por Andy Page, de GP Allied
El buen estado de los rodamientos es fundamental para el buen funcionamiento general de las máquinas y de toda la planta. Se podría decir que los rodamientos son los «chivos expiatorios» de una máquina rotativa. En muchas máquinas, su relación con los rodamientos es muy parecida a la que tienen las pilas con un mando a distancia. Siempre que se cambien antes de que fallen o causen daños en otras piezas, la máquina debería tener una vida útil decente. Claro que los rodamientos no son lo único que se desgasta, se cansa y falla, pero sí representan la mayor parte de las causas principales de avería en muchas máquinas rotativas.
Sin embargo, hay muchos conceptos erróneos muy extendidos —sobre todo suposiciones incorrectas sobre cuánto tiempo debería durar un rodamiento y qué se considera un desgaste «adecuado»— que hacen que los rodamientos se desgasten demasiado rápido (o, al contrario, que se cambien cuando no hace falta). Por ejemplo, algunos técnicos de mantenimiento siguen un programa fijo por el que se sustituyen los rodamientos cada 1 o 2 años, o creen que los rodamientos que solo duran entre 1 y 2 años ya han «cumplido su función».
Sin embargo, hay formas mucho mejores de saber cuándo hay que cambiar un cojinete, y uno de los métodos más fiables consiste en detectar la presencia de fatiga subyacente.
Al comprender los factores que contribuyen a este proceso y lo aceleran, el personal de la planta tendrá unas expectativas más realistas sobre el estado y los ciclos de vida de los rodamientos, y estará bien preparado para pasar del mantenimiento reactivo al mantenimiento basado en el estado de la maquinaria y, por lo tanto, lograr una mayor fiabilidad.
El papel de la lubricación
Para entender cómo la fatiga subyacente provoca fallos en los rodamientos, primero tenemos que entender el papel que juega la lubricación. ¿Se está usando el lubricante o la grasa adecuados? ¿Se está almacenando correctamente? ¿El lubricante está libre de impurezas? Si la respuesta a cualquiera de estas preguntas es «no», el rodamiento va a tener problemas.
Cuando se usa el tipo y la cantidad adecuados de lubricante, el rodillo nunca toca la pista. Sin embargo, si se usa un tipo o una cantidad incorrectos, el rodamiento se dañará. Te explico por qué.
Los lubricantes y las grasas no son compresibles, pero un aumento de la presión sí provoca un cambio en una de las propiedades físicas del lubricante… su viscosidad. Así que, para cualquier lubricante, a medida que la presión sube, la viscosidad también sube: no solo un poco, sino de forma exponencial. Cuando la presión llega a los 200 000 psi, el lubricante llega a ser más duro que el metal del cojinete. A medida que la molécula de lubricante entra en la zona de carga, la presión sobre ella aumenta. Como se resiste a la compresión, se forma una cuña de aceite.
A medida que la cuña de aceite pasa por la zona de carga, la superficie de la pista que está debajo del rodillo y de la cuña de aceite se comprime. A medida que la cuña se desplaza más allá de este punto, la superficie de la pista se descomprime. La fuerza que hay debajo de la bola o del rodillo se puede representar mediante el modelo de tensión de Hertz. (Gráficos 1 y 2) La fuerza justo debajo del rodillo es la más intensa, mientras que la fuerza a la izquierda y a la derecha del rodillo es menor. Como resultado, cada rodillo arrastra consigo un «cono de tensión» mientras gira alrededor de la pista interior y dentro de la pista exterior, concretamente al atravesar la zona de carga.
A medida que los rodillos avanzan por la zona de carga, arrastran consigo esa concentración de tensión, y el ciclo de compresión y liberación continúa hasta que el material alcanza sus límites de carga por fatiga. Imagínate doblar una y otra vez una percha o un peine «irrompible». Al final, el ciclo de compresión y liberación empezará a comprometer la integridad del material, y este se romperá.
Echa un vistazo a los cálculos que aparecen a continuación y piensa cuántas veces se repite este ciclo de compresión y liberación en un día.
- Imagina un eje que gira a 1.775 rpm, lo que equivale a unos 29,6 ciclos de rotación por segundo.
- Por ejemplo, en un rodamiento determinado, en una vuelta completa de la pista interior, 8,193 bolas o rodillos pasarán por un mismo punto.
Por lo tanto, en un periodo de 24 horas, ese punto de la zona de carga se comprime y se libera 21 millones de veces, y a lo largo de un año, se comprime y se libera 7.6 mil millones de veces.
Ahora, piensa que los cojinetes deberían durar entre 8 y 12 años, y multiplica 7.6 mil millones por 8 (una estimación conservadora de la vida útil de los cojinetes), y verás que el número de ciclos de compresión y relajación es astronómico. Al final, el cojinete llega a su límite de carga por fatiga. La primera manifestación de este deterioro gradual se llama fatiga subsuperficial.
La primera señal de que algo va mal
La fatiga subsuperficial es exactamente lo que parece: pequeñas grietas, normalmente de unas 5-6 micras de profundidad, que se pueden ver a simple vista una vez que se ha quitado, desmontado y limpiado el rodamiento. La prueba de esta fatiga subsuperficial es la decoloración que se observa en las pistas exterior e interior. La fatiga subsuperficial es el primer indicio de que un rodamiento está a punto de sufrir una rotura por fatiga.
Con el tiempo, estas grietas microscópicas acabarán por conectarse entre sí, lo que provocará una fatiga «avanzada» en el interior del material.
Aunque este desgaste todavía no se ve ni se nota, la energía que desprende la fatiga es de frecuencia ultraalta, así que los instrumentos de ultrasonidos la detectan muy bien. El análisis de vibraciones también ayuda a identificar este fenómeno, como se puede ver en este análisis, que muestra cómo la fatiga va avanzando a lo largo de tres meses.
A medida que avanza la fatiga subyacente, las grietas microscópicas acaban uniéndose y empiezan a desprenderse de la pista trozos de metal anchos y finos. En este punto, el daño se nota y se oye. A esto se le llama desprendimiento.
Una vez que empieza el desprendimiento, se acelera muy rápido. El área de contacto se hace mucho mayor y la presión se vuelve más inestable. Por eso, a la cuña de lubricante le cuesta mantener su forma y las superficies ya no pueden seguir separadas. Entonces, el desprendimiento se acelera bastante rápido.
Cualquier cosa que afecte a la carga radial y axial del tren de transmisión acelera este proceso, incluyendo lo siguiente:
- Desequilibrio
- Desalineación
- Correas trapezoidales demasiado apretadas
- Tornillos rotos
- Tornillos sueltos
- Soldaduras rotas
- Sobrecargar las máquinas
- Máquinas que van demasiado rápido
- Máquinas de carga de impacto
Teniendo en cuenta todos los problemas que causa la fatiga subyacente, es fácil ver las ventajas económicas de poner en marcha un plan para detectarla y prevenirla. El ultrasonido, el análisis de aceite, el análisis de vibraciones, el infrarrojo y el análisis de circuitos del motor son muy útiles para ello. Ningún método de inspección por sí solo puede detectarlo todo, pero, combinadas, estas tecnologías son muy eficaces a la hora de detectar los primeros indicios de fallo en los rodamientos.
Conclusión
Los rodamientos no están hechos para durar para siempre, y la fatiga subyacente y otros mecanismos de fallo son inevitables. Sin embargo, si usas la combinación adecuada de tecnologías para detectar esos mecanismos de fallo —y, lo que es más importante—, si entiendes lo importante que es detectar los defectos a tiempo, las plantas pueden contar con un programa de mantenimiento más fiable y predecible y evitar costosas sustituciones prematuras de rodamientos.
Si quieres más información, recursos y soluciones sobre la fatiga subyacente y otros tipos de fallos en los rodamientos, echa un vistazo a www.uesystems.com y www.gpallied.com.
Entonces, ¿cuánto tiempo deberían durar los rodamientos?
Como ya se ha dicho al principio de este artículo, a veces se cambian los rodamientos cuando aún funcionan perfectamente. Esto se debe, en parte, a que muchos técnicos de mantenimiento no saben cuánto tiempo se puede esperar razonablemente que dure un rodamiento, lo que supone un gran obstáculo para la fiabilidad y la optimización. Si le preguntaras a un grupo de profesionales: «¿Cuánto duran los rodamientos?», obtendrías respuestas de lo más variadas, que irían desde un par de años hasta «para siempre».
Si se les da un mantenimiento adecuado, la mayoría de los rodamientos deberían durar entre 8 y 12 años aproximadamente. La vida útil de los rodamientos se expresa mediante un concepto llamado «vidaL10 ».
La vida útilL10 es el tiempo durante el cual, aproximadamente, el 90 % de los rodamientos de una población lo suficientemente grande, en condiciones similares, seguirán funcionando. El «10» deL10 se refiere al 10 % de los rodamientos que no alcanzarán la vida útilL10. La vida útil de un rodamiento debería ser aproximadamente cinco veces la vidaL10 calculada (de nuevo, como regla general, suele rondar entre los 8 y los 12 años). Consulta las especificaciones del fabricante para obtener más información y hacerte una idea más clara de cuánto tiempo deberían durar razonablemente tus rodamientos.