Las causas más comunes de falla del rodamiento y la importancia de la lubricación del rodamiento

- May 05, 2020-

Las causas más comunes de falla del rodamiento y la importancia de la lubricación del rodamiento

Resumen:Las fallas de los rodamientos tienen un gran impacto en la industria y la economía. El objetivo de la
El presente trabajo es estudiar y detectar las causas principales que limitan la eficiencia del rodamiento, lo que conduce a la falla del rodamiento. Este estudio muestra que la causa principal de la falla es la lubricación inadecuada de los elementos rodantes del rodamiento (aproximadamente 80% de los casos), seguida de una selección inadecuada del rodamiento (10%), montaje incorrecto ({{2 }}%), falla indirecta (4%) y defectos de material y errores de fabricación (menos del 1%).

Palabras clave:Falla del rodamiento, contaminación, grasa, aceite, lubricante, lubricación

1. Lubricación de rodamientos

El rodamiento es un componente de maquinaria que juega un papel muy importante, ya que domina el rendimiento de la máquina. Si uno de los rodamientos falla, no solo la máquina, sino también la línea de montaje se detiene y los costos derivados pueden ser extremadamente altos. Por esta razón, cada fabricante de rodamientos debe hacer todo lo posible para garantizar la más alta calidad para cada rodamiento y el uso y mantenimiento más cuidadoso en nombre del usuario [10].

Los lubricantes se usan entre las superficies de contacto para mantener las piezas en movimiento continuo. El objetivo principal de la lubricación de los rodamientos es evitar o reducir la fricción de metal a metal entre las superficies de contacto rodantes y deslizantes. Esta no es la única función de la lubricación de los rodamientos. Las funciones complementarias son: disipación de calor del rodamiento, eliminación de partículas sólidas de desgaste y contaminantes de las superficies de contacto rodantes, protección contra la corrosión, aumento del efecto de sellado de los sellos del rodamiento [4].

La lubricación es crucial para la vida útil del rodamiento. En aplicaciones de servicio pesado, como máquinas de laminación, hornos, hornos o ventiladores de alta temperatura, los rodamientos pueden estar expuestos a temperaturas más altas de lo normal. Para estas aplicaciones, la selección adecuada del lubricante y el método de lubricación es muy importante [13]. En aplicaciones industriales hay dos tipos de lubricantes adecuados para uso a altas temperaturas: grasa y aceite. En casos especiales, los rodamientos se lubrican con lubricantes sólidos secos [4].

El lubricante de grasa se utiliza para 90% de todos los rodamientos. La cantidad de grasa que se utilizará dependerá de muchos factores relacionados con los parámetros dimensionales y geométricos de la carcasa, las limitaciones de espacio, la velocidad de trabajo del rodamiento y el tipo de grasa utilizada. Como regla general, los rodamientos y sus alojamientos deben llenarse del 30 al 60% de su capacidad total. Si la velocidad de trabajo y la temperatura aumentan, se debe usar una cantidad reducida de grasa. Si la cantidad de grasa es excesiva, la temperatura aumenta, lo que puede hacer que la grasa se ablande y puedan aparecer fugas locales. Con el paso del tiempo, la grasa pierde sus propiedades y la grasa fresca debe reabastecerse a intervalos apropiados. El intervalo de relubricación depende del tipo de rodamiento, los parámetros dimensionales, la velocidad de trabajo del rodamiento y la temperatura [10].

En aplicaciones industriales, la lubricación con aceite se usa si los componentes adyacentes de la máquina también reciben aceite, o si el lubricante debe disipar el calor generado. La disipación de calor es necesaria si hay altas velocidades de rotación y / o altas cargas o si el rodamiento está expuesto a altas temperaturas [4]. En este caso, el intervalo de relubricación depende de las condiciones operativas del rodamiento (temperatura, velocidad, carga, etc.), la cantidad de aceite y el tipo de aceite utilizado. Si se utiliza un método de lubricación en baño de aceite cuando las temperaturas de funcionamiento son de aproximadamente 50 ° C, el intervalo de relubricación debe ser de un año. Para condiciones de funcionamiento de 70 a 100 ° C, el aceite debe reemplazarse cada tres meses. De todos modos, es importante que el sistema de lubricación y el deterioro se verifiquen regularmente para determinar el reemplazo de aceite [10].

Otro tipo de lubricación de cojinetes es la lubricación sólida o seca. Este método se usa en aplicaciones industriales, donde los rodamientos están sujetos a cargas pesadas, movimientos relativos lentos y altas temperaturas de trabajo. La lubricación sólida es muy efectiva y produce tiempos de funcionamiento relativamente largos. Los lubricantes sólidos más utilizados son el grafito y el disulfuro de molibdeno. Estos lubricantes sólidos se aplican a las superficies de las pistas de rodadura en forma de polvo suelto, laca deslizante o pasta. Los lubricantes de grafito y disulfuro de molibdeno se pueden usar para altas temperaturas de funcionamiento de hasta 450 ° C [4].

2. Las causas más comunes de falla del rodamiento

En la práctica, el daño o la falla de un rodamiento son a menudo el resultado de varios mecanismos que funcionan simultáneamente. La falla puede ser el resultado de un montaje o mantenimiento incorrecto o de una fabricación defectuosa del rodamiento o de sus partes adyacentes [3].

Fig. 1 - Causas comunes de falla del rodamiento

En algunos casos, la falla se debe a un compromiso de diseño hecho en interés de la economía o por condiciones de operación imprevistas. Es la combinación compleja de diseño, fabricación, montaje, operación y mantenimiento lo que a menudo causa dificultades para establecer la causa principal de la falla. Se requiere la consideración de cada característica para la determinación confiable de la causa de la falla del rodamiento. Dado que más de un proceso puede causar efectos similares en estas superficies, una descripción simple de la apariencia generalmente es inadecuada para determinar la razón de la falla [7].

En caso de daño extenso o falla catastrófica del rodamiento, es probable que se pierda la evidencia y entonces será imposible identificar la causa principal de la falla. En todos los casos, el conocimiento de las condiciones operativas reales del ensamblaje y el historial de mantenimiento es de suma importancia. Por lo general, las causas de la falla del rodamiento se pueden clasificar en cinco grupos y varios subgrupos, como se muestra en la figura 1.

La evolución de la investigación tribológica durante las últimas décadas ha llevado a un notable aumento de nuevos conocimientos que describen los mecanismos de falla [7]. Los datos de este campo de investigación muestran que la lubricación inadecuada es la causa más comúnmente citada de falla del rodamiento y representa aproximadamente el 80% de las averías [12] (figura 2). Naturalmente, estos porcentajes pueden variar de una aplicación a otra según las condiciones de funcionamiento y las prácticas de mantenimiento.

Fig. 2 - Causas comunes de falla del rodamiento en%


2. 1. Lubricación inadecuada

La selección de lubricantes adecuados para los cojinetes se basa en las decisiones sobre si elegir aceite o grasa, y determinar qué tipo de aditivo se requiere [1]. Esta decisión depende de algunos factores, como la carga operativa, la velocidad y la temperatura.

La lubricación es un factor clave que puede hacer o romper la vida útil del rodamiento. Algunas investigaciones en la industria de los rodamientos han declarado que la lubricación inadecuada puede representar alrededor del 80% de las fallas de los rodamientos [8]. La falla puede ser el resultado de una lubricación excesivamente prolongada sin renovar, lubricación inadecuada y contaminación por lubricación [12].

La lubricación excesivamente prolongada sin renovación y la lubricación inadecuada de los rodamientos representan un gran porcentaje de fallas prematuras de los rodamientos (aproximadamente 20% cada una), y en la mayoría de los casos se pueden prevenir [9]. El lubricante inadecuado es un lubricante que no contiene los aditivos correctos, no tiene la viscosidad adecuada o puede no estar diseñado para su uso en dicha aplicación o rango de temperatura [9].

El desgaste abrasivo puede ser el resultado de una lubricación inadecuada. Las superficies se vuelven opacas en un grado que varía según la tosquedad y la naturaleza de las partículas abrasivas (figura 3). Estas partículas aumentan gradualmente en número a medida que el material se desgasta de las superficies de rodadura y la jaula. Finalmente, el desgaste se convierte en un proceso acelerado que resulta en la falla del rodamiento [7].

Fig. 3 - Desgaste abrasivo en la pista de rodadura del anillo exterior

La viscosidad inadecuada del lubricante es una de las principales causas de falla del rodamiento. En cuanto a los aceites lubricantes, la viscosidad es una de las propiedades más importantes y determina la eficiencia de la lubricación con aceite [8].

De acuerdo con ISO 281: {{1}} (E), la efectividad del lubricante está determinada principalmente por el grado de separación de la superficie entre las superficies de contacto de rodadura. Si se va a formar una película de separación de lubricante adecuada, el lubricante debe tener una viscosidad mínima dada cuando la aplicación haya alcanzado su temperatura de funcionamiento. La condición de la separación del lubricante se describe por la relación de viscosidad, κ, como la relación de la viscosidad cinemática real, v, a la viscosidad cinemática de referencia, v 1 (1) [{{4} }]:

Para formar una película lubricante adecuada entre las superficies de contacto de rodadura, el lubricante debe retener una cierta viscosidad mínima mientras está a la temperatura de funcionamiento. La vida útil del rodamiento puede prolongarse aumentando la viscosidad de funcionamiento, . La viscosidad cinemática de referencia,  1, puede estimarse mediante el diagrama de la figura 4, dependiendo de la velocidad del rodamiento y el diámetro del paso, Dpw, o calcularse con las ecuaciones (2) y (3) [6]:

Fig. 4 - Viscosidad cinemática de referencia, v 1, a la velocidad de referencia del rodamiento y el diámetro del paso
Fig. 5 - Viscosidad cinemática requerida, v, a temperatura de referencia

El cálculo de κ se basa en aceites minerales y en superficies de rodadura de rodamientos mecanizadas con buena calidad de fabricación. El diagrama en la figura 4 y las ecuaciones (2) y ({{2}}) también se pueden usar aproximadamente para aceites sintéticos como el Hidrocarburo Sintético (SHC), para los cuales la viscosidad mayor El índice (menos cambio de viscosidad con la temperatura) se compensa con un mayor coeficiente de presión-viscosidad para aceites minerales, y por eso se forma aproximadamente la misma película de aceite a diferentes temperaturas de operación si ambos tipos de aceite tienen la misma viscosidad a {{4 }} ° C. El diagrama de la figura 4 y las ecuaciones (2) y ({{2}}) se aplican igualmente a la viscosidad del aceite base de las grasas. Con la lubricación con grasa, los contactos pueden funcionar en una condición severamente hambrienta debido a la pobre capacidad de sangrado de la grasa que conduce a una mala lubricación y posible reducción de la vida [7].

La viscosidad cinemática del aceite depende de la temperatura de funcionamiento del rodamiento. La figura 5 representa el cuadro comparativo de temperatura de operación y viscosidad cinemática del aceite con el propósito de seleccionar aceite de lubricación con características de viscosidad apropiadas para una aplicación.

Cuanto más rápido es el flujo, menor es la viscosidad y viceversa. Si la viscosidad es demasiado baja, la película de aceite no se formará y se dañarán las superficies de contacto del rodamiento. Por el contrario, cuando la viscosidad es demasiado alta, la resistencia viscosa también será grande y la temperatura debido a la fricción será alta. En cualquier caso, las asperezas (puntos altos mecanizados microscópicamente) de las superficies de los componentes del rodamiento pueden contactarse entre sí, inicialmente causando una condición de escarcha o manchado, seguido de adhesión en los puntos de contacto [9]. La falla del rodamiento será inevitable (figura 6).

Fig. 6 - a) La apariencia esmerilada de esta pista de rodamientos ilustra lo que sucede cuando la viscosidad del aceite es demasiado baja y se produce un contacto de metal con metal. b) Falla del rodamiento debido al contacto continuo de soldadura entre asperezas en las superficies metálicas

La contaminación del agua, productos químicos y partículas es especialmente dañina para los rodamientos y representa el 25% de fallas prematuras [14].

Cuando el lubricante está contaminado con partículas sólidas desgastadas, se pueden generar microfisuras permanentes en la pista de rodadura del rodamiento cuando estas partículas se enrollan en exceso. La aparición de estas microgrietas puede generar tensiones locales, lo que conducirá a una vida reducida del rodamiento [7].

La reducción de la vida causada por partículas sólidas en la película lubricante depende de [6]:

1. tipo, tamaño, dureza y cantidad de partículas;
2. espesor de la película lubricante;
3. tamaño del rodamiento

En el caso de una relación de viscosidad κ< 1="" y="" un="" factor="" de="" contaminación="" ec="" para="" esta="" relación="" de="" viscosidad,="" se="" puede="" usar="" un="" valor="" de="" κ="1" en="" el="" cálculo="" del="" factor="" de="" contaminación,="" ec.="" para="" los="" valores="" de="" κ=""> {{2}}, se utilizará el valor κ={{2}}. La motivación para aumentar el valor κ es que puede esperarse un efecto suavizante favorable de las superficies de contacto cuando se usa un aditivo EP efectivo (aditivo de presión extrema). En caso de contaminación severa (factor de contaminación eC< 0,="" 2),="" la="" eficacia="" de="" los="" aditivos="" ep="" se="" demostrará="" bajo="" la="" contaminación="" real="" del="" lubricante.="" la="" eficacia="" de="" los="" aditivos="" ep="" debe="" demostrarse="" en="" la="" aplicación="" real="" o="" en="" una="" prueba="" de="" rodamiento="" adecuada="">

El factor de contaminación, eC, es función de la relación de viscosidad, κ y el diámetro de paso, Dpw [6]:

Cuando el acero, usado para componentes de rodamientos, está en contacto con la humedad, por ejemplo, agua o ácido, se produce la oxidación de las superficies. Posteriormente se produce la formación de fosas de corrosión y, finalmente, la descamación de la superficie. Se puede observar una forma específica de corrosión por humedad en las áreas de contacto entre los elementos rodantes y los anillos del rodamiento, donde el contenido de agua en el lubricante o el lubricante degradado reacciona con las superficies de los elementos del rodamiento adyacentes [7] (figura { {0}}).

Fig. 7 - Falla del rodamiento debido a la contaminación del agua.

Los problemas de contaminación de los rodamientos se pueden evitar fácilmente si se utilizan un diseño adecuado y un mantenimiento adecuado del sistema de sellado y lubricación.

Las prácticas de mantenimiento inadecuadas asociadas con la desalineación y la inclinación del eje influyen en fallas relacionadas con la contaminación, debido a las grandes órbitas del eje que se desarrollan. Una de las principales tendencias de los inspectores que realizan los análisis de falla del rodamiento es llegar a la conclusión de que hay un problema de sellado, cuando el mecanismo dañado parece estar contaminado. Tras un examen detallado, es probable que el problema real se deba a una desalineación excesiva entre los componentes, lo que creó el problema del sello secundario. Resolver el problema de sellado no resolverá la desalineación entre los componentes; de hecho, el reemplazo del sello puede tener una capacidad de sellado superior pero una desalineación de tolerancia aún menor [3; 14].

Muchos rodamientos simplemente fallan al recibir una cantidad insuficiente de lubricante o sin lubricación a lo largo de su corta vida. Entre otras, las causas más comunes son negligencia simple, intervalos de lubricación incorrectos y fallas en el sistema de lubricación. Para una aplicación adecuada, los rodamientos deben ser monitoreados para asegurar que los intervalos de lubricación no sean demasiado frecuentes, causando sobrelubricación, y no muy poco frecuentes, causando sublubricación [13].

Se pueden producir manchas en las caras de la brida guía y en los extremos de los rodillos debido a una lubricación insuficiente (figura 8). En los rodamientos de complemento completo (sin caja), también pueden producirse manchas en los contactos entre los elementos rodantes dependiendo de las condiciones de lubricación y rotación [7].

Fig. 8 - Manchado del extremo del rodillo del rodamiento

La sobrelubricación ocurre cuando un rodamiento se engrasa excesivamente o cuando se agrega demasiado aceite a la carcasa. La cantidad excesiva de grasa o aceite puede causar fricción interna entre las piezas rodantes, lo que genera una temperatura excesiva que puede crear tensión y deformación del rodamiento [9].

El aumento de las cantidades de aceite y grasa en los rodamientos no es una buena solución, ya que esta práctica puede causar una acción de agitación entre los elementos rodantes, y el resultado siempre será un aumento de la temperatura. El aceite con alta viscosidad o la grasa con alta consistencia también aumentará la temperatura [2].

2. 2. Selección de rodamiento inadecuada

Por lo general, la selección de rodamientos realizada por el fabricante del equipo original es la selección correcta para la aplicación. Por supuesto, hay algunas excepciones, y siempre existe la posibilidad de que se use un rodamiento incorrecto para la aplicación. Esta posibilidad debe considerarse después de que se hayan investigado todas las demás fuentes de falla. Si hay algún cambio en el proceso de trabajo, esto puede requerir la posibilidad de usar un nuevo rodamiento, pero no todas las veces es una buena solución [14].

Otro error común es el uso de un rodamiento más grande o más fuerte, creyendo que esta disposición aumentará la capacidad de carga radial. El rodamiento más grande o más fuerte no resolverá los verdaderos problemas de la raíz. Por el contrario, este nuevo diseño puede crear problemas adicionales como, por ejemplo, que el rodamiento seleccionado puede tener una velocidad inferior a la nominal y puede no funcionar correctamente en un entorno con una confianza relativamente alta. En algunos casos, los rodamientos deben precargarse para facilitar el movimiento de rodadura y evitar el deslizamiento de los rodillos. Reemplazar el rodamiento original por uno nuevo puede conducir a fallas que son más rápidas si no se carga correctamente. Como regla general, para una aplicación industrial, el reemplazo de un rodamiento debe hacerse con el mismo tipo de rodamiento, seleccionado por el fabricante del equipo original [5; 14].

La selección inadecuada del rodamiento representa aproximadamente el 10% de todas las fallas prematuras del rodamiento.

2. 3. Montaje inadecuado

El montaje incorrecto representa aproximadamente el 5% de todas las fallas prematuras de rodamientos. La instalación inadecuada puede conducir a la falla del rodamiento debido a un desequilibrio de carga, desalineación o distribuciones de carga inadecuadas. Un cambio de desalineación de 0, 01 / 10 mm es suficiente para causar un gran aumento de la vibración y la temperatura en el rodamiento. Estos cambios repentinos pueden introducir un fuerte desgaste en los bolsillos de bolas o rodillos donde corren. Estos problemas pueden detectarse como una marca de carrera no paralela de la pelota en la pista de rodadura exterior y como un medio de vía de bola o rodillo extra ancha en la pista de rodadura interior [11].

El montaje incorrecto también puede provocar fallas debido al calentamiento excesivo o desigual del rodamiento, cuando se monta en un eje o carcasa. Cuando se requiere calor para expandir un anillo interior, la temperatura no debe exceder 125 ° C. Además, si se utilizan calentadores de inducción para la técnica de montaje, es importante desmagnetizar el rodamiento antes de la instalación. En caso de magnetización, el rodamiento de rodillos puede fallar muy rápidamente debido a su atracción de partículas de metales ferrosos (figura 9) [9].

Fig. 9 - Falla del rodamiento debido a un montaje incorrecto. El rodamiento se instaló mientras estaba magnetizado.

2. 4. Fallas indirectas

Fallas indirectas, como inaceptar