Jim Bryan
Especialista de Soporte Técnico de EASA
Los motores verticales se pueden identificar por la capacidad de soportar cargas de empuje externas. Una aplicación común en la que encontramos este factor son las bombas verticales. La carga de empuje aplicada es la suma del peso del eje lineal intermedio de la bomba (line shaft), la columna de agua que se está levantando, el peso del impulsor de la bomba y el empuje producido por las volutas de la bomba que fuerzan el agua hacia arriba. La distancia entre el motor y el impulsor puede ser muy corta, tal como sucede al bombear agua desde un acuífero subterráneo que se encuentra a cientos de pies de profundidad, hasta un tanque situado por encima o por debajo del suelo. En este último ejemplo, el peso combinado de la carga de empuje puede ser de miles de libras (kilogramos). El motor deberá estar diseñado con un rodamiento capaz de soportar estas cargas, por lo que se utilizan rodamientos de empuje.
Vida útil de los rodamientos
Las opciones incluyen rodamientos de bolas de contacto angular, rodamientos de rodillos esféricos y cojinetes de empuje con zapatas oscilantes (Kingsbury), los cuales son capaces de manejar cargas de empuje cada vez más grandes. Esto se describe con más detalle en el artículo de la revista Currents de EASA: “Vertical Motors: Bearing Configurations and Oil Leaks” publicado en junio de 2012. El objetivo es poder determinar la vida útil del rodamiento basada en la aplicación. Esta vida se puede cuantificar como la vida L10 o la cantidad de horas de operación en la que esperamos fallen el 10% de una gran población de rodamientos. Hay muchos factores que determinan la vida útil de los rodamientos: Tipo de carga, velocidad y la capacidad de carga dinámica del rodamiento. La ecuación de la Figura 1 calcula la vida útil para rodamientos de empuje de contacto angular. Otros factores como la lubricación, el medio ambiente y la contaminación contribuyen, pero son difíciles de cuantificar. Debido a esto, la vida L10 es sólo un valor estimado y se debe utilizar únicamente para estudios comparativos.
Por ejemplo, si el peso del rotor es de 1000 lbs (455 kg), el empuje es de 10,900 lbs (4955 kg), la velocidad es 1800 rpm y el rodamiento es un 7226 de bolas de contacto angular con una carga dinámica de 41,800 lbs (19,000 kg) sustituyendo en la fórmula tenemos:
8800 horas es aproximadamente un año completo de operación, y si para el ejemplo anterior deseamos una vida útil mínima de 20,000 horas, las 8400 horas son inaceptables. En este caso, dependiendo de la fuente de la información, podríamos montar en tándem un segundo rodamiento para aumentar la capacidad de carga en un 60-75%. Si somos conservadores y utilizamos el 60%, la ecuación se convierte en:
Si nos vamos a un rodamiento de empuje de rodillos esféricos como un 29426EJ, la carga dinámica es de 350,700 libras (159400 kg). Ajustando la fórmula, incluyendo el exponente de 10/3 utilizado para los rodillos tenemos:
Estos rodamientos también requieren una carga mínima, la cual es especialmente importante para los diseños de los rodamientos de rodillos (vea la Tabla 1). Si la expectativa es incrementar la vida L10 utilizando un rodamiento de más capacidad, puede que esto no sea lo más correcto. Por ejemplo, si hemos calculado 20.000 horas de vida para un rodamiento de bolas de contacto angular, de acuerdo con la ecuación, podríamos utilizar un rodamiento de rodillos esféricos y lograr una vida útil > 2.1x107 horas. Esto falla al no tener en cuenta que el rodamiento de rodillos esféricos tiene un requisito mínimo de carga que excede la carga de empuje proyectada. Si el cojinete de rodillos no tiene la carga adecuada, los rodillos no girarán correctamente y patinarán provocando el daño y fallo prematuro del rodamiento.
Retenedores de la jaula de los rodamientos
El retenedor de la jaula del rodamiento es muy importante. Habitualmente se emplean cuatro tipos: Plástico moldeado, acero prensado, bronce prensado y bronce mecanizado. Los más baratos son los de plástico moldeado y acero prensado, pero estos pueden ser ruidosos. Generalmente, los rodamientos más grandes que giran a velocidades ≥3000 rpm tienen jaulas de bronce mecanizadas. La jaula del rodamiento debe montarse sobre las bolas en lugar de instalarse en una de las pistas, de modo que el flujo de la lubricación no se vea obstaculizado. Vea la Figura 2. Al montar la jaula en cualquiera de las pistas, el lubricante no puede pasar fácilmente y lubricar los elementos rodantes y la pista sobre la cual está montada la jaula.
Es posible instalar en posición vertical con el eje hacia arriba o hacia abajo, motores con rodamientos rígidos de bolas (Conrad), ya que estos rodamientos son capaces de soportar cargas de empuje o cargas axiales aunque mucho menores que las que soportan los rodamientos de bolas de contacto angular o los rodamientos de empuje de rodillos esféricos. La fórmula de la Figura 3 define esta relación. Los factores X & Y se determinan por la relación entre la carga axial y la capacidad de carga estática básica indicada por el fabricante de los rodamientos. El valor de Y en la tabla típicamente es 2 - 4 veces mayor que el valor de X, por lo que la carga axial contribuye a la carga dinámica equivalente del rodamiento, en un orden de magnitud mayor que la carga radial.
Por lo tanto esto se acepta para cargas axiales moderadas, como el peso de una polea o un ventilador, si la carga dinámica equivalente del rodamiento cumple con la vida útil requerida. Sólo uno de los rodamientos del motor va a soportar la carga axial ya que el otro debe dejar el espacio requerido para la expansión térmica del eje. En casos especiales, como cuando el rodamiento del lado carga es de rodillos y no es capaz de soportar la carga de empuje, se debe diseñar el rodamiento lado opuesto carga para soportar la carga axial. El empuje puede ser aplicado en cualquier dirección dependiendo de la posición de montaje del motor. Si el motor está montado con el eje hacia arriba, la carga axial estará en el hombro del eje donde apoya el rodamiento y la tapa, por lo que la ubicación del rodamiento es segura. Si el montaje del eje es hacia abajo, se requiere un medio para asegurar el cojinete (por ejemplo, un anillo de retención o seeger) de tal forma que el rodamiento no pueda trabajar fuera del eje y la tapa cubre grasa deberá ser capaz de soportar el peso del rotor y la carga de empuje.
Cuando se utiliza un rodamiento de rodillos en el lado carga del motor no se debe montar un rodamiento de empuje en el lado opuesto carga. La fuerza radial, con el rodamiento de rodillos actúando como punto de apoyo, desplazará radialmente el rodamiento de empuje de contacto angular causándole daños.
Conclusión
Un diseño adecuado optimizará la vida de los rodamientos del motor. Si se considera hacer un rediseño, todos los factores deberán sopesarse cuidadosamente o de lo contrario no será posible obtener con el nuevo diseño la mejora requerida.
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