilla es necesaria para visualizar el nivel de aceite fijado en el cojinete. El nivel de aceite visualizado en el vidrio variará ligeramente cuando la flecha este rotando, debido al esparcimiento y arrojamiento del aceite en la carcasa. La carcasa deberá permitir el flujo libre del aceite dentro de cada parte del cojinete. La carcasa deberá tener un bypass debajo abriendo los cojinetes para permitir el flujo libre del aceite. La sección de cruce de la abertura podrá ser estimada de acuerdo a la siguiente ecuación: 65

67 Donde: A = área de sección de cruce del Bypass abriendo, mm 2 n = velocidad de rotación, RPM. d m = diámetro promedio del cojinete = 0.5 (d + D), mm. FIGURA 35. LUBRICACIÓN POR BAÑO DE ACEITE. El valor pequeño a partir de la ecuación de arriba se aplica a cojinetes de bolas y el mayor valor a cojinetes con rodamientos esféricos de empuje. Valores intermedios pueden ser usados para otros tipos de cojinetes. Si el bypass de apertura no está en buena condición o no es lo suficientemente largo, el aceite puede no pasar a través del cojinete. Esto es una realidad particularmente para cojinetes que tienen bruscos ángulos de contacto (bolas de contacto angular, hileras de bolas, y cojinetes con rodamiento esférico de empuje) operando a gran velocidad, en cuyo caso una acción de bombeo causada por el diseño del cojinete interno puede causar resequedad de los cojinetes o inundación del sello se la flecha. Un Nivel constante de aceite es una reserva de aceite montada en la carcasa del cojinete para remplazar aceite perdido de la carcasa del cojinete. Un vidrio trasparente es recomendado con estos dispositivos para permitir la correcta posición y exanimación del nivel del lubricante en la carcasa del cojinete. El volumen mínimo recomendado V para cada cojinete en la carcasa esta estimado desde: Donde: V = 0.02 a 0.1 DB V = volumen de aceite por cojinete, ml. D= diámetro interior del cojinete, mm. B = ancho del cojinete, mm. 66

68 Para aplicaciones con orientación de flecha vertical, los niveles de aceite están ligeramente por encima de la línea central vertical de los cojinetes. Los cojinetes de rodamiento esférico operando en un baño de aceite vertical deben estar completamente sumergidos. Para cojinetes de rodamiento esférico con empuje, los niveles de aceite están posicionados a 0.6 o 0.8 tiempos de la carcasa del cojinete en la arandela alta, C. Los sellos de la flecha en estas aplicaciones es mejor proveerla por una fina manga cilíndrica dentro del soporte del anillo interno del cojinete. La lubricación de baño de aceite horizontal representa la línea base de la fricción moderada del cojinete. La fricción con otros métodos de lubricación puede ser comparada con esta lubricación de baño de aceite. La lubricación vertical de baño de aceite produce gran fricción si uno o más cojinetes están completamente sumergidos, posiblemente limitando la velocidad de operación. Lubricación de anillo de aceite. Un anillo de aceite es suspendido desde la flecha horizontal dentro de un baño de aceite debajo del cojinete, (figura 36). La rotación de la flecha y anillo derrama desde el baño dentro de la carcasa y los cojinetes. La carcasa canaliza el aceite a los cojinetes. FIGURA 36. LUBRICACIÓN DE ANILLO DE ACEITE 67

69 Los anillos de aceite están hechos de bronce o acero y puestos en la flecha. El diámetro interno de el anillo de aceite es generalmente de 1.6 a 2.0 veces que el diámetro de la flecha y puede tener ranuras para una mejor eficiencia. Algunos deslizamientos pueden ocurrir entre el anillo de aceite y la flecha causando desgaste. La superficie de la flecha requiere un final de primera calidad para minimizar este desgaste. La lubricación por anillo de aceite reduce el volumen de aceite en el cojinete y por lo tanto la fricción del cojinete. El gran tamaño de la carcasa del cojinete es necesario para el anillo de aceite mejorando la transferencia de calor desde los cojinetes y el aceite. Grandes velocidades de la flecha y muy baja viscosidad de lubricantes son posibles con lubricación con anillo de aceite por la baja fricción y mejor enfriamiento. Lubricación por rocío de aceite. Un roció de gotas de aceite atomizado es trasportada por compresores de aire a la carcasa donde este es reclasificada (precipitada) dentro de grandes gotas de aceite por un accesorio condensador y el cojinete, (figura 37). El vapor es producido por un generador de vapor y es presurizado ligeramente de bajo de la presión atmosférica. FIGURA 37. LUBRICACIÓN POR ROCÍO DE ACEITE. El roció de aceite proporciona finas gotas de limpieza, refresca y enfría al lubricante de los cojinetes. Los contaminantes están excluidos de los cojinetes por la presión del roció de aceite dentro de la carcasa del cojinete. El roció puede también ser suministrado a los cojinetes cuando las bombas están trabajando para protección máxima de los cojinetes de la contaminación y la condensación. 68

70 El roció de aceite puede ser introducido dentro de la carcasa del cojinete (roció indirecto) o directo al cojinete por una adecuada reclasificación. En ambos casos, la carcasa debe estar provista de un pequeño ventilador (3 mm diámetro) contario al punto sonde el roció entra a la carcasa o al cojinete. Esto es para permitir flujo libre del roció de aceite. Directamente el roció de aceite es recomendado si los valores de nd m del cojinete son más grandes que 300,000 y si el cojinete soporta gran carga axial. Aceites sintéticos o desencerados son con frecuencia usados para lubricación de roció de aceite. Parafinas en aceites estándar pueden obstruir el pequeño roció adecuado. Los cojinetes pueden ser purgados lubricándolos con rocíos de aceite o purificados con lubricación de roció de aceite. La purga de roció de aceite combinado con la lubricación de roció de aceite es para cojinetes ya lubricados con un baño de aceite. La purga de roció de aceite purga contaminantes de los cojinetes y las protecciones contra la posible pérdida de lubricación por baño de aceite. La purificación con roció de de aceite es sin el baño de aceite. Los cojinetes están lubricados solo por el lubricante limpio de roció y probablemente menos expuestos a contaminación. La purificación con lubricación de roció de aceite ha sido mostrada para mejorar significativamente la vida del cojinete. La generación de roció de aceite debe estar adecuadamente resguardada con alarmas, para evitar fallas del cojinete en pruebas de falla de roció. Es recomendado pre lubricar los cojinetes con aceite similar o conectar los cojinetes al roció por un largo periodo de tiempo antes de dar marcha a la bomba para asegurar satisfactoriamente una correcta lubricación inicial. Asuntos medioambientalistas pueden limitar el uso de la lubricación por roció de aceite. La carcasa del cojinete puede estar empotrada con sellos magnéticos en la flecha y colectores del aceite de roció para limitar las emisiones al medio ambiente. La lubricación por roció de aceite minimiza la fricción de cojinetes. Lubricación con grasa Los lubricantes tipo grasa son semilíquidos a sólidos dispersos de un agente jabonoso espeso en aceite mineral o sintético. El agente espeso es una esponja la cual separa aceite en pequeñas cantidades para lubricar el cojinete. La grasa es seleccionada por su consistencia, estabilidad mecánica, resistencia al agua, viscosidad base del aceite y capacidad de temperatura. Grasas de jabón espeso litio son buenas en todos estos aspectos y son recomendadas para aplicaciones generales de bombeo. La consistencia de la grasa es graduada por el instituto nacional de lubricantes tipo grasa (NLGI). Su selección consecuentemente está basada en el tamaño y tipo de cojinete usado. Consistencia de grasa NLGI 3 es recomendada para pequeños y medianos cojinetes de bola, operando bombas con orientación vertical de flecha y bombas que tienen una vibración considerable. 69

71 Consistencia de grasa NLGI 2 es recomendable para cojinetes con rodamientos y medianos a grandes cojinetes de bola. Consistencia de grasa NLGI 1 es recomendada para grandes cojinetes operando a baja velocidad. La viscosidad base del aceite tipo grasa es seleccionado en una manera similar a la de los aceites lubricantes. La viscosidad base v de los aceites en la temperatura de operación de cojinetes deberá ser mayor que la viscosidad lubricante mínima requerida v 1. Las grasas con diferentes tipos de espesor y consistencia no deberán ser mezcladas. Algunos espesores son incompatibles con otros tipos de espesor. Mezclando diferentes grasas puede resultar una grasa con consistencia inaceptable. Grasas de poliuretano espesas son generalmente incompatibles con otras grasas metálicas espesas, aceites minerales y preservativos. Los cojinetes y la cavidad adyacente de la carcasa esta generalmente relleno con un 30 a 50% de grasa al ensamblarla. El exceso de grasa es purgado por los cojinetes dentro de la cavidad de la carcasa. El periodo en que la grasa puede suministrar lubricación satisfactoria (vida de la grasa) depende de la calidad de la grasa, condiciones de operación y la efectividad de los sellos al excluir contaminación. El catalogo general proporciona una guía para el intervalo del re engrasado y la cantidad de grasa a usar debe añadirse y re engrasarse. El intervalo de re engrasado (tf) del catalogo general está basado en el uso de grasa de litio con base de aceite mineral a 70 C (158 F) de temperatura. El intervalo de re engrasado puede ser incrementado si la temperatura de operación es baja o si una grasa de calidad Premium es usada. El intervalo de re engrasado es reducido de las temperaturas del cojinete son mayores. El intervalo de re engrasado es reducido a la mitad si la orientación es vertical. Es mejor proporcionar un recipiente debajo de los cojinetes para ayudar a retener la grasa. El recipiente deberá tener holgura con la flecha para permitir purgar el exceso de grasa, (figura 38). 70

72 FIGURA 38. LUBRICACIÓN CON GRASA. Temperaturas excesivas de los cojinetes pueden resultar si el cojinete y el espacio alrededor del cojinete está completamente repleto con grasa. La carcasa del cojinete deberá ser designada para purgar excesos de grasa desde el cojinete en el arranque y paro de la bomba. 2.5 Temperatura de los Cojinetes. En general, las temperaturas permisibles de un cojinete están limitadas por la habilidad de la selección de lubricantes para satisfacer los requerimientos de la viscosidad del cojinete (i.e. Kappa). Los cojinetes de bolas pueden lograr su ritmo de vida a altas temperaturas, siempre que la lubricación sea satisfactoria, y se tomen en cuenta otras precauciones, tal como la correcta selección de la holgura interna. En algunos casos, un cojinete operando desde el arranque, no puede conseguir satisfactoriamente condiciones de estado estable en condiciones de temperatura debido a la incorrecta posición del cojinete (gran precarga interna inicial) o debido al exceso de velocidad al arranque de la bomba. Estas condiciones pueden causar un desbalance térmico en el cojinete, resultando una precarga del cojinete imprevista. Este último caso es inusual cuando la carcasa del cojinete está muy fría debido a las bajas condiciones ambientales (clima frio o procesos químicos). La mejor solución en esta instancia es controlar la adecuada instalación del cojinete. (Holgura inicial del cojinete y forma de la flecha y carcasa) y bajar la velocidad en el arranque de la maquinaria para permitir el establecimiento del equilibrio térmico. Maquinar la caja metálica (sufijos M o MA) se podría necesitar en estas aplicaciones. 71

73 De tal modo, en los cojinetes con cajas poliamida, para obtener la mayor vida de servicio, la temperatura en la salida del anillo no deberá excederse de 100 C (212 F) en aplicación de bombas. Por causa de esta limitación, algunos manufactureros o usuarios de bombas no permiten el uso de cojinetes con cajas poliamidas (sufijos TN9 o P). En algunas instancias, la temperatura de operación es el factor determinante que limita la adaptación del cojinete para alguna aplicación. Las temperaturas de operación del cojinete dependen del tipo de cojinete, tamaño, condiciones de operación y velocidad de transferencia de calor de la flecha, carcasa del cojinete, y bases. Las temperaturas de operación se incrementan cuando el calor es transferido a los cojinetes desde fuentes externas tal como altas temperaturas en los fluidos bombeados y fricción de contacto en los sellos de la carcasa. La generación de calor en el interior del cojinete, es el producto del tiempo de la velocidad rotativa mas la suma de los momentos de fricción de la carga dependiente e independiente. Los momentos de fricción del cojinete debido a la carga dependiente e independiente, pueden ser calculados en concordancia con el catalogo general. Valores recomendados del factor de lubricación f 0 para los métodos de lubricación en cojinetes de bombas son los siguientes: FACTOR DE LUBRICACIÓN f 0 COJINETE DE BOLA DE SIMPLE HILERA CON RANURA PROFUNDA COJINETE DE BOLA DE DOBLE HILERA CON CONTACTO ANGULAR CON RANURA DE EMPASTE PAR DE COJINETE DE BOLA DE HILERA SIMPLE CON CONTACTO ANGULAR ROCIÓ DE ACEITE ANILLO DE ACEITE BAÑO DE ACEITE (1) GRASA CONRAD (1) doble valor para orientación vertical de la flecha. 72

74 Valores de f 0 para otros tipos de cojinetes pueden ser encontrados en el catalogo general. La temperatura de operación de los cojinetes y la viscosidad del lubricante se puede estimar usando programas de computación. (Los valores superiores a f 0 son recomendados para el uso con dichos programas). La operación de cojinetes con temperaturas altas puede ser esperada cuando sellos de flechas con fricción de contacto son usados. En casos de operación de cojinetes en climas fríos o con lubricantes que tienen una gran viscosidad, la carga radial puede necesitar ser mayor que la carga radial mínima requerida estimada por la ecuación provista en el catalogo general. Los cojinetes que tienen cajas maquinadas en latón pueden también estar necesariamente en estas aplicaciones. En ningún caso deberá ser operado un cojinete a temperaturas menores que la del punto temperatura de derrame del lubricante. 2.6 Montaje y claro radial de los cojinetes a. Formas de flecha Los estándares recomiendan tolerancias en flechas para cojinetes de bola o de rodillos en aplicaciones de bombas centrifugas que soportan carga radial y una combinación de carga axial y radial, tal como se muestra en la siguiente tabla. DIAMETRO DE FLECHA, mm. COJINETES DE BOLA COJINETES DE RODAMIENTOS CILÍNDRICOS DE ESPESOR MÉTRICO COJINETES DE RODAMIENTOS ESFÉRICOS j5 (18) a k5 (100) a 140 (40) a 100 (40)a 65 m5 (140) a 200 (100) a 140 (65) a 100 m6 TABLA DE TOLERANCIAS TOLERANCIA Estas tolerancias resultan en una interferencia entre el anillo interior del cojinete y la flecha. Estas son necesarias si los soportes de los cojinetes tienen carga radial. Las anteriores tolerancias son recomendadas para montajes de cojinetes sobre flechas de acero sólido. Engastes más rígidos de lo normal, resultan en una mayor interferencia, puede ser necesaria si los cojinetes están montados en flechas huecas o en mangas. 73

75 Para engastes ligeros, son usadas tolerancias ISO j5 o h5 (k5 para gran tamaño de cojinete) pudiendo ser necesariamente para cojinetes montados en flechas hechas de acero inoxidable y teniendo una diferencia mayor de temperatura entre el interior del cojinete y el anillo exterior. El acero inoxidable tiene baja conductividad que los aceros al carbón y algunos aceros inoxidables (AISI 316) tienen grandes coeficientes de expansión térmica. Grandes temperaturas en un cojinete montado también con interferencia mayor en una flecha de acero inoxidable, puede causar también gran fatiga en el anillo interno del cojinete y reducir excesivamente la holgura interna. La ISO j5 y h5 puede ser también ser usados por cojinetes para soportar puras cargas axiales. La interferencia mínima requerida entre el anillo interno del cojinete y una flecha solida puede ser estimada por la siguiente ecuación: En donde: i = Interferencia, µm d = Calibre del cojinete, mm B = Anchura del cojinete, mm F = Carga radial máxima, N La tolerancia de flecha ISO j6 puede ser usada para todo tipo de cojinetes soportando solo carga axial. La tolerancia ISO k5 es comúnmente usada con pares universalmente montados en cojinetes de bola de simple hilera con contacto angular soportando solo carga axial para controlar la precarga y la holgura interna del cojinete b. Carcasas adecuadas. Los estándares recomendados en tolerancias de carcasas para todo tipo de cojinetes son la ISO H6. Esta tolerancia resulta en una leve holgura entre el anillo exterior del cojinete y la carcasa. Esto permite un ensamblaje fácil y holgura radial por expansión del cojinete por incrementos en la temperatura. El riesgo de rotación del anillo es mínimo con esta tolerancia. La tolerancia ISO H7 es recomendada para cojinetes de mayor tamaño. Una tolerancia ISO G6 en la carcasa es recomendad para grandes cojinetes (d>250mm (10in)) si tiene una temperatura diferentemente mayor a 10 C (18 F) existente entre el anillo exterior del cojinete y la carcasa. Si el cojinete es ligeramente cargado, es recomendable un resorte de precarga en el anillo exterior del cojinete. Para cojinetes radiales, la recomendación del resorte de precarga es estimada por la siguiente ecuación: 74

76 En donde: F = Fuerza de precarga del resorte, N k = Factor en un rango de 5 a 10 d = Calibre del cojinete, mm El catalogo general proporciona líneas guía para la flecha y la carcasa con tolerancia y la superficie final. El material de la carcasa es recomendado para tener una dureza mínima en el rango de HB, también materiales bajos de dureza pueden resultar en recubrimientos de la carcasa donde están asentados los cojinetes. Los anillos internos de los cojinetes de bola de doble hilera y arreglos de pares espalda con espalda, universalmente montados en cojinetes de bola de hilera sola con contacto angular, deberán estar sujetados en la flecha con una tuerca y arandela. Los anillos exteriores de estos cojinetes pueden estar sin apretarse con abrazadera o preferentemente siempre con una ligera holgura axial. (0.0 a 0.5 mm) en la carcasa. Para todo tipo de cojinetes, la fuerza axial de sujeción en los anillos del cojinete, no excederá un cuarto de la carga básica estática registrada en el cojinete individual, (C 0 /4). En el caso de cojinetes de bola de doble hilera con contacto angular, la fuerza de sujeción no deberá exceder un octavo de la carga estática registrada (C 0 /8). La fuerza de sujeción debe sujetar uniformemente los anillos de sujeción sin distorsión. Las recomendaciones arriba señaladas para la flecha y forma de carcasa están en acuerdo con la norma 7 de ANSI / AFBMA, uno de los requisitos de la norma API 610 para bombas c. Holgura radial interna La holgura radial interna en cojinetes mayor de lo normal (sufijo C3) es recomendable para cojinetes montados con mayor cantidad de interferencia de lo normal, en la forma de la flecha y si se esperan grandes temperaturas de los cojinetes cualquier operación a gran velocidad o por calor conducido por el cojinete a una fuente externa. La holgura radial interna mayor a lo normal (sufijo C3) es recomendable para cojinetes rádiales operando a un rango mayor de velocidad superior al 70% de lo previsto en el catalogo general. 75

77 Las normas API 610 especifican que los cojinetes, como los cojinetes de bola con contacto angular, tendrán gran holgura radial interna mayor a lo normal (Sufijo C3). Cojinetes de bola con contacto angular son sensibles a exceso de holgura, se debe tomar especial consideración en el uso de ellos d. Sellos en la carcasa del cojinete. Los sellos de la flecha a la carcasa es importante excluir sólidos y líquidos contaminantes y retener el lubricante. Comúnmente los sellos son bordes sellados y laberintos sellados, (figura 39). SELLO DE LABERINTO BORDE SELLADO RADIAL FIGURA 39. SELLOS EN CARCAZA. Sellos con bordes radiales (ligas) tienen un resorte con borde sintético de goma cargado para el contacto en las superficies de la flecha. El sellado depende en un suministro de lubricante en los sellos y un buen acabado en las superficies de la flecha. Excesiva fricción en los sellos puede causar altas temperaturas en los sellos y en las vestiduras de la flecha. La fricción en sellos aumenta la temperatura de operación de los cojinetes. La vida de sellos en los bordes es usualmente corta (2000 a 4000 hrs). Sellos de laberinto son efectivos para excluir la contaminación e incrementar la lubricación. Estos causan poca o nula fricción y tienen larga vida. Los sellos de laberinto proveen ventilación natural para la lubricación de rocío. 76

78 3.0 COJINETES DE BOLAS DE CONTACTO ANGULAR EN BOMBAS CENTRÍFUGAS Cojinetes de bolas de contacto angular de hilera sencilla. Los cojinetes de bola de hilera sencilla con contacto angular son generalmente usados en bombas de mediano y gran uso industrial, ya sea como puro cojinete de empuje o para combinar cargas axiales y radiales, en cualquier presentación. Los más importantes rasgos son: gran capacidad de combinar cargas axiales y radiales con un gran rango de velocidad. Los cojinetes de bola de hilera sencilla con contacto angular operan con pequeña holgura y una precarga ligera, proporcionando buena exactitud en el posicionamiento de la flecha a. Carga axial mínima en el cojinete. Para una operación satisfactoria, un cojinete de bola con contacto angular debería llevar una carga axial mínima segura. Al incrementar la velocidad, las fuerzas centrifugas en las bolas causarán un cambio en el ángulo de contacto entre el interior y exterior del conducto, (figura 40). Esta diferencia del ángulo de contacto causara desplazamientos, los cuales dañaran el conducto, bolas y carcasa, e incrementara la fricción. Este giro incrementara la temperatura del cojinete, reduciendo la efectividad del lubricante y la vida del cojinete. La carga axial adecuada minimiza el riesgo de desplazamientos. FIGURA 40. ÁNGULOS DE CONTACTO. A medida que la velocidad del cojinete aumenta (nd m * valores 250,000 y mayores), también es necesario aplicarle grandes cargas axiales para minimizar el movimiento giratorio de las bolas. El momento del movimiento giratorio hace rotar la bola debido al efecto giroscópico. 77

79 El movimiento giratorio incrementará el desplazamiento en la bola y la fricción en el cojinete. Los valores de nd m donde la carga axial grande es necesaria, para una aplicación particular, está influenciado por la magnitud de las cargas aplicadas, condiciones de lubricación y construcción de la caja del cojinete b Cojinetes de Bolas de Contacto Angular en Bombas Centrífugas. La carga insuficiente puede causar también variación en la velocidad orbital de las bolas. Esto resultará en un incremento de cargas en la caja y posiblemente cause daño. La carga axial mínima requerida para un cojinete de bola de contacto angular puede ser calculada por la siguiente ecuación Donde: F amin = Carga axial mínima requerida, N. A = Factor de carga mínimo. n = Velocidad rotacional, RPM. Valores del factor A de carga mínima para series 72 y 73 BE para cojinetes de bola de pista simple con contacto angular son enlistados en la página siguiente. Los cojinetes teniendo pequeños ángulos de contacto son más apropiados para grandes velocidades, y son aplicables en cargas ligeras debido a sus requerimientos bajos de carga axial. Durante la operación, la carga axial mínima requerida en un par de cojinetes puede ser internamente mantenida para limitar la holgura axial interna. Con una pequeña holgura axial, las bolas están soportando fuerzas centrifugas contra el conducto, casi igual en el interior y fuera del ángulo de contacto del anillo. Es el incremento de la holgura axial, lo que hace la diferencia en el interior y exterior de los ángulos de contacto del anillo. Estas permiten incrementar el deslizamiento interno. La carga axial mínima puede también ser mantenida por resortes pre cargando los cojinetes. En el caso de bombas que tienen una orientación de flecha vertical, la carga axial mínima requerida puede estar satisfecha por el peso de la flecha e impulsor de la bomba. 78

80 TAMAÑO C 3.1. c. Precarga en cojinetes FACTOR MÍNIMO DE CARGA AXIAL EN COJINETES SKF DE BOLA CON CONTACTO ANGULAR DE HILERA SIMPLE. El propósito de cojinetes precargados es: Eludir los deslizamientos en cargas ligeras, Control de ángulos de contacto, Mejorar la distribución de la carga interna, Incrementar la rigidez de los cojinetes, y Mejorar la exactitud de posición de la flecha. Los cojinetes pre cargados pueden incrementar la vida de fatiga de un cojinete debido al mejoramiento de distribución interna de las cargas externas aplicadas. Esto se ilustra en la figura 41, también una buena pre carga puede reducir la vida de fatiga del cojinete. En aplicaciones con bombas centrifugas, los cojinetes pre cargados son usados principalmente para evitar deslizamientos en cargas ligeras en cojinetes de contacto angular y para dar exactitud en posicionamiento de la flecha para sellos mecánicos. Los cojinetes pre cargados son más susceptibles a desalinearse o montajes incorrectos que cojinetes con holgura. 79

81 FIGURA 41. CORRELACIÓN PRECARGA HOLGURA. La figura 42 muestra el diagrama de carga estática vs deflexión, para dos cojinetes de bola pre cargados con contacto angular. Este diagrama es típicamente de cojinetes a 40 en cualquier arreglo espalda con espalda o cara con cara. La pre carga p en este ejemplo es lograda por la deflexión elástica de los cojinetes uno contra otro. La deflexión inicial de los cojinetes debida a la precarga es δ o. FIGURA 42. CARGA ESTÁTICA VS DEFLEXIÓN. Cuando una carga axial es aplicada a la flecha, solo un cojinete soportara esta carga. Este cojinete es denominado el cojinete activo. La deflexión, δ, del cojinete activo reduce la carga (precarga) en el cojinete adyacente inactivo. El diagrama carga vs deflexión, de un par de cojinetes de precarga rotando a 3600 rpm se muestra en la figura 43; bajo rotación, la fuerza de precarga se incrementa, y la fuerza en el cojinete activo no reduce completamente a cero debido a las fuerzas centrifugas. 80

82 FIGURA 43. FUERZA AXIAL VS DEFLEXIÓN AXIAL EN CONDICIONES NORMALES DEL COJINETE. FORMA DE FLECHA PROMEDIO K5. Conforme se incrementa la velocidad (nd m, valores de y mayores), el efecto giroscópico de las bolas sucederá si la precarga residual en el cojinete activo es menor que la carga axial mínima requerida, F a min. Los cojinetes pre cargados pueden también ser aplicados por resortes comprimidos. La carga desde el resorte axial es constante y no afectado por diferencias en la montura del cojinete a temperatura d. Cojinetes de bola de hilera simple con contacto angular universalmente concordables. En la mayoría de las aplicaciones en bombas, los cojinetes de bola con contacto angular de la serie 72BE y 73 BE son mencionados como pares, ambos en arreglos de espalda con espalda o en cara con cara. Los pares de cojinetes pueden soportar cargas axiales y radiales combinadas y asegurar un exacto posicionamiento de la flecha de la bomba. Un par de cojinetes soportaran una fuerza axial equivalente en cada dirección axial. Si la carga axial de la bomba es muy pesada en una dirección, el par de cojinetes puede estar arreglado con un tercer cojinete montado en tándem. Estos arreglos se muestran en la figura 44. Para ser montado en arreglos de pares, los cojinetes deben de estar manufacturados por montajes universales. Las normas de cojinetes SKF disponibles para los montajes universales tienen los sufijos CB o GA, ejemplo 7310 BECCB o 7310 BEGA. 81

83 CARA-A-CARA ESPALDA-CON-ESPALDA TANDEM FIGURA 44. DIFERENTES ARREGLOS DE COJINETES DE BOLA. El sufijo CB denota que los cojinetes están universalmente concordables, y que un par de estos cojinetes tendrá una holgura axial exacta cuando este montado en alguno de los tres arreglos mostrados en la figura 44. El sufijo GA, también denota que los cojinetes están universalmente en concordancia, pero un par de estos cojinetes tendrá una precarga ligera cuando este en alguno de los tres arreglos antes mostrado. Los cojinetes con mayor holgura (sufijos CC) pueden ser necesariamente para operación a grandes temperaturas o con gran interferencia de flecha y/o en el encaje de la carcasa. La precarga (sufijos GA o GB) puede estar necesariamente en cojinetes soportando predominantemente carga axial operando con conductos ligeros y encajes de carcasa y operando con incrementos de velocidad (nd m de valores aproximados a 250,000 y mayores). Mayor atención se debe tener al usar cojinetes con precarga al asegurar correctamente el acoplamiento de los anillos del cojinete en la flecha, en la carcasa y en el alineamiento de la flecha. Observando la próxima tabla, para los valores de la holgura axial desmontada y pre cargada para pares de cojinetes. La holgura inicial del cojinete o precarga está asegurada cuando los anillos del cojinete están sujetos axialmente juntos. La holgura inicial en un par de cojinetes se reduce o la precarga inicial es incrementada por formas de interferencia y la flecha y el inicio del anillo operan con una gran temperatura que en la salida del anillo y carcasa. Precaución: Los cojinetes solos no son usados cuando solo se presentan cargas radiales. Para cargas de empuje en dos direcciones, son usados pares de cojinetes. El arreglo espalda con espalda es recomendado para un mayor número de aplicaciones en bombas ya que la holgura del par está controlado por abrazaderas en los anillos internos, y no son necesarias abrazaderas en anillos en la salida. La norma API 610 específica que las bombas con cargas de empuje deberán estar soportados por dos 40, cojinetes de bola de contacto angular con hilera simple, en un arreglo espalda con espalda. La necesidad de holgura o precarga en cojinetes axiales está basada en el requerimiento de la aplicación. 82

84 Holgura axial interna de cojinetes de bola con contacto angular de la serie 72 BE y 73 BE de los arreglos universales back to back y cara a cara (desmontados). Holgura radial = 0.85 holgura axial ( in = 25.4 µm) Precarga de cojinetes de bola con contacto angular de la serie 72 BE y 73 BE de los arreglos universales back to back y cara a cara (desmontados). TABLA: VALORES DE LA HOLGURA AXIAL DESMONTADA Y PRE CARGADA PARA PARES DE COJINETES. 83

85 El arreglo cara a cara es usado cuando el des alineamiento es inevitable como en bombas de doble succión con flecha delgada y carcasas atornilladas en la armazón. La principal ventaja con el arreglo cara a cara es la menor sensibilidad para el des alineamiento, (figura45) BECBM, arreglo espalda con espalda. _ 7310 BECBM arreglo cara a cara BEGAM arreglo espalda con espalda. _ 7310 BEGAM arreglo cara a cara. FIGURA 45. RELACIÓN DESALINEAMIENTO ANGULAS VS VIDA RELATIVA. Para una función correcta, los anillos exteriores del arreglo del cojinete en cara a cara deben de estar bien asegurados con abrazaderas en la carcasa. La fuerza axial de la abrazadera para el arreglo cara a cara, debe de ser mayor que la carga axial soportada por los cojinetes pero menor que la carga límite de la abrazadera, C 0 /4. La fuerza axial de la abrazadera puede estar aplicada por los anillos exteriores también por la sujeción en la cubierta de la carcasa o por resortes. Los arreglos con resortes cargados tienen mejor control en la carga de la abrazadera del anillo, y son menos sensibles para las tolerancias de montaje, desalineamiento y cambios en las temperaturas de la bomba y cojinetes e. Cajas. El diseño de cojinetes SKF BE son producidos con cuatro cajas opcionales, (figura 46): la caja 6.6 de poliamida de fibra de vidrio reforzada (Sufijo P), la caja de metal prensado de cualquier acero (Sufijo J) o latón (Sufijo Y), y la caja maquinada de latón (Sufijo M), todos estos tipos de cajas pueden ser usadas para aplicaciones de bombeo. (Ver tabla). 84

86 TABLA DE EJECUCIÓN RECOMENDADA DE COJINETES. En los cojinetes con caja de poliamidas (sufijo P), para obtener una vida de servicio mayor, la temperatura de los anillos de salida deberán preferiblemente no exceder los 100 C (212 F). Operando continuamente a temperaturas altas podría resultar en la reducción de la vida de servicio de los cojinetes con cajas poliamidas. FIGURA 46. CAJAS DISEÑADAS OPCIONALMENTE. Cojinetes con grandes holguras y teniendo la caja de poliamida (sufijo P), y para una menor extensión de las cajas de metal prensado (Sufijo J, Y), son sensibles para operar a incrementos de velocidad (nd m valores aproximadamente de 250,000 y mayores). Con estas cajas, la holgura axial debería ser tan menor posible a incrementos de velocidades. Estas cajas no deberán ser usadas a valores nd m mas grandes que 450,000. Las jaulas maquinadas en latón (Sufijo M) son recomendadas para aplicaciones en bombas centrifugas operando en condiciones de servicio muy resistentes y requiriendo la mayor rentabilidad tal como la bomba de servicio de refinería API

87 Los sufijos completos designados por los estándares universales en cojinetes concordables con las jaulas maquinadas en latón son por ejemplo, BECBM o BEGAM, e.j BECBM, 7310 BEGAM f. Forma de flecha. El estándar recomendado para las mayores aplicaciones de bombeo son la tolerancia ISO k5. Esta tolerancia resulta en una interferencia de forma entre el anillo interno del cojinete y la flecha. Esta forma es necesaria se el cojinete soporta cargas radiales. Una forma ligera usando flechas con tolerancia ISO j5 o h5, pueden ser necesarias si la flecha esta hecha de acero estañado y en espera una gran diferencia de temperatura entre los anillos internos y externos del cojinete. Esta forma puede también ser usada por flechas de acero con cargas axiales puras g. Forma de carcasa. El estándar recomendado para arreglos de cojinetes espalda con espalda es la tolerancia ISO H6. Esta tolerancia resulta en una holgura ligera entre el cojinete y la carcasa. Esto permite expansión térmica sin riesgos de rotación de los anillos externos del cojinete. Para el arreglo de cojinetes cara a cara, el estándar recomendado es la tolerancia J6. Los cojinetes que soportan cargas axiales, solo pueden estar radialmente libres en la carcasa, por ejemplo, con un espacio entre el anillo externo y la carcasa h. Ejecución recomendada para cojinetes. Los cojinetes de bola con contacto angular de hilera simple con el sufijo BECBM son recomendados para aplicaciones en bombas centrifugas donde las condiciones de operación son generalmente solo conocidas y otra adecuada clase de holgura/precarga y opciones de jaula no puede ser evaluada satisfactoriamente. Si las condiciones de operación y la forma de la carcasa y la flecha se conocen, la tabla de ejecución recomendada, puede usarse para la selección de los cojinetes. En la tabla, se especifican combinaciones de carcasas de cojinetes y holgura/precarga, estos son recomendados dependiendo de la forma de la carcasa y de la flecha como también su velocidad de la flecha. La tabla puede ser usada como guía para la selección de la ejecución especifica del cojinete. 86

88 3.2 Cojinetes de bolas de contacto angular de doble hilera. En cuanto a su diseño el rodamiento de bolas de contacto angular de doble hilera corresponde a una pareja de rodamientos de bolas de contacto angular en disposición en O. El rodamiento puede absorber altas fuerzas radiales y fuerzas axiales en dos sentidos. Se trata de un rodamiento apropiado principalmente para apoyos que exijan una gran rigidez de guiado axial. Su adaptabilidad angular es muy limitada. Las ejecuciones básicas de los rodamientos de bolas de contacto angular de doble hilera se distinguen por el ángulo de contacto y la ejecución de los aros de los rodamientos. Los rodamientos de las series 32B y 33B con tapas de obturación o con tapas de protección en ambos lados, están libres de mantenimiento y facilitan construcciones sencillas Ejecuciones básicas. Los rodamientos de bolas de contacto angular de doble hilera 32B y 33B no tienen ranuras de entrada para las bolas, por esta razón la capacidad de carga axial es igual en los dos sentidos. Los rodamientos están rellenos de grasa. Junto a los rodamientos abiertos, también existen las ejecuciones básicas con tapas de obturación (sufijo.2rsr) o con tapas de protección (sufijo.2zr) en ambos lados. Por razones de fabricación, los rodamientos en la ejecución básica abierta pueden tener acanaladuras en el aro exterior para tapas de obturación o de protección. Los rodamientos de contacto angular de doble hilera de la serie 32 y 33 disponen a un lado de una ranura para la entrada de bolas por lo cual los rodamientos deben montarse de tal forma, que la carga principal sea absorbida por el camino de rodadura sin ranura. Los rodamientos de bolas de contacto angular de doble hilera 33DA con aro interior partido tienen un ángulo de contacto de 45, de ahí su elevada capacidad de absorber cargas axiales en ambos sentidos. 32B, 33B ÁNGULO DE CONTACTO α=25 32, 33 ÁNGULO DE CONTACTO α=35 33DA ÁNGULO DE CONTACTO α=45 FIGURA 47. COJINETES DE BOLAS DE CONTACTO ANGULAR DE DOBLE HILERA. 87

89 a. Tolerancias. Los rodamientos de bolas de contacto angular de doble hilera en la ejecución básica tienen tolerancias normales. TABLA DE TOLERANCIAS PARA RODAMIENTOS DE BOLA b. Juego de los rodamientos. Los rodamientos de bolas de contacto angular de doble hilera en la ejecución básica tienen juego axial normal. Bajo demanda los rodamientos se suministran también con el juego axial mayor (sufijo C3) o menor (sufijo C2). Los rodamientos de bolas de contacto angular de doble hilera con el aro interior partido previstos para cargas axiales más elevadas se montan generalmente con un ajuste más fuerte que los rodamientos no partidos. El juego normal de estos rodamientos corresponde al grupo de juego C3 de rodamientos no partidos c. Jaulas. Los rodamientos de bolas de contacto angular de doble hilera con jaulas de chapa, no tienen sufijo para la jaula. Los rodamientos con jaulas macizas de latón guiadas por las bolas se reconocen por el sufijo M. El sufijo MA indica que las jaulas son de latón y guiadas en el aro exterior. 88

90 TABLA DE JUEGO AXIAL RODAMIENTOS DE BOLAS DE CONTACTO ANGULAR DE DOBLE HILERA DE BOLAS Los rodamientos con jaulas de poliamida 66 reforzada con fibra de vidrio (sufijo TVH o TVP) soportan temperaturas constantes de hasta 120 C. Al lubricar con aceite aditivado, este puede perjudicar la vida en servicio de servicio de la jaula de poliamida. Un estado envejecido del aceite también puede influir en la vida de servicio de la jaula a elevadas temperaturas por lo cual, es necesario observar los intervalos recomendados para el cambio del aceite Aptitud para altas velocidades. Generalmente, la máxima velocidad alcanzable de los rodamientos está determinada por la temperatura de servicio permisible. La temperatura de servicio depende del calor producido por rozamiento en el rodamiento, posible aportación o evacuación de calor desde el rodamiento. El tipo y tamaño del rodamiento, la precisión del rodamiento y sus partes anexas, el juego, el diseño de jaula, la lubricación y la carga, influencian en la velocidad alcanzable. La velocidad de referencia (térmica) se muestra para la mayoría de rodamientos en las tablas de dimensiones. 89

91 La norma DIN 732, parte 2 (bosquejo) contiene el método para la determinación de la velocidad de servicio térmicamente permisible para casos en que las condiciones de servicio difieran de las condiciones de referencia, p. e. la carga, la viscosidad del aceite o la temperatura permisible. La velocidad límite que puede ser mayor o menor que la velocidad de referencia sólo tiene en cuenta los límites mecánicos y deberá ser considerada como la máxima velocidad de servicio permisible. Generalmente, deberá observarse que la carga no es demasiado baja a elevadas velocidades y grandes aceleraciones a Velocidad límite La resistencia límite de las partes de rodamiento o la velocidad de deslizamiento de las obturaciones son factores determinantes para la velocidad límite. Las tablas muestran las velocidades límite también de rodamientos para los cuales la norma no define una velocidad de referencia, p.e. rodamientos con obturaciones. La velocidad límite, en estos casos, aplica para una carga correspondiente a P/C=0.1, una temperatura de servicio de 70 C, lubricación por baño de aceite y condiciones de montaje normales. Una velocidad límite en las tablas que sea menor que la velocidad de referencia es indicativa, por ejemplo, de una resistencia de la jaula limitada. En estos casos no debe usarse el valor mayor. La velocidad límite sólo puede ser excedida tras consultar con el fabricante b. Velocidad de referencia La velocidad de referencia n Θr está definida en la norma DIN 732, parte 1, como la velocidad a la cual se alcanza la temperatura de referencia. Entonces existirá un equilibrio entre la energía por rozamiento generada en el rodamiento y el calor disipado por los rodamientos. Las condiciones de referencia son similares a las condiciones de servicio de los rodamientos usuales. Se aplican uniformemente para todos los tipos y tamaños de rodamientos. Las condiciones de referencia están seleccionadas de tal forma que las velocidades de referencia sean las mismas para lubricación con aceite y con grasa c. Velocidad de servicio térmicamente permisible. La velocidad de servicio térmicamente permisible n zul es la velocidad bajo la cual la temperatura media del rodamiento alcanza el valor permisible bajo condiciones de servicio reales. Se obtiene multiplicando la velocidad de referencia n Θr por el factor de velocidad f N. n zul = n Θr f N La determinación de f N está descrita en la norma DIN 732, parte 2. Sin embargo, en vez de fórmulas se utilizan diagramas para rodamientos radiales de bolas, radiales de rodillos y axiales de rodillos facilitando la determinación. 90

92 El factor de velocidad f N es, por aproximación, el producto de un parámetro de carga f p, un parámetro de temperatura f t y un parámetro de lubricación f ν40. f N = f p f t f ν40 Siempre deberá comprobarse que la velocidad de servicio térmicamente permisible no exceda el límite de velocidad. Bajo condiciones de servicio adecuadas, la velocidad de referencia puede superar a la velocidad límite. En el caso de tener condiciones de servicio especiales, estas deben de tenerse en cuenta para determinar el valor de la velocidad térmicamente permisible de servicio. Cuando en las tablas se indica una velocidad de referencia mayor que la velocidad límite, no debemos utilizar este valor mayor Tratamiento térmico. Los rodamientos de bolas de contacto angular de doble hilera se someten a un tratamiento térmico de manera que se pueden utilizar para temperaturas de servicio de hasta 150 C. En los rodamientos con jaula de poliamida ha de observarse el límite térmico de aplicación del material. Para rodamientos obturados es recomendable observar el límite de aplicación estipulado Rodamientos obturados. Se suministran rodamientos de bolas de contacto angular de doble hilera en las ejecuciones básicas, tanto abierta como con tapas de protección ZR (obturaciones no rozantes) o con tapas de obturación RSR (obturaciones rozantes) en ambos lados. Estos rodamientos se llenan en la fábrica con una grasa cuya calidad haya sido examinada según las prescripciones de FAG. Bajo demanda también suministramos rodamientos obturados por un lado. En los rodamientos con obturaciones rozantes (sufijo 2RSR) es la velocidad deslizante permisible de los labios obturadores la que limita la velocidad de giro, de modo que en las tablas sólo se indica la velocidad límite. En los rodamientos con tapas de protección no rozantes (sufijo 2ZR) la velocidad límite es más baja que la de los rodamientos abiertos. En cuanto al comportamiento de los rodamientos obturados frente a altas velocidades, este está descrito en la página 86. El límite inferior de temperatura es de 30º C. 91

93 3.2.5 Carga dinámica equivalente. Las fórmulas para la carga equivalente dependen del ángulo de contacto de los rodamientos. a. Rodamientos de bolas de contacto angular, series 32B y 33B con un ángulo de contacto a = 25. P = Fr+ 0,92 Fa [kn] para {Fa / Fr} P= 0,67 Fr+ 1,41 Fa [kn] para {Fa / Fr} b. Rodamientos de bolas de contacto angular, series 32 y 33 con un ángulo de contacto a = 35. P= Fr+ 0,66 Fa [kn] para {Fa / Fr} P= 0,6 Fr+ 1,07 Fa [kn] para {Fa / Fr} c. Rodamientos de bolas de contacto angular, serie 33DA con ángulo de contacto a = 45 P = Fr+ 0,47 Fa [kn] para {Fa / Fr} P= 0,54 Fr + 0,81 Fa [kn] para {Fa / Fr} Carga estática equivalente. El factor radial equivale a 1; los factores axiales dependen del ángulo de contacto. a. Rodamientos de bolas de contacto angular, series 32B y 33B con un ángulo de contacto a = 25. [kn] P 0 = Fr + 0,76 Fa b. Rodamientos de bolas de contacto angular, series 32 y 33 con un ángulo de contacto a = 35. [kn] P 0 = Fr + 0,58 Fa c. Rodamientos de bolas de contacto angular, serie 33DA con un ángulo de contacto a = 45. P 0 = Fr + 0,44 Fa [kn] 92

94 3.2.7 Medidas auxiliares Los aros de los rodamientos deben apoyarse solamente en los resaltes del eje o del alojamiento, no en la garganta. Consecuentemente, el radio máximo r g de la parte anexa ha de ser menor que el radio mínimo del rodamiento r smin. El resalte de las partes anexas debe ser tan grande que incluso con el máximo radio del rodamiento haya una superficie de apoyo adecuada (DIN5418). En las tabla de rodamientos se indican el radio máximo r g y los diámetros del los resaltes. Características especiales de algunos tipos de rodamientos, p. e. rodamientos de rodillos cilíndricos, rodamientos de rodillos cónicos y rodamientos axiales se explican en los textos precedentes a las tablas. FIGURA 48. DIMENSIONES AUXILIARES DIN SUFIJOS B: CONSTRUCCIÓN INTERNA MODIFICADA. DA: ARO INTERIOR PARTIDO. M: JAULA MACIZA DE LATÓN GUIADA POR LAS BOLAS. MA: JAULA MACIZA DE LATÓN GUIADA POR EL ARO EXTERIOR. 2RSR: DOS TAPAS DE OBTURACIÓN. TVH: JAULA DE GARRAS MACIZA DE POLIAMIDA REFORZADA CON FIBRA DE VIDRIO. TVP: JAULA DE VENTANAS MACIZA DE POLIAMIDA REFORZADA CON FIBRA DE VIDRIO. 2ZR: DOS TAPAS DE PROTECCIÓN. 93

95 4.0 COJINETES DE RODILLOS EN BOMBAS CENTRÍFUGAS. 4.1 COJINETES DE RODILLO CILÍNDRICOS DE UNA HILERA. Los rodamientos de rodillos cilíndricos son despiezables con lo que se facilita el montaje y el desmontaje. Ambos aros pueden ser montados con un ajuste fijo. Para evitar tensiones en los cantos, los rodillos y los caminos de rodadura tienen un contacto lineal modificado Ejecuciones básicas. Las diferentes ejecuciones de rodamientos de rodillos cilíndricos se diferencian entre sí por la disposición de los rebordes. La ejecución NU tiene dos rebordes en el aro exterior y un aro interior sin rebordes. En la ejecución N, los rebordes se encuentran en el aro interior y el aro exterior no los tiene. Las ejecuciones NU y N se montan como rodamientos libres. Son despiezables, con lo que se facilita el montaje y el desmontaje. Ambos aros pueden ser ajustados fijamente. Los rodamientos de rodillos cilíndricos NJ tienen dos rebordes en el aro exterior y uno en el interior. Pueden absorber cargas axiales en un sentido. Como rodamientos para apoyos fijos, para absorber cargas axiales en ambos sentidos, se montan rodamientos de rodillos cilíndricos NUP. Tienen dos rebordes en el aro exterior y en el aro interior un reborde fijo y un aro-reborde suelto. Igual que con la ejecución NUP, se consigue un apoyo fijo con un rodamiento de rodillos cilíndricos NJ y un anillo angular HJ. Se suministran los rodamientos de rodillos cilíndricos en la ejecución reforzada como ejecución básica en las series 2E, 22E, 3E y 23E. En estos rodamientos, el conjunto de rodillos se ha diseñado para una capacidad de carga máxima a. Normas. Rodamientos de una hilera de rodillos cilíndricos DIN Rodamientos de rodillos cilíndricos para máquinas eléctricas en vehículos de tracción eléctrica DIN Anillos angulares ISO 246 y DIN b. Tolerancias. Los rodamientos de rodillos cilíndricos de una hilera se fabrican en la ejecución básica con una tolerancia normal. Bajo demanda también suministramos rodamientos con tolerancias restringidas c. Juego de los rodamientos. Los rodamientos de rodillos cilíndricos de una hilera se fabrican en la ejecución básica con juego normal. Bajo demanda también suministramos ejecuciones con los sufijos C3 (juego radial mayor de lo normal) o sufijo C4 (juego radial mayor que C3). 94

96 d. Adaptabilidad angular. Para evitar tensiones en los cantos y para permitir cierta adaptabilidad angular, los rodillos y los caminos de rodadura tienen un contacto lineal modificado. En rodamientos de una hilera de rodillos cilíndricos, el ángulo de adaptabilidad no debe rebasar 4 minutos de ángulo, suponiendo una condición de carga de P/C 0,2 (P = carga dinámica equivalente [kn], C = capacidad de carga dinámica [kn]). En caso de haber ladeos de mayor importancia o solicitaciones a carga mayores, consulte con el fabricante e. Jaulas. La mayor parte de los rodamientos de rodillos cilíndricos tienen jaulas de poliamida 66 reforzada con fibra de vidrio (sufijo TVP2). Esta jaula, gracias a su estabilidad de forma, hace posible diseñar rodamientos con máxima capacidad de carga. Las jaulas de poliamida 66 soportan temperaturas constantes de hasta 120 C. Al lubricar con aceite aditivado, éste puede perjudicar la duración de servicio de la jaula. Un estado envejecido del aceite también puede perjudicar la vida en servicio de la jaula, por lo cual conviene observar los intervalos recomendados para el cambio de aceite. Los rodamientos de rodillos cilíndricos sin sufijo para la jaula tienen jaula de chapa de acero. Los sufijos M y M1 definen rodamientos con jaulas macizas de latón, guiadas por los rodillos. TABLA DE REFERENCIA PARA DIFERENTES TIPOS DE JAULAS. 95

97 Aptitud para altas velocidades. Bajo condiciones de servicio adecuadas, la velocidad de referencia puede superar a la velocidad límite. En el caso de tener condiciones de servicio especiales, estas deben de tenerse en cuenta para determinar el valor de la velocidad térmicamente permisible de servicio. Cuando en las tablas se indica una velocidad de referencia mayor que la velocidad límite, no debemos utilizar este valor mayor Tratamiento térmico. Los rodamientos de rodillos cilíndricos se someten a un tratamiento térmico de manera que se pueden utilizar para temperaturas de servicio de hasta 150 C. Los rodamientos con un diámetro exterior mayor de 120 mm son estables dimensionalmente hasta 200 C.En rodamientos con jaulas de poliamida ha de observarse el límite térmico de aplicación del material Carga dinámica equivalente. Para rodamientos de rodillos cilíndricos que solamente han de absorber cargas radiales vale: P = Fr [kn] Si, aparte de la fuerza radial, el rodamiento ha de soportar una fuerza axial Fa, ésta se tiene en cuenta en el cálculo de la vida de los rodamientos, debiendo ser: Fa FaH (FaH carga axial permisible) TABLA DE CARGAS DINÁMICAS 96

98 a. Capacidad de carga axial. Aparte de las fuerzas radiales, los rodamientos de rodillos cilíndricos pueden transmitir fuerzas axiales. La magnitud del esfuerzo axial (Fa/C máx. 0,1) a que pueden ser sometidos los rodamientos, depende de los siguientes factores: Carga radial Velocidad Lubricación Temperatura de servicio Condiciones de la transición de temperatura en el lugar de aplicación del rodamiento. La carga axial admisible, se determina basándose en las condiciones de lubricación, y de rozamiento y al balance térmico en el lugar de aplicación del rodamiento. Las condiciones de fricción más favorables se producen cuando existe una delgada película portante entre los rodillos y los rebordes. Para conseguir esta condición se necesita una gran velocidad, cuando la viscosidad de servicio es baja y la fuerza axial es grande. Suponiendo la misma viscosidad de servicio, estas condiciones favorables también se consiguen con bajas velocidades cuando la fuerza axial es pequeña. A la fuerza axial bajo una delgada película portante todavía en formación, se le denomina Carga Hidrodinámica Límite FaH. La carga hidrodinámica límite FaH se obtiene a partir de la gráfica de rozamiento para los rodamientos de rodillos cilíndricos cargados axialmente. El valor de la abscisa será 7 cuando el coeficiente de rozamiento fa, justo alcance el valor mínimo de 0,014 para lubricación hidrodinámica. Entonces FaH se obtiene a partir de la siguiente expresión: F a H = [fb dm n ν (D 2 d 2 )/7] 1/2 [N] fb = 0,0048 para rodamientos con jaula. = 0,0061 para rodamientos llenos de rodillos dm = Diámetro medio = 0,5 (D + d) [mm] n = Velocidad de giro del aro interior [min -1 ] ν = Viscosidad servicio del aceite o el aceite básico de la grasa [mm2 /s] D = Diámetro exterior del rodamiento [mm] d = Diámetro del agujero [mm] Cuando se superan los valores de la carga hidrodinámica límite, y entre los rebordes y los rodillos se produce rozamiento mixto, las perdidas por rozamiento aumentan llegando a producir desgaste. La carga axial permisible para una temperatura de servicio, se determina a partir del balance energético, usando, por ejemplo la condición del calor generado en el rodamiento = calor disipado. El calor generado en el rodamiento incluye el valor de calor dependiente de la carga radial y de la carga axial, así como el calor producido por el rozamiento causado por el lubricante. Esta cantidad de calor puede calcularse con bastante precisión. 97

99 El cálculo del calor disipado no se puede realizar si no se conocen las condiciones de transmisión de calor bien a través de las partes adyacentes, bien a través de refrigeración del rodamiento, por ejemplo con lubricación por circulación de aceite b. Límites de la carga axial. La magnitud de la carga axial se determina a partir de la temperatura máxima, la vida requerida, el ratio de carga Fa/Fr 0,4 (factor de seguridad ante valores inadmisibles de inclinación de los rodillos) y de la resistencia de los rebordes. Si el diámetro de apoyo solamente alcanza el diámetro del camino de rodadura, Fa [N] no debe rebasar K dm B, siendo: K = 6,5 en rodamientos de una hilera con jaula K = 5,5 en rodamientos de una hilera llenos de rodillos K = 3 en rodamientos de varias hileras dm = Diámetro medio del rodamiento [mm] B= Anchura del rodamiento [mm] Si se va a sobrepasar el valor límite de la carga axial determinada, los rodamientos han de apoyarse hasta la mitad de la altura de los rebordes y los diámetros de apoyo deben diseñarse como sigue: (F + J)/2 y (H + E)/2 [mm] Para los diámetros de los caminos de rodadura (E, F) y de los rebordes (J, H), véanse las tablas de dimensiones del fabricante c. Carga estática equivalente. Para rodamientos de rodillos cilíndricos cargados estáticamente en dirección radial vale: Po= Fr [kn] Lubricación en los rodamientos de rodillos cilíndricos cargados axialmente. Emplearemos lubricación con grasa sólo en aquellos rodamientos de rodillos cilíndricos con esfuerzos axiales en ambos sentidos ya que el cambio de sentido de la carga facilita la lubricación de las superficies con deslizamiento. En estos casos se recomiendan grasas con consistencia NLGI de clase 2 y con aditivos EP. Para el cálculo se toma la viscosidad de servicio del aceite básico para ν. En los intervalos de relubricación se tienen en cuenta los parámetros de servicio del fabricante. En la fase crítica en donde un rodamiento se embala desde cero hasta la velocidad de servicio, siempre aparece rozamiento mixto, es por ello que para prevenir posibles daños se recomienda el uso de aditivos EP. Se debe de seleccionar la viscosidad nominal, que a temperatura de servicio, alcance una viscosidad de servicio de aproximadamente 18 mm 2 /s. 98

100 Rodamientos de Rodillos Cilíndricos sin aro interior. Los rodamientos de rodillos cilíndricos sin aro interior (ejecución RNU suministrables bajo demanda) se utilizan para aplicaciones en espacios limitados. Los rodillos giran directamente sobre el eje templado y rectificado. Por regla general el eje se mecaniza según g6 (medida auxiliar F, ver tabla de dimensiones) y el agujero del alojamiento según K6. Indicaciones sobre el material y el mecanizado de los caminos de rodadura para apoyos directos se encuentran en el manual del fabricante. El diámetro del eje J (ver tablas con medidas) se mecaniza según la tolerancia h9. Sufijos FIGURA 49 DESCRIPCIÓN DE LAS MEDIDAS AUXILIARES. E Diseño reforzado M, M1 Jaula maciza de latón guiada por los rodillos TVP2 Jaula de ventanas maciza de poliamida reforzada con fibra de vidrio, guiada por los rodillos X* Diseño diferente al estándar * Los rodamientos con el sufijo combinado EX tiene un diseño interno según norma revisada DIN 5412, ed Las partes despiezables de este nuevo diseño no son intercambiables con las partes despiezables de los rodamientos con diseño estándar tipo E del mismo tamaño. 99

101 4.2. COJINETES DE RODILLOS CÓNICOS. Los rodamientos de rodillos cónicos son despiezables; el aro interior con la corona de rodillos y el aro exterior pueden montarse por separado. El contacto lineal modificado entre los rodillos y los caminos de rodadura evita tensiones en los cantos. Los rodamientos de rodillos cónicos absorben altas fuerzas axiales y radiales. Ya que los rodamientos de rodillos cónicos sólo absorben cargas axiales en un sentido, generalmente es necesario un segundo rodamiento de rodillos cónicos montado simétricamente para el guiado en sentido contrario Ejecución básica. Los rodamientos de rodillos cónicos son apropiados para absorber fuerzas radiales y axiales. Los rodamientos de la serie 313 valen para mayores cargas axiales debido a su ángulo de contacto especialmente grande. También los rodamientos de la serie 323B tienen un ángulo de contacto mayor a. Normas. Rodamientos de rodillos cónicos con dimensiones métricas DIN ISO 355 y DIN b. Denominaciones abreviadas. Para rodamientos de rodillos cónicos con dimensiones métricas se han incluido en las tablas dos denominaciones abreviadas. Para rodamientos de rodillos cónicos contenidos en la norma DIN 720 se ha expuesto la denominación abreviada usual al frente de la denominación abreviada de acuerdo con DIN ISO 355. Las explicaciones sobre las denominaciones abreviadas según DIN ISO 355 se encuentran el manual del fabricante Adaptabilidad angular. El contacto lineal modificado entre rodillos cónicos y caminos de rodadura evita tensiones en los cantos y posibilita la adaptabilidad angular de los rodamientos de rodillos cónicos. Para los rodamientos con una hilera de rodillos cónicos un ángulo de adaptación hasta 4 minutos es permisible suponiendo condiciones de carga de P/C= 0,2 (P = carga dinámica equivalente [kn], C = capacidad de carga dinámica [kn]). Si existen cargas o ladeos mayores consulten con FAG. Tolerancias. Los rodamientos de rodillos cónicos de la ejecución básica se suministran con tolerancias normales (clase de tolerancias PN). Los rodamientos de rodillos cónicos de las series 320X, 329, 330, 331 y 332 hasta un diámetro del agujero de 200 mm tienen la tolerancia de anchura más restringida de la clase de tolerancias P6X (sin sufijo). Los rodamientos mayores de estas series, los rodamientos con brida y los rodamientos de las demás series tienen la tolerancia de anchura correspondiente a la clase de tolerancias PN. Bajo demanda los rodamientos de rodillos cónicos también pueden suministrarse con mayor precisión; por ejemplo algunos tamaños de la serie 320X en la clase de tolerancias P5. Estos rodamientos tienen el sufijo P5. 100

102 Tolerancias. Rodamientos de rodillos cónicos con dimensiones métricas, consultar manual del fabricante. FIGURA 50 COJINETES DE RODILLOS CÓNICOS a. Juego de los rodamientos. En los rodamientos de rodillos cónicos el juego axial resulta de la acción combinada entre dos rodamientos y se ajusta durante el montaje b. Aptitud para altas velocidades. Bajo condiciones de servicio adecuadas la velocidad de referencia puede superar a la velocidad límite. En el caso de tener condiciones de servicio especiales, estas deben de tenerse en cuenta para determinar el valor de la velocidad térmicamente permisible de servicio Tratamiento térmico. Los rodamientos FAG de rodillos cónicos se someten a un tratamiento térmico de manera que se pueden utilizar para una temperatura de servicio de hasta 120 C. Los rodamientos con un diámetro exterior mayor de 90 mm son estables dimensionalmente hasta 150 C y los rodamientos con un diámetro exterior mayor de 120 mm lo son hasta 200º C a. Jaulas Los rodamientos FAG de rodillos cónicos tienen jaulas estampadas de chapa de acero. Dado que las jaulas sobresalen un poco lateralmente es necesario prestar especial atención en el montaje (ver tablas con medidas auxiliares) b. Rodamientos ajustados Según la prescripción N11CA de FAG, los rodamientos de rodillos cónicos se aparean según la disposición en X. El juego axial de la pareja de rodamientos queda determinado por un anillo distanciador entre los aros exteriores. El juego axial se indica mediante un sufijo. Por ejemplo, A significa que la pareja de rodamientos tiene un juego axial comprendido entre 80 y 120 µm antes del montaje. Generalmente con las parejas de rodamientos no se alcanzan las velocidades de giro de los rodamientos individuales. Los valores son inferiores en un 20%. Sólo se puede alcanzar los valores de velocidad límite de las tablas con rodamientos ajustados, si las condiciones de servicio proporcionan un buen balance de calor de la pareja. 101

103 Del juego axial y de la diferencia de anchuras Ts de los rodamientos individuales (ver página 64) resultan las tolerancias de la anchura total para los rodamientos de rodillos cónicos ajustados según N11CA. Al pedir parejas de rodamientos de rodillos cónicos es necesario indicar el número de rodamientos y no la cantidad de parejas c. Dimensiones en pulgadas Los rodamientos de rodillos cónicos de FAG con dimensiones métricas deben tener preferencia en construcciones nuevas. FAG también suministra rodamientos de rodillos cónicos con dimensiones en pulgadas, de los cuales se muestra una selección en este catálogo. Contrariamente a lo que pasa con los rodamientos con dimensiones métricas, los diámetros interiores y exteriores de los rodamientos con dimensiones en pulgadas tienen las tolerancias en más. Las líneas generales para los ajustes se pueden aplicar; las tolerancias tanto del eje como del alojamiento indicadas en dimensiones métricas, deben convertirse para obtener el mismo ajuste después del montaje Capacidad de carga dinámica C para una pareja de rodamientos de rodillos cónicos. Si dos rodamientos de rodillos cónicos de igual tamaño y ejecución, están montados uno contra el otro según las disposiciones en O o en X, la capacidad de carga de la pareja de rodamientos se obtiene a partir de: C = 1,715 C rodamiento individual [kn] Para los rodamientos de rodillos cónicos ajustados según la prescripción N11CA de FAG, las capacidades de carga para la pareja de rodamientos están indicadas en las tablas a. Carga dinámica equivalente. Rodamiento individual: Para rodamientos de rodillos cónicos de una hilera deben tenerse en cuenta las fuerzas axiales de reacción (según la tabla de la página 326). Los valores de Y, y e se muestran en las tablas de rodamientos. Pareja de rodamientos en disposición en O ó en X: 102

104 Para F r y F a se toman las fuerzas que actúan sobre la pareja de rodamientos. Los valores Y, y e se toman de las tablas de rodamientos. Rodamientos ajustados según la prescripción N11CA de FAG: Para F r y F a se toman las fuerzas que actúan sobre la pareja de rodamientos. Los valores Y y e aplican a la pareja Determinación de la fuerza axial para el rodamiento individual. Debido a la inclinación de los caminos de rodadura, una carga radial induce fuerzas axiales de reacción, que hay que tener en cuenta al determinar la carga equivalente. La fuerza axial se calcula con ayuda de las fórmulas de la tabla siguiente. El rodamiento que recibe, independiente de las fuerzas axiales externas, la carga axial exterior Ka, se le denomina rodamiento A, al otro B. En los casos para los que no se indiquen fórmulas, no se tiene en cuenta la fuerza axial Fa. Capacidad de carga estática C 0 para una pareja de rodamientos de rodillos cónicos. Si dos rodamientos de rodillos cónicos de igual tamaño y ejecución están ajustados uno contra otro según las disposiciones en O ó en X, la capacidad de carga de la pareja de rodamientos se obtiene a partir de: 103

105 TABLA DE DISTRIBUCIÓN DE LA CARGA EQUIVALENTE. Para los rodamientos de rodillos cónicos ajustados según la prescripción N11CA de FAG, las capacidades de carga para la pareja de rodamientos están dadas en las tablas a. Carga estática equivalente. Rodamiento individual 104

106 En el caso de rodamientos con una hilera de rodillos cónicos es necesario tener en cuenta las solicitaciones axiales de reacción (ver tabla). El valor Y 0 se toma de las tablas de rodamientos. Pareja de rodamientos en la disposición en O ó en X: Para F r y F a se toman las fuerzas que actúan sobre la pareja de rodamientos. El valor Y 0 puede tomarse de las tablas para rodamientos con una hilera. Rodamientos ajustados según la prescripción N11CA de FAG: Para F r y F a se toman las fuerzas que actúan sobre la pareja de rodamientos. El valor de Y 0 vale para la pareja de rodamientos Medidas auxiliares. En las tablas se indican los valores máximos del radio r g de la garganta y los diámetros de los resaltes. Durante el montaje de rodamientos de rodillos cónicos hay que tener en cuenta que la jaula sobresale lateralmente. Para prevenir el roce de la jaula con los apoyos se han de garantizar las distancias mínimas a1y a2que se muestran en las tablas. Sufijos A Diseño interno modificado. A...N11CA Juego axial A en µm dos rodamientos de rodillos cónicos en disposición en X con distanciadores en aro exterior. B Ángulo de contacto aumentado. X Dimensiones externas adaptadas a los estándares internacionales. 105

107 4.3. COJINETES DE RODILLOS ESFÉRICOS. Estos rodamientos son excelentes para cargas radiales fuertes y empuje moderado. Su característica de auto-alineamiento interno es útil en muchas aplicaciones, pero no se debe abusar de ello. Los elementos esféricos tienen la ventaja de ampliar su área de contacto a medida que la carga aumenta. El rodamiento de auto-alineación es la combinación de uno radial y uno de empuje, diseñado para recibir carga en condiciones de mala alineación. Los rodamientos de rodillos esféricos pueden soportar cargas radiales muy pesadas y son oscilantes, lo que les permite asumir flexiones del eje, y pequeñas desalineaciones entre dos rodamientos, que soportan un mismo eje. Estas propiedades los hacen muy populares para aplicaciones por ejemplo en ingeniería pesada, donde las cargas son fuertes, así como las deformaciones producidas por las cargas, en máquinas grandes es también habitual cierta desalineación entre apoyos de los rodamientos Ejecución básica. Las dimensiones exteriores de los rodamientos FAG axiales de bolas de contacto angular de simple efecto se ajustan a la tabla de dimensiones DIN 616. Se fabrican en las series 7602 y 7603 para diámetros de eje desde 12 a 100 mm. FAG también suministra la serie estrecha BSB, ver publicación nº AC Con un ángulo de contacto de 60º, los rodamientos FAG axiales de bolas de contacto angular pueden soportar grandes esfuerzos axiales. Aparte de las fuerzas axiales también absorben fuerzas radiales reducidas. Como todos los rodamientos de bolas de contacto angular solamente pueden solicitarse axialmente en un sentido a. Tolerancias. Los rodamientos FAG axiales de bolas de contacto angular de simple efecto se fabrican con tolerancias restringidas de la clase de tolerancias P4 según ISO. Las tolerancias de los diámetros corresponden a las de los rodamientos radiales, las del salto axial corresponden a la variación del espesor en rodamientos axiales Disposición de los rodamientos Los rodamientos axiales de bolas de contacto angular de simple efecto se montan preferentemente por parejas o en grupos. Los aros de los rodamientos tienen la tolerancia de la anchura de tal forma que rodamientos del mismo tamaño pueden montarse directamente por parejas o en grupos (montaje universal). En las disposiciones en O ó en X, las parejas y los grupos de rodamientos tienen una precarga determinada. 106

108 TABLA TOLERANCIAS DE RODAMIENTOS AXIALES Jaula. Los rodamientos están equipados con una jaula de ventanas maciza de poliamida 66 reforzada con fibra de vidrio (sufijo TVP), guiada por las bolas. Con esta jaula es posible montar una gran cantidad de bolas. Las buenas propiedades de deslizamiento del material de la jaula y la forma de los alvéolos, favorable para la lubricación, contribuyen al giro con poco rozamiento de los rodamientos Lubricación. Los rodamientos FAG axiales de bolas de contacto angular de simple efecto pueden lubricarse con grasa o con aceite. Debido al manejo y la obturación más sencillos se usa preferentemente lubricación con grasa. Como grasas apropiadas han demostrado su eficacia las grasas de base de saponificación lítica con aditivos de alta presión EP, como por ejemplo, la grasa Arcanol L135V de FAG. 107

109 4.3.5 Aptitud para alta velocidad. Las velocidades admisibles para la lubricación con grasa se indican en las tablas. Los valores indicados valen para una pareja de rodamientos en la disposición en O ó en X. Si se monta un grupo de tres o cuatro rodamientos han de ser reducidos los valores según la siguiente tabla: TABLA DE REDUCCIÓN DE VELOCIDADES Rigidez y precarga. Los rodamientos axiales de bolas de contacto angular de simple efecto obtienen su rigidez por su construcción interna y mediante precarga. Si se montan dos rodamientos en disposición en O ó en X, se obtiene automáticamente una gran precarga definida (ver fuerza Fv, en la tabla de dimensiones). Al montar más rodamientos en un mismo apoyo, aumentan la precarga y la rigidez del mismo a. Rozamiento. Los rodamientos FAG axiales de bolas de contacto angular tienen poco rozamiento. Así es suficiente una potencia de accionamiento reducida. Las tablas de las páginas 472 a 475 indican valores de orientación del par de rozamiento. Los valores indicados se refieren a un sólo rodamiento. Para grupos de rodamientos se obtiene multiplicado el par de rozamiento de un solo rodamiento por el número total de rodamientos del grupo. 108