domingo, 19 de enero de 2020

JUEGO INTERNO EN RODAMIENTOS PARA GRANDES REDUCTORES DE VELOCIDAD



Por Eduardo Niño de Rivera


INTRODUCCIÓN
Ilustración 1
El juego interno es el espacio que queda entre el camino de rodaje de un anillo y el ensamble del otro anillo con sus elementos rodantes, y representa el movimiento relativo que puede darse entre ambos anillos. Dependiendo del tipo de rodamiento, el juego interno puede ser radial o axial, y tiene un papel importante en el desempeño suave, eficiente y duradero de los engranajes. Es por ello importante entender los criterios que se emplean para especificar el juego interno de los rodamientos y los efectos que la temperatura y los ajustes de montaje en ejes y alojamientos tienen en el juego interno efectivo en condiciones de operación. Si bien es esencial que se sigan los procedimientos adecuados en el manejo de los rodamientos, tema tratado en detalle en numerosos manuales publicados por fabricantes de estos componentes, también es importante que el personal de mantenimiento tenga conciencia del efecto que las prácticas de montaje y las temperaturas de operación tienen en el desempeño de los reductores de velocidad. Este artículo trata sobre el impacto que el juego interno en estado libre, los ajustes de ejes y alojamientos, las prácticas de montaje y las temperaturas de operación tienen en el juego interno efectivo durante la operación y sus implicaciones en el desempeño del reductor de velocidad. 



TIPOS DE RODAMIENTOS


Los rodamientos se pueden clasificar en base a la dirección de la carga que soportan, en radiales (A), axiales, (B) o de contacto angular (que soportan tanto cargas radiales como axiales, C) .

También pueden clasificarse por la forma de los elementos rodantes: bolas (A), rodillos cilíndricos (B), rodillos cónicos (C) y rodillos esféricos (D).


La descripción completa de un rodamiento incluye las dos clasificaciones anteriores, por ejemplo, rodamiento axial de rodillos cónicos.

JUEGO INTERNO
Al juego interno en rodamientos de contacto radial se le conoce como juego radial y es igual al movimiento relativo que puede haber entre el anillo interior y el exterior en la dirección radial (ilustración 1).

Ilustración 5
Se llama juego lateral o axial al desplazamiento posible del rotor en sentido axial.

Los rodamientos de bolas de contacto angular y los de rodillos cónicos tienen tanto juego interno radial como axial, directamente relacionados entre sí. El juego axial es el que se especifica con mayor frecuencia debido a que es más fácil de controlar en este tipo de rodamientos.

JUEGO INTERNO DE FÁBRICA.
El juego interno radial de rodamientos de bolas, rodillos cilíndricos y rodillos esféricos se establece al ensamblarlos en la fábrica. Es práctica común seguir la norma ISO 5753 con el código de clasificación, C:

Juego interno normal: C0
Juego interno menor al normal: C1 y C2
Juego interno superior al normal: C3, C4 y C5

EFECTOS DE LOS AJUSTES DE MONTAJE EN EL JUEGO RADIAL.
Las tolerancias de manufactura en los diámetros interiores y exteriores normalmente se especifican siguiendo la norma ISO 286 que establece las tolerancias mediante un código con una una letra y un número, las tolerancias para diámetros exteriores se designan con letras minúsculas y las de diámetros interiores con letras mayúsculas. Por ejemplo, una especificación m6 para un eje de 100 mm, que queda entre 80 y 120 mm, significa una tolerancia que va de +13 a +35 mm, es decir, el diámetro del eje quedará entre 100.013 y 100.035 mm. De igual manera, una especificación H7 para un agujero de 180 mm representa una tolerancia de +0/+35 mm o diámetro de agujero de 180.000/180.035 mm. (las mediciones deben hacerse con todos los componentes e instrumentos a 20°C)

Los ajustes reales en ejes y alojamientos para un rodamiento determinado quedarán dentro del rango permitido por las tolerancias de los componentes respectivos. Supongamos, por ejemplo, que se especifican tolerancias m6 para el eje y H7 para el alojamiento de un rodamiento de doble hilera de rodillos esféricos 23220, con diámetro de agujero de 100 mm (tolerancia -20/+0 micrómetros) y diámetro exterior de 180 mm (tolerancia -25/+0 micrómetros).

El ajuste entre el anillo exterior y el alojamiento quedará dentro del rango:
Agujero máximo
180.035

Agujero mínimo
180.000

Diámetro ext. mínimo.
179.985

Diámetro ext máximo
180.000

Ajuste de
    0.050
holgado
A
    0.000
holgado

El ajuste entre el eje y el anillo interior quedará dentro del rango:
Agujero máximo
100.000

Agujero mínimo
  99.980

Eje mínimo
100.013

Eje máximo
100.035

Ajuste de
   -0.013
(apretado)
A
   -0.055
(apretado)


Los ajustes holgados no tienen efecto alguno en el juego interno. Dependiendo del grosor del anillo, los ajustes apretados reducen el juego interno en un 50 a 80% del ajuste apretado cuando se montan en ejes sólidos o alojamientos gruesos. Los anillos de un rodamiento 23220 son de espesor medio por lo que podemos suponer una pérdida de juego interno equivalente al 60% del ajuste apretado, en este caso, de 7.8 a 33 micrómetros. Si suponemos, además que se ha especificado un juego interno C3, de 100 a 135 micrómetros en estado libre, el juego interno después del montaje será de 67 a 127.2 micrómetros.

Juego interno en el estado libre (C3): 100 a 135
Ajuste apretado en el eje (m6): 13 a 55
Pérdida de juego interno (60% del ajuste apretado): 7.8 a 33
Juego interno después de la instalación: 67 (100-33) a 127.2 (135 -7.8)
Dimensiones en micrómetros

ATENCIÓN: un ajuste holgado en anillos que giran respecto a la carga puede permitir que el anillo se deslice, girando sobre su eje o alojamiento y generando calor. En condiciones severas el incremento correspondiente en la temperatura puede alcanzar niveles que destruyen los rodamientos.

JUEGO LATERAL

RODAMIENTO DE UNA HILERA
El juego lateral para rodamientos de contacto angular de una hilera de bolas o de rodillos cónicos se establece al ensamblar el reductor de velocidad (ilustración 5):

1.       El eje completamente ensamblado, incluyendo los anillos exteriores (en México, se llama taza a los anillos exteriores de rodamientos cónicos) se coloca en la mitad inferior de una caja bipartida;
2.       Se fija uno de los platos laterales a la caja;
3.       Se fija el otro plato lateral (A en la ilustración 5) sin empaques o laminillas separadoras y se mide el hueco (C) entre la pared de la caja (B) y el plato (A); y,
4.       Se colocan suficientes laminillas separadoras para obtener el juego lateral deseado.
 

Cortesía of Horsburgh and Scott Co.

En este caso no es necesario considerar el impacto del ajuste apretado en los anillos interiores (o conos) en la reducción del juego interno porque el juego lateral se establece después de que los anillos han sido montados en su eje.

RODAMIENTOS DE DOBLE HILERA DE BOLAS O RODILLOS CÓNICOS

El espacio entre los anillos exteriores es la dimensión básica.
Se especifica el ancho del anillo separador para obtener el juego interno o precarga (con el ancho del separador menor al espacio original) deseados.


Los rodamientos de contacto angular pueden fabricarse en unidades de doble hilera con el juego interno establecido en la fábrica. Es más común, sin embargo, que se suministren juegos de rodamientos de contacto angular y de rodillos cónicos con juego lateral o la precarga controlados mediante el ancho de los anillos del rodamiento (Ilustración 10) o de los anillos separadores (ilustración de la izquierda).

PÉRDIDA DE JUEGO INTERNO DEBIDO A LA EXPANSIÓN TÉRMICA
El calor que se genera dentro de los rodamientos debido a la fricción de rodaje, normalmente se disipa en el ambiente o es eliminado mediante alojamientos enfriados por agua. Por lo tanto, los ejes generalmente trabajan a temperaturas más elevadas que los alojamientos. Esta diferencia de temperaturas se refleja en una pérdida de juego interno en operación.

Igualmente, cuando la transmisión se encuentra a temperatura de operación, la caja está más fría que los ejes, lo que implica que los ejes habrán experimentado una mayor expansión longitudinal que la caja. Si los ejes están soportados por rodamientos que solamente pueden aceptar cargas axiales en un solo sentido, como los rodamientos axiales o rodamientos de una hilera, ya sean de contacto angular o de rodillos cónicos, los anillos exteriores quedarán fijos a sus alojamientos y habrá una pérdida en el juego lateral del sistema (Ilustración 5).



Los ejes también pueden estar montados en rodamientos que pueden soportar cargas axiales en ambas direcciones, como los rodamientos axiales de doble acción o los rodamientos de contacto angular de doble hilera, ya sean de bolas, rodillos cónicos o rodillos esféricos. Tratándose de engranes helicoidales soportados por este tipo de rodamientos, un rodamiento deberá quedar fijo al alojamiento para soportar las cargas axiales en ambas direcciones y el otro rodamiento debe tener posibilidad de desplazarse en el sentido axial para aceptar la diferencia de expansiones longitudinales entre los ejes y la caja (montaje flotante).

La forma de los dientes de doble hélice obliga a los engranes a mantener la posición relativa entre sí, por lo tanto, solamente puede haber un rodamiento fijo para todo un tren de engranajes y los demás rodamientos deben poder desplazarse lateralmente para permitir que los engranes encuentren su posición natural.

NOTA: ocasionalmente, los ejes de engranajes que generan cargas axiales pequeñas pueden ser soportados por rodamientos radiales de una hilera de bolas o de rodillos esféricos que soportan cargas axiales limitadas. Estos rodamientos pueden montarse con un rodamiento fijo y el otro flotante, o, si la separación entre los rodamientos es pequeña, con ambos rodamientos fijos.

PRECARGA.



En lugar de juego interno, los rodamientos pueden tener una interferencia entre las pistas y los elementos rodantes, llamada precarga (juego interno negativo). Esta condición puede crearse en el ensamble o puede ser el resultado de la diferencia en la expansión térmica entre un eje y el alojamiento respectivo. Los rodamientos de precisión se suministran como conjuntos con una precarga establecida en la fábrica. Estos juegos deben mantenerse como unidades ya que, si se combinan componentes de diferentes conjuntos, queda una precarga diferente a la que se estableció en la fábrica, deteriorando el desempeño de los engranes y disminuyendo la vida útil de los rodamientos.






RELACIÓN ENTRE EL JUEGO INTERNO Y EL DESEMPEÑO DE LOS ENGRANAJES
A medida que se incrementa el juego interno, también se incrementa la posibilidad de movimiento interno entre los componentes de los rodamientos. Esta condición puede afectar adversamente la vida útil de los engranajes y puede presentar problemas para aplicaciones en que hay cargas oscilantes o vibraciones, especialmente a altas velocidades.

IMPACTO EN LA VIDA ÚTIL DE LOS RODAMIENTOS


Si el juego interno es amplio (I), un número muy limitado de elementos rodantes soporta toda la carga, provocando esfuerzos de contacto elevados en las pistas y los elementos rodantes. A medida que el juego interno disminuye (II – III) incrementa el número de elementos rodantes que soportan la carga, incrementando el área de contacto o zona de carga. Los esfuerzos de contacto disminuyen y se incrementa la vida útil del rodamiento. Esta tendencia se mantiene hasta llegar a un estado de precarga ligera (IV). A precargas mayores, los esfuerzos provocados por la misma precarga reducen drásticamente la vida útil del rodamiento (V). Desafortunadamente, es prácticamente imposible predecir con exactitud el juego interno de un rodamiento en operación y tratar de alcanzar esta precarga ideal con una zona de carga poco mayor a los 180° (IV) conlleva el riesgo de crear una zona de carga de 360° con la respectiva falla prematura (V). Por esta razón, con excepción de aplicaciones de alta precisión o velocidad, la práctica común es operar con poco juego interno y zona de carga entre 90° y 120° (III).

PRACTICAS DE MONTAJE
La mayoría de los fabricantes de reductores de velocidad entregan manuales de mantenimiento con procedimientos de montaje que deben seguirse minuciosamente para cada rodamiento. Los siguientes comentarios, sin embargo, son lineamientos generales que pueden hacer más fácil, productivo y seguro el manejo de rodamientos de gran tamaño.

INSPECCIÓN PREVIA:
·         Las tolerancias en diámetros de ejes y alojamientos deben estar dentro de especificación;
·         Las superficies de ejes y alojamientos deben cumplir con las tolerancias de redondez y rectitud. Las dimensiones deben verificarse en ángulos de 0°, 45°, 90° y 135°, y en cuatro lugares a lo largo de la superficie de asiento;
·         Los ejes y barrenos deben estar limpios y libres de mellas, bordes filosos, rebaba u óxido;
·         Los chaflanes y radios de las esquinas deben estar dentro de especificación;
·         Los resaltes de apoyo para los rodamientos deben estar perpendiculares al eje y deben tener la altura correcta; y,
·         Los rodamientos deben cumplir con las especificaciones de la aplicación (número de parte completo).


MONTAJE DE ANILLOS INTERIORES CON AJUSTE APRETADO:
·         Es necesario calentar los rodamientos grandes que serán montados con ajuste apretado, ya sea en baño de aceite, horno de inducción, a flama o en un horno:
o   Deben seguirse los protocolos de cuidado ambiental y de seguridad de la planta;
o   La temperatura en ningún punto del rodamiento debe sobrepasar 110°C; y,
o   La temperatura debe ser pareja en todo el interior del rodamiento, lo que puede requerir de varias horas de calentamiento para rodamientos grandes;
·         Se requieren herramientas adecuadas para manejar piezas grandes a alta temperatura;
·         El montaje debe hacerse con movimiento rápido, pero con cuidado. El montaje es sencillo si se hace adecuadamente, pero puede ser muy complicado desmontar un rodamiento que se ha quedado pegado en posición sesgada o fuera de lugar; y,
·         Mantener presión sobre el rodamiento en contra de las superficies de respaldo hasta que se haya enfriado, esto evita que se salga de la posición correcta mientras está cliente;

CONCLUSIÓN.
Los rodamientos son componentes de alta precisión que deben manejarse adecuadamente y deben ser montados en ejes y alojamientos que cumplan con las especificaciones de diseño. El juego interno es una especificación importante porque tiene un impacto directo en la operación suave y en la vida útil de los engranes y rodamientos. Los rodamientos pueden suministrarse ensamblados con un juego interno establecido por el fabricante o pueden requerir que el juego interno se establezca durante el ensamble del reductor de velocidad.  El juego interno en operación es el resultado de la reducción del juego interno en estado libre debido a los ajustes apretados entre rodamientos y ejes o alojamientos, y a las diferencias en la expansión térmica entre ejes y alojamientos. La máxima vida útil y suavidad de movimiento en rodamientos se alcanza cuando trabajan con una precarga ligera, sin embargo, tratar de alcanzar esta condición conlleva el riesgo de quedar con una precarga exagerada, que reduce drásticamente la vida útil de los rodamientos. Por lo tanto, la práctica más conservadora y más ampliamente usada es procurar que los rodamientos trabajen con juego interno que resulte en una zona de carga entre 90° y 120°. Lograr este propósito requiere cumplir con las especificaciones para todos los componentes y seguir procedimientos adecuados de preparación, inspección y montaje de todos los componentes mecánicos del reductor de velocidad.

REFERENCIAS:
Arvid Palmgren, Ball and Roller Bearing Engineering, SKF Industries.
Horsburgh and Scott, Enclosed Gear Maintenance Manual, Section 7, Bearing Adjustment
Timken Company Engineering Manual