Los rodamientos son parte integral de los motores eléctricos. Diseñados no solo para soportar el rotor, sino que también ayudan a mantener un entrehierro suficiente entre el estator y el rotor, a la vez que transfieren la carga del eje a la carcasa del motor. En motores eléctricos pequeños, las averías de los rodamientos suelen solucionarse sustituyendo el motor completo. En motores más grandes, la sustitución es más costosa que la reparación. Por lo tanto, las averías de los rodamientos suelen provocar un tiempo de inactividad considerable, lo que se traduce en una costosa pérdida de productividad. Para mantener un rendimiento óptimo de los rodamientos y evitar averías, es muy recomendable utilizar rodamientos de la mejor calidad disponible, junto con accesorios de protección como sellos y anillos de puesta a tierra para ejes, para que puedan soportar cualquier estrés ambiental.
Factores que afectan el rendimiento de los rodamientos
El rendimiento de los rodamientos debe ser suficiente para que el motor funcione correctamente tanto a altas como a bajas velocidades. Sin embargo, los diseñadores de motores eléctricos también deben tener en cuenta la fricción para reducir el consumo de energía. Asimismo, deben considerar el rendimiento de los rodamientos al considerar los requisitos para aplicaciones específicas del motor. Esto suele incluir determinar las limitaciones de los distintos tamaños y tipos de rodamientos. El rendimiento también debe garantizar que el diseño considere aspectos económicos como el coste de fabricación y mantenimiento del motor.
Un rendimiento deficiente de los rodamientos puede provocar fallos, que pueden deberse a:
- Sobrecarga: Cuando se somete a cargas extremas que superan la capacidad de diseño de un rodamiento, el rendimiento se ve afectado y las piezas se desgastan con mayor rapidez debido a factores como un par excesivo, altas velocidades de funcionamiento o cambios repentinos en la carga.
- Desalineación: Con vibraciones excesivas causadas por la desalineación del rodamiento, el rendimiento se ve afectado y aumenta la tensión en el motor, lo que puede provocar fallos por fatiga.
- Lubricación inadecuada: Una cantidad insuficiente o excesiva, o una mala calidad del lubricante, provoca un rendimiento deficiente del rodamiento debido al exceso de fricción, lo que puede provocar sobrecalentamiento y, por consiguiente, un fallo prematuro del motor.
- Instalación incorrecta: Cuando no se instala correctamente, las fuerzas desiguales causan cargas excesivas, lo que resulta en un peor rendimiento del rodamiento debido al deterioro prematuro, a menudo provocado por el sobrecalentamiento.
- Altas temperaturas: Durante el funcionamiento, los motores eléctricos generan calor que provoca expansión térmica y, por encima de una temperatura crítica, la degradación del lubricante, lo que afecta negativamente al rendimiento y la vida útil del rodamiento. Corriente eléctrica: Factores como la estática, el control del variador de frecuencia (VFD) y una conexión a tierra inadecuada pueden generar voltaje errático donde no debería haberlo, lo que afecta el rendimiento de los rodamientos cuando el voltaje se descarga formando un arco eléctrico a través de los rodamientos, causando picaduras en sus superficies y degradando el lubricante.
- Contaminación: Los residuos, la suciedad, el polvo y otros contaminantes pueden afectar el rendimiento de los rodamientos al causar mayor abrasión y desgaste.
- Envejecimiento: Como cualquier componente móvil de un dispositivo mecánico, los rodamientos se ven afectados por el desgaste debido al paso del tiempo, lo que puede provocar una mayor fricción y niveles de ruido más altos, lo que eventualmente puede provocar una avería.
Los tres factores principales que afectan el rendimiento de los rodamientos son la fricción, la lubricación y la temperatura.
Cómo afecta la fricción al rendimiento de los rodamientos
La fricción provoca desgaste en cualquier pieza móvil de un motor, incluidos los rodamientos. La reducción del rendimiento debido a la fricción es solo una parte de la ecuación, ya que un exceso de fricción durante períodos prolongados puede dañar gravemente los equipos y sistemas. Si bien el rendimiento de los rodamientos debe considerar cierta cantidad de fricción durante su funcionamiento, es importante elegir los rodamientos adecuados para cada aplicación a fin de limitar la fricción.
La fricción se produce cuando hay interacción entre los componentes de un rodamiento. El rendimiento depende de las interacciones entre la pista interior (anillo), la pista exterior, el retén, los elementos rodantes y el sello o la protección. La fricción se produce siempre que el rodamiento gira, pero también existe fricción estática cuando está en reposo. El par necesario para superar esta fricción estática e iniciar la rotación se denomina par de arranque. El par de arranque suele aumentar cuando se utilizan rodamientos más grandes o aumenta la carga.
Los ingenieros deben considerar dos tipos de fricción al analizar el rendimiento de los rodamientos:
- Fricción estática: También conocida como fuerza de arranque, este tipo de fricción debe superarse para que se produzca movimiento entre dos superficies. La fuerza (o par, en un sistema giratorio) necesaria para superar la fricción estática es mayor que la necesaria para mantener el movimiento.
- Fricción dinámica: Es la fuerza (par) necesaria para mantener el movimiento entre superficies una vez que un objeto comienza a moverse (rotar).
La cantidad de fricción que experimenta un rodamiento generalmente está relacionada con su lubricación.
Cómo afecta la lubricación al rendimiento de los rodamientos
Una lubricación adecuada mantiene el rendimiento óptimo de los rodamientos y prolonga su vida útil. El rendimiento de un motor eléctrico depende de la correcta lubricación de los rodamientos. Los lubricantes forman una película protectora que separa los contactos de rodadura para evitar el contacto directo entre los componentes metálicos. Este contacto genera fricción y calor que desgastan prematuramente el rodamiento. Los problemas de rendimiento causados por la corrosión también se mitigan mediante el uso de lubricantes. Por estas razones, es importante utilizar el lubricante más adecuado para la aplicación.
Los lubricantes deben seleccionarse en función de factores como:
- Niveles de vibración
- Orientación del eje
- Eficacia del sellado
- Temperatura de funcionamiento
- Rango de velocidad
- Carga
- Condiciones generales de funcionamiento
- Factores ambientales
- Necesidades de refrigeración
- Tamaño y tipo de rodamiento
La duración de un lubricante también depende de algunas o todas estas consideraciones. Los principales factores que afectan el rendimiento de los rodamientos incluyen el tipo de rodamiento y lubricante, la velocidad y orientación del motor, y la temperatura de funcionamiento del rodamiento. Por ejemplo, los rodamientos de rodillos requieren lubricación a intervalos más cortos que los rodamientos de bolas.
Normalmente, la vida útil del lubricante en rodamientos de bolas más pequeños tiende a superar la vida útil del motor, por lo que a menudo no requieren lubricación adicional. En el caso de rodamientos más grandes, el rendimiento depende de una relubricación regular y adecuada. (Un exceso de lubricante es casi tan perjudicial para los rodamientos como una deficiencia). Otras condiciones, como la contaminación, el entorno operativo y los sistemas de sellado, también afectan el rendimiento de los rodamientos.
Es fundamental contar con suficiente lubricación para reducir la pérdida de par por fricción en un rodamiento. El rendimiento se garantiza manteniendo las superficies de los rodamientos correctamente lubricadas para que permanezcan separadas, lo que reduce la fricción y prolonga la vida útil del equipo. También es importante recordar que la composición, la temperatura y la viscosidad del lubricante afectan el rendimiento de los rodamientos. Generalmente, los motores que deben mover cargas pesadas requieren lubricantes más viscosos, mientras que las aplicaciones de alta velocidad necesitan lubricantes con viscosidades más bajas.
Cómo afecta la temperatura al rendimiento de los rodamientos
La temperatura también juega un papel importante en el rendimiento de los rodamientos, ya que las temperaturas más altas degradan los lubricantes y disminuyen su utilidad. Al diseñar motores eléctricos, comprender el rango normal de temperaturas de funcionamiento y ambientales en el que operan ayuda a determinar el mejor método de refrigeración. Si bien los lubricantes pueden ayudar a mantener los motores fríos (al reducir el calor generado por la fricción), también se puede utilizar aire o agua para la refrigeración.
El rendimiento de los rodamientos tiende a ser máximo dentro de un rango de temperatura normal durante su funcionamiento. En el caso de los rodamientos de motores eléctricos, este se encuentra entre 71 °C y 110 °C (160 °F y 230 °F). Para un rendimiento constante de los rodamientos, los lubricantes deben tener un buen rendimiento en todo este rango de temperaturas, aunque existen lubricantes de alta temperatura capaces de soportar temperaturas más altas. Cuando la temperatura ambiente difiere significativamente de la temperatura de funcionamiento de un rodamiento del motor, es importante comprobar la holgura interna del rodamiento y ajustarla para evitar una holgura excesiva, un procedimiento denominado precarga.
En la mayoría de los casos, la temperatura de los rodamientos comienza a aumentar rápidamente una vez que el motor arranca y continúa aumentando hasta alcanzar una temperatura determinada. En este punto, la temperatura de los rodamientos se mantiene estable y constante. El tiempo necesario para alcanzar esta temperatura de funcionamiento estable depende de diversas circunstancias, como la capacidad térmica y la conductividad de la carcasa del rodamiento y del eje del motor, la cantidad de calor generado y el tipo de lubricante utilizado.
Si bien la temperatura de funcionamiento ideal varía según el rodamiento y la aplicación, seleccionar el rodamiento adecuado para cada tarea es crucial. El rodamiento debe ser capaz de soportar las temperaturas de funcionamiento cuando el motor está en funcionamiento. Su rendimiento depende del equilibrio entre la velocidad de producción y la velocidad de disipación del calor.
Efectos Combinados de Fricción, Lubricación y Temperatura
Estos tres factores (fricción, lubricación y temperatura) se combinan para afectar el rendimiento del rodamiento. La fricción y la viscosidad del lubricante actúan conjuntamente para aumentar la temperatura del rodamiento. El calor se disipa en el eje y la carcasa del rodamiento, y el lubricante ayuda a estabilizar las temperaturas de funcionamiento. Un exceso de lubricante puede afectar negativamente el rendimiento del rodamiento al provocar un aumento de la temperatura; sin embargo, como regla general, el lubricante debe llenar entre el 25 % y el 35 % del espacio vacío en el rodamiento. SKF cuenta con una fórmula ampliamente utilizada para calcular el volumen adecuado de grasa según el tamaño del rodamiento.
Las diferencias significativas de temperatura entre la pista interior y la exterior reducen el juego del rodamiento. Esto supone un problema durante el funcionamiento a velocidad constante y, especialmente, poco después del arranque. Por lo tanto, un aumento de temperatura mayor afecta la vida útil del rodamiento, razón por la cual el uso de lubricantes de mayor calidad puede ayudar a prolongar la vida útil de un motor.
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