El pequeño ajuste que hace una gran diferencia
Las bombas centrífugas se encuentran entre los dispositivos más utilizados para transferir fluidos en aplicaciones industriales. Aunque su diseño es bastante robusto, las bombas centrífugas suelen sufrir fallas mecánicas debido al desgaste excesivo de los sellos, daños por deslizamiento en los cojinetes y/o fallas en la jaula de los cojinetes. Este artículo explora estos tres modos de falla y, mediante el uso de un software de cálculo de cojinetes patentado, explica cómo el juego axial adecuado de los cojinetes puede mitigar estos problemas para extender la vida útil de los cojinetes y, en última instancia, de la bomba misma.
Mirando dentro de una bomba de fluido centrífugo, se pueden encontrar dos posiciones de cojinete separadas. La posición frontal más cercana al impulsor suele ser el rodamiento libre que reacciona a las cargas radiales del sistema. Un rodamiento de bolas de ranura profunda o un rodamiento de rodillos cilíndricos se usa más comúnmente para este propósito. La posición trasera suele ser el par de cojinetes de ubicación axial, que establece la holgura del extremo axial y reacciona a la carga axial y radial. La mayoría de las bombas centrífugas emplean un rodamiento de bolas de contacto angular de doble hilera (DRACBB), un par de rodamientos de bolas de contacto angular (ACBB) o un par de rodamientos de rodillos cónicos.
IMAGEN 1: Disposición típica de rodamientos dentro de una bomba centrífuga (Imágenes cortesía de Schaeffler Group USA Inc.)
Modos de fallo
Como se mencionó anteriormente, los tres modos de falla comunes en las bombas centrífugas son el desgaste del sello, el daño por deslizamiento en los cojinetes y la fractura de la jaula del cojinete. El primero de estos modos de falla, el desgaste excesivo del sello, es causado por una desviación del eje principal, lo que aumenta la fuerza de contacto del sello contra el eje, desgastando prematuramente el material del sello. La reducción de esta deflexión del eje extenderá la vida útil del sello, lo que conducirá a una vida útil más larga del sistema para la bomba.
El segundo modo de falla común para las bombas centrífugas (daños por deslizamiento en los cojinetes) es causado por una carga insuficiente en uno de los cojinetes de ubicación. Debido a que la fuerza axial de la bomba generalmente solo actúa en una dirección, solo uno de los cojinetes de ubicación toma la mayor parte de la carga mientras que el otro cojinete se usa para soportar cualquier carga radial adicional y momento de vuelco. Según las condiciones de funcionamiento, esto puede provocar la descarga de un rodamiento, por lo que los elementos rodantes tienden a girar fuera de su eje en lugar de rodar en la dirección prevista en la pista de rodadura. Los ACBB y DRACBB son especialmente vulnerables a este mecanismo en condiciones de carga ligera. Además, la fuerza centrífuga ejercida sobre las bolas mientras están fuera de la zona de carga puede exacerbar aún más el cambio en el ángulo de contacto que experimenta el rodamiento. Este giro adicional conduce a un fenómeno conocido como derrape, que se puede reconocer por las huellas de deslizamiento en la pista de rodadura y los elementos rodantes. Reducir la holgura o incluso precargar los cojinetes de posicionamiento puede ayudar a evitar este modo de falla.
El deslizamiento también puede provocar la fractura de la jaula, el tercer modo de falla común para las bombas centrífugas. Dentro de un rodamiento con carga ligera, la zona de carga constituye una porción más pequeña de la pista de rodadura. Esto puede hacer que los elementos rodantes en la cavidad de la jaula del rodamiento desaceleren o frenen cuando ingresan a la zona descargada en las cavidades de la jaula y luego aceleran cuando vuelven a ingresar a la zona de carga y comienzan a girar normalmente nuevamente. Si estas aceleraciones y desaceleraciones son lo suficientemente drásticas o frecuentes, entonces la jaula puede experimentar fatiga y eventualmente fracturarse en el bolsillo como resultado de las tensiones más altas de lo normal.
IMAGEN 2: Deflexión del sello en diferentes ajustes de juego axial del rodamiento (mostrado en BEP)
Análisis
Para investigar estos modos de falla, un fabricante de cojinetes seleccionó una bomba provista por el usuario y monitoreó el desplazamiento en el sello, la relación balanceo/giro de las bolas y la aceleración de la jaula en un punto de mejor eficiencia (BEP). Para simular las condiciones normales de funcionamiento, todos los casos de carga se ejecutaron a 1780 rotaciones por minuto (rpm) con un diferencial de temperatura de 10 C (50 F) entre el anillo interior y el exterior. Se simularon tres pares diferentes de ACBB de la serie 7313 en la posición de localización en las condiciones antes mencionadas con diferentes rangos de espacio libre. Todos los pares probados eran de diseño universal (diseñados para usarse como un par en disposición X u O) y presentaban las siguientes clases de juego: UA (juego axial pequeño), UB (juego axial más pequeño que UA) y UO (juego libre) . La holgura en el rodamiento delantero de la serie 6313 se estableció en holgura normal (CN) para todos los cálculos. En función de la carga proporcionada, el cojinete del lado del motor en el par de ubicación soporta la carga axial en el sistema, mientras que el cojinete del lado del impulsor soporta cualquier carga radial y cargas de momento de vuelco.
Usando estos parámetros de prueba y tres pares diferentes de ACBB, el desplazamiento del eje en la ubicación del sello fue la primera condición que se investigó. Estas desviaciones se pueden ver en la Imagen 2. Con un BEP del 0 %, el par de ACBB con holgura UA resultó en el mayor desplazamiento del eje. Mientras tanto, los cojinetes con espacio libre UB se desviaron 13 micrómetros (µm) menos que las versiones con espacio libre UA, mientras que el par de cojinetes con espacio libre UO se desviaron 27 µm menos que el par UA en la ubicación del sello. Se observaron resultados similares al 25 % de BEP: el par de espacio libre UB se desvió 11 µm menos que el par UA, mientras que el par de espacio libre UO se desvió 24 µm menos que el par UA en la ubicación del sello.
Aunque se observaron resultados similares al 50 % de BEP, cabe señalar que la deflexión general del eje disminuye a medida que aumenta el BEP. El par de ACBB con espacio libre UB se desviaron 2 µm menos que el par UA, mientras que los cojinetes con espacio libre UO se desviaron 4 µm menos que el par UA en la ubicación del sello. Al 75% y 100% BEP, el par UA se desvió menos que los rodamientos UB y UO. Con un BEP del 75 %, los cojinetes con espacio libre UB se desviaron 1 µm más que los cojinetes con espacio libre UA, mientras que el par UO se desvió 2 µm más que el par UA en la ubicación del sello.
De manera similar, los cojinetes con espacio libre UB se desviaron 2 µm más que el par UA al 100 % de BEP, mientras que los cojinetes con espacio libre UO se desviaron 3 µm más que el par UA en la ubicación del sello.
Solo hay diferencias marginales en la deflexión en un rango de BEP más óptimo, pero hay una ventaja en un BEP más bajo con respecto a minimizar el desgaste del sello debido a una menor deflexión del eje.
IMAGEN 3: Relación balanceo/giro en función del juego axial del rodamiento
Después del análisis de la deflexión del eje, la siguiente condición a investigar fue la relación balanceo/giro. Una relación balanceo/giro superior a 0,5 se ha relacionado con una mayor probabilidad de daños por deslizamiento en los rodamientos, aunque esto puede depender de la lubricación del sistema. Para esta parte del análisis, se monitorearon los rodamientos en las ubicaciones del lado del motor y del impulsor, y se puede ver una salida completa de resultados en la Imagen 3.
Con respecto al par de cojinetes de holgura UA, la relación balanceo/giro es superior a 1,1 para todos los casos BEP en el cojinete del lado del impulsor; esto indica que es probable que patine. Si bien el rodamiento del lado del motor funciona mejor una vez que se aumenta el BEP, es probable que patine cuando se opera por debajo del 50 % del BEP. Mientras tanto, el cojinete del lado del impulsor del par UB mostró una relación de balanceo/giro superior a 0,9 para todos los casos de BEP, lo que nuevamente indica que es probable que patine. El derrape sigue siendo una preocupación con 0 % BEP y 25 % BEP en el rodamiento del lado del motor; la condición de patinaje está en el límite al 50% BEP. Finalmente, el cojinete del lado del impulsor del par de cojinetes con juego UO mostró una relación de balanceo/giro superior a 0,6 para todos los casos de BEP. Esto indica que el patinaje sería probable a 0 % BEP y 25 % BEP; a mayor BEP, la condición de derrape está en el límite.
IMAGEN 4: Diferencia de velocidad de la jaula en función del juego axial del rodamiento
Con respecto al tercer modo de falla común para las bombas centrífugas, la falla de la jaula de cojinetes, la variación de la velocidad de la jaula de los cojinetes mostró resultados similares a la condición de balanceo/giro. Esto se determinó calculando la velocidad orbital de cada bola en los bolsillos de la jaula y luego usando la variación entre los valores máximo y mínimo para generar la diferencia de velocidad de la jaula que se ve en la imagen 4.
Dado que las mayores diferencias de velocidad de la jaula ejercen más presión sobre los bolsillos, esta condición puede provocar fracturas. Según la Imagen 4, el par de rodamientos con espacio libre UA exhibe la mayor diferencia de velocidad de la jaula; este fenómeno es particularmente evidente a medida que disminuye el BEP. Si bien el par UB funciona mejor, las variaciones de velocidad de jaula más bajas se logran utilizando rodamientos con holgura UO.
Como ha demostrado la investigación anterior sobre los tres modos de falla comunes para las bombas centrífugas, la selección del juego axial de cojinete adecuado debería mejorar la vida útil de los cojinetes y, en consecuencia, la bomba misma.
El uso de un rodamiento con menos holgura limita la deflexión en el sello, lo que, a su vez, puede ayudar a mejorar la vida útil del sello de la bomba, especialmente cuando se opera más allá de los rangos BEP óptimos. Además, la holgura reducida minimiza la cantidad de deslizamiento potencial en los rodamientos, particularmente en el rodamiento sin carga que se usa principalmente para cargas de momento y radiales.
Elegir la holgura adecuada también puede reducir las tensiones en la jaula debido a las aceleraciones, lo que puede prolongar la vida útil del rodamiento y del sistema en general. Sin embargo, si aún se observan daños en los cojinetes incluso con un rango de juego reducido, entonces puede ser necesario cambiar a un cojinete precargado para reducir aún más la probabilidad de patinaje y tensión en la jaula.