¿Cuál es la causa número uno de fallas en los rodamientos?

La causa número uno de Rodamiento La falla está relacionada con la lubricación

Si quieres una respuesta directa: La lubricación inadecuada o inadecuada es la principal causa de fallas en los rodamientos, responsable de aproximadamente del 36 % al 54 % de todas las fallas prematuras de los rodamientos. , dependiendo de la industria y la aplicación. Algunos estudios realizados por los principales fabricantes de rodamientos, incluidos SKF y NSK, sitúan la cifra aún más alta cuando se tienen en cuenta los casos de contaminación que a su vez tienen su origen en fallos en la gestión de la lubricación.

Los rodamientos son componentes diseñados con precisión. Los elementos rodantes, las pistas de rodadura y las jaulas funcionan bajo una enorme tensión, a menudo a altas velocidades y temperaturas. Sin la película lubricante correcta que separa las superficies metálicas, se produce contacto directo, lo que provoca un desgaste rápido, generación de calor, fatiga superficial y, en última instancia, fallas catastróficas. La física es sencilla: metal sobre metal a gran velocidad genera calor, el calor degrada el material y el material degradado falla.

Dicho esto, las fallas de los rodamientos rara vez son causadas por un solo factor aislado. Los problemas de lubricación a menudo desencadenan o aceleran otros modos de falla. Comprender el espectro completo de causas (y cómo interactúan) es esencial para cualquiera que maneje equipos rotativos, ya sea en una planta de fabricación, una turbina eólica, una transmisión de automóvil o una línea de procesamiento de alimentos.

Por qué las fallas de lubricación dominan las estadísticas de daños en los rodamientos

La falla de lubricación no es simplemente una cuestión de quedarse sin grasa o aceite. Abarca una amplia gama de condiciones que impiden que el lubricante haga su trabajo. Cada una de estas condiciones produce distintos patrones de daño en las superficies de apoyo.

Volumen de lubricación insuficiente

Cuando un rodamiento no recibe suficiente lubricante, la película elastohidrodinámica que separa los elementos rodantes de las pistas de rodadura se vuelve demasiado delgada para evitar el contacto de metal con metal. Esto produce desgaste del adhesivo, manchas y picos de calor localizados. En motores eléctricos que funcionan a 1500 RPM o más, las superficies metálicas pueden alcanzar temperaturas destructivas a los pocos minutos de falta de lubricante.

Tipo de lubricante o viscosidad incorrectos

Usar un lubricante con el grado de viscosidad incorrecto para la velocidad y temperatura de aplicación es uno de los errores de mantenimiento más comunes. Un lubricante demasiado fino no puede mantener una película adecuada bajo carga; uno que es demasiado espeso genera calor excesivo al agitarlo y arrastrarlo. Para rodamientos de husillo de alta velocidad, por ejemplo, el uso de una grasa NLGI 2 estándar en lugar de un aceite de baja viscosidad o grasa NLGI 1 aumenta drásticamente la temperatura de funcionamiento y acorta la vida útil del rodamiento.

Engrase excesivo

Contraintuitivamente, demasiado lubricante también es un problema importante. Los rodamientos sobreengrasados ​​experimentan temperaturas internas elevadas debido al batido, que descompone el aceite base de grasa y el espesante, lo que provoca fugas y endurecimiento. El exceso de engrase representa una parte sustancial de las fallas de los rodamientos en los motores eléctricos , donde los técnicos suelen aplicar grasa sin purgar el material viejo, lo que agrava el problema con el tiempo.

Degradación del lubricante

La grasa y el aceite tienen vidas útiles finitas. Los ciclos de calor, la oxidación, la entrada de agua y el corte mecánico degradan el rendimiento del lubricante con el tiempo. Una grasa que se probó perfectamente en la puesta en servicio puede haber perdido la mayor parte de su capacidad protectora después de 4000 a 8000 horas de servicio, dependiendo de las condiciones de operación. Muchos intervalos de mantenimiento se establecen en función del tiempo calendario en lugar de la condición real, lo que hace que los rodamientos funcionen con lubricante gastado mucho más allá de su vida útil.

El desglose completo: principales causas de falla de los rodamientos por porcentaje

Diferentes fuentes clasifican las causas de fallas de los rodamientos de maneras ligeramente diferentes, pero los principales factores contribuyentes son consistentes en todos los estudios de la industria. La siguiente tabla refleja datos recopilados de investigaciones publicadas por fabricantes de rodamientos y organizaciones de ingeniería de confiabilidad.

Estas cifras varían según el sector. En las acerías y la minería, la contaminación juega un papel más importante debido a la dura exposición ambiental. En el procesamiento farmacéutico y alimentario, la entrada de agua y los procesos de limpieza agresivos son más importantes. En las turbinas eólicas, el paso de corriente eléctrica a través de los cojinetes (un modo de falla exclusivo de los accionamientos de velocidad variable) es cada vez más significativo. Comprender los factores de falla específicos de su aplicación es más importante que seguir ciegamente las pautas promedio de la industria.

Contaminación: la segunda fuerza más destructiva que actúa sobre los rodamientos

La contaminación es la presencia de cualquier material extraño (partículas sólidas, agua, productos químicos de proceso) dentro del rodamiento. Incluso las partículas invisibles a simple vista pueden causar daños importantes. Una partícula de acero de sólo 10 micras de tamaño (más pequeña que un cabello humano de ~70 micras) es lo suficientemente grande como para crear un aumento de tensión en la superficie de una pista de rodadura cuando la hace rodar una bola o un rodillo.

Contaminación por partículas sólidas

La suciedad, los desechos metálicos y las partículas de mecanizado que ingresan a la carcasa del rodamiento causan desgaste abrasivo y picaduras en la superficie. En los sistemas hidráulicos, mantener la limpieza del aceite según ISO 4406 Código 16/14/11 o mejor puede prolongar la vida útil de los rodamientos y componentes varias veces en comparación con el funcionamiento con el Código 20/18/15. La diferencia entre un sistema de lubricación limpio y uno contaminado es a menudo la diferencia entre la vida útil de un rodamiento de 20.000 horas y uno de 5.000 horas.

Contaminación del agua

El agua es particularmente destructiva. Según una investigación publicada en literatura sobre tribología, tan solo un 0,1 % de contenido de agua en un lubricante para rodamientos puede reducir la vida útil de los rodamientos hasta en un 48 %. El agua provoca la fragilización por hidrógeno del acero de los rodamientos, promueve la corrosión en las pistas de rodadura y los elementos rodantes y degrada la capacidad de formación de película del lubricante. La condensación durante el ciclo térmico (equipo que se calienta durante el funcionamiento y se enfría durante la noche) es una ruta frecuente para la entrada de humedad en los rodamientos sellados.

Contaminación química

En plantas químicas y de procesamiento de alimentos, los agentes de limpieza y los fluidos de proceso agresivos pueden pasar por alto los sellos y atacar directamente el acero de los rodamientos. Incluso los ácidos suaves o los compuestos alcalinos alteran la química de la superficie de las pistas de rodadura, creando micropicaduras que progresan hasta el desconchado. En estos entornos es fundamental seleccionar rodamientos con diseños de sellos adecuados y lubricantes químicamente compatibles.

Instalación incorrecta: una causa de falla de los rodamientos que se puede prevenir por completo

Los errores de montaje representan una proporción significativa de las fallas prematuras de los rodamientos: las estimaciones lo sitúan entre el 16% y el 21% de todos los casos. Lo que hace que esto sea particularmente frustrante es que los daños en la instalación ocurren antes de que el rodamiento haya dado una sola revolución en servicio. Un rodamiento instalado correctamente con el lubricante adecuado y funcionando en un sistema bien alineado alcanzará o superará su vida útil nominal L10. Un rodamiento que fue impulsado con un martillo sobre un eje no lo hará.

Fuerza aplicada a través del anillo equivocado

Uno de los errores de instalación más comunes es aplicar fuerza de ajuste a presión a través del anillo de rodamiento incorrecto. Al presionar un rodamiento rígido de bolas sobre un eje, la fuerza debe aplicarse solo al aro interior: el aro se ajusta a presión. La fuerza impulsora a través de las bolas y el anillo exterior provoca brinelleing: muescas permanentes en las pistas de rodadura en cada posición de la bola. El rodamiento puede parecer intacto externamente, pero sus superficies de rodadura ya están marcadas y generará ruido y fallará prematuramente desde su primera rotación.

Ajustes incorrectos del eje y la carcasa

Los rodamientos están diseñados para montarse con ajustes de interferencia específicos en ejes y soportes. Un eje de tamaño insuficiente permite que el anillo interior del rodamiento se deslice o gire: el anillo gira en relación con el eje, generando un intenso calor por fricción y eventualmente soldándose o atascándose. Un orificio del soporte demasiado apretado puede distorsionar el aro exterior, reduciendo el juego interno y provocando que el rodamiento funcione caliente y precargado incluso a temperatura ambiente.

Desalineación durante el montaje

La desalineación angular entre la línea central del eje y el orificio del rodamiento (incluso unas pocas décimas de grado más allá de la tolerancia de desalineación diseñada para el rodamiento) crea una distribución desigual de la carga entre los elementos rodantes. Los rodamientos de rodillos cilíndricos y cónicos son particularmente sensibles a la desalineación. Hacer funcionar un rodamiento de rodillos cilíndricos con solo 0,05° de desalineación más allá de su tolerancia puede reducir su vida útil calculada en un 50 % o más.

Fatiga por contacto rodante: el fin natural de la vida útil del rodamiento

La fatiga por contacto rodante es el único modo de falla de un rodamiento que no es causado por un error de diseño o mantenimiento; es el mecanismo esperado de fin de vida útil para un rodamiento que ha sido instalado correctamente, lubricado adecuadamente y operado dentro de sus parámetros de carga y velocidad nominales. La medida estándar de la vida útil de los rodamientos (la vida L10) se define como el número de revoluciones (u horas de funcionamiento a una velocidad determinada) que completará el 90% de un grupo de rodamientos idénticos antes de desarrollar desconchado por fatiga.

El daño por fatiga comienza como grietas subsuperficiales iniciadas por tensiones cortantes cíclicas debajo de la zona de contacto. A lo largo de millones de ciclos de tensión, estas grietas se propagan hacia la superficie y eventualmente hacen que el material se desprenda, un proceso llamado desconchado. Las pistas desconchadas tienen una característica apariencia áspera y desconchada con bordes claramente definidos. Un rodamiento con un mantenimiento adecuado que alcanza la fatiga por desconchado es en realidad un éxito de mantenimiento. — significa que el rodamiento alcanzó su vida útil prevista en lugar de fallar prematuramente debido a causas evitables.

En la práctica, la proporción de rodamientos que alcanzan una vida de fatiga real es relativamente pequeña. La mayoría se reemplaza debido al ruido, la vibración, el aumento de temperatura o los intervalos de mantenimiento planificados antes de que comience el desconchado. Cuando la falla por fatiga ocurre prematuramente (antes de la vida útil L10 calculada), a menudo es un signo de sobrecarga, defectos del material o el efecto acumulativo de condiciones marginales de lubricación a lo largo del tiempo.

Erosión eléctrica en rodamientos: un problema creciente en los equipos modernos

La erosión eléctrica, también llamada electroerosión o daño por mecanizado por descarga eléctrica (EDM), ha aumentado significativamente como causa de falla con la adopción generalizada de variadores de frecuencia (VFD) en motores eléctricos. Los VFD introducen pulsos de voltaje de alta frecuencia que pueden inducir corrientes en el eje. Cuando estas corrientes se descargan a través del rodamiento, crean cráteres de arco microscópicos en las superficies de la pista de rodadura y del elemento rodante.

El patrón de daño es distintivo: las pistas de rodadura desarrollan una apariencia esmerilada o estriada, con corrugaciones regulares que recorren circunferencialmente alrededor del anillo. Este patrón de estrías es un indicador diagnóstico confiable de erosión eléctrica. En motores impulsados por VFD sin una adecuada conexión a tierra del eje o cojinetes aislados, la erosión eléctrica puede destruir un cojinete en tan solo 3 a 6 meses. , incluso si la lubricación y la instalación son perfectas.

Las soluciones incluyen anillos de puesta a tierra del eje, soportes de rodamientos aislados o anillos interiores, o rodamientos híbridos cerámicos con elementos rodantes de nitruro de silicio que no son conductores de electricidad. La selección de la contramedida adecuada depende del tamaño del motor, la configuración del VFD y las disposiciones de puesta a tierra del sistema.

Cómo identificar la causa de una falla en un rodamiento a posteriori

Los rodamientos averiados llevan evidencia de diagnóstico en sus superficies si se examinan cuidadosamente antes de desecharlos. El análisis de fallas de rodamientos, a veces llamado fractografía cuando se examinan superficies de fracturas metálicas, es un proceso estructurado que compara los patrones de daño observados con los modos de falla conocidos. La mayoría de los fabricantes de rodamientos ofrecen guías de análisis de fallas y servicios de laboratorio para este fin.

• Desgaste pulido y suave en elementos rodantes y pistas de rodadura con manchas: falta de lubricante o viscosidad incorrecta
• Hendiduras espaciadas uniformemente en el espacio entre bolas o rodillos: Brinelling debido a una instalación inadecuada o carga de choque.
• Superficie rugosa y picada con partículas incrustadas: contaminación abrasiva
• Decoloración marrón rojiza y picaduras de corrosión: entrada de agua o contaminación corrosiva
• Estrías circunferenciales en la pista de rodadura: erosión eléctrica por corrientes de eje
• Descantillado con superficie rugosa, desconchada y bordes claros: Fatiga por contacto rodante (puede ser normal al final de su vida útil o inducida por sobrecarga)
• Patrón de carga unilateral en pistas de rodadura: Desalineación o carga axial en un rodamiento solo radial.

Retener los rodamientos averiados en bolsas de plástico selladas inmediatamente después de retirarlos (antes de limpiarlos) preserva la condición del lubricante y la evidencia de residuos que pueden perderse si el rodamiento se limpia o lava. Tomar fotografías de la posición del rodamiento instalado, las marcas del eje y el estado del orificio del alojamiento antes de retirarlo agrega un contexto valioso para el análisis.

Pasos prácticos para prevenir fallas prematuras de los rodamientos

Dado que la mayoría de las fallas de los rodamientos se pueden prevenir, un enfoque de prevención estructurado se enfoca en los modos de falla más comunes en secuencia de su probabilidad estadística.

Establecer un programa de gestión de la lubricación

Seleccione lubricantes según el tipo de rodamiento, el factor de velocidad (n × dm), el rango de temperatura de funcionamiento y la exposición ambiental, no según lo que ya hay en el almacén. Documente el tipo, la cantidad y el intervalo de relubricación correctos de lubricante para cada punto de lubricación de la planta. Utilice pistolas de engrase calibradas en lugar de aplicar por tacto; una pistola de cartuchos de grasa estándar ofrece aproximadamente 1,3 gramos por carrera, lo cual es una base útil para calcular volúmenes. Implemente intervalos de relubricación basados ​​en la condición cuando sea posible utilizando monitoreo ultrasónico o muestreo de grasa para detectar la degradación antes de que ocurra una falla.

Mejorar las prácticas de instalación

Elimina la instalación con martillo de rodamientos en ejes. Utilice herramientas de montaje adecuadas: calentadores de inducción para anillos interiores con ajuste de interferencia (calentar a 80 °C-100 °C suele ser suficiente y no afecta la metalurgia del acero de los rodamientos), prensas hidráulicas con adaptadores que aplican fuerza solo al anillo que se está instalando y herramientas de montaje mecánicas para rodamientos de tamaño mediano. Verifique las dimensiones del eje y la carcasa con un micrómetro calibrado antes de la instalación; un paso de medición de 10 minutos evita meses de investigación prematura de fallas.

Controlar la contaminación en la fuente

Guarde los rodamientos de repuesto en su embalaje original en un área limpia y seca, lejos de temperaturas extremas. Nunca abra los paquetes de rodamientos hasta el momento de la instalación. Mantenga los recipientes de lubricante sellados y filtrados al dispensar. Inspeccione y reemplace los sellos de la carcasa de forma rutinaria: un sello de labio desgastado cuyo reemplazo cuesta $2 puede permitir una contaminación que destruya un rodamiento de $500 en cuestión de meses. En entornos con alta exposición a partículas, considere actualizar los sellos de un solo labio a los de doble labio, o cambiar a unidades de rodamientos con sellos laberínticos para una exclusión superior.

Implementar monitoreo de condición

El análisis de vibraciones, el control de la temperatura, el análisis del aceite y el control de las emisiones ultrasónicas proporcionan diferentes ventanas del estado de los rodamientos. Un programa de vibración bien implementado que utilice análisis envolvente o técnicas de resonancia de alta frecuencia puede detectar defectos en los rodamientos de 4 a 8 semanas antes de que la falla se vuelva crítica, lo que permite el reemplazo planificado durante una ventana de mantenimiento programada en lugar de una parada de emergencia. El aumento de temperatura por encima de los niveles operativos normales es una señal de advertencia de última etapa: cuando un rodamiento funciona entre 10 °C y 15 °C por encima de su línea base histórica, es posible que ya haya daños importantes.

Verificar la alineación después de la instalación

La alineación del eje debe verificarse con una herramienta de alineación láser después de cada reemplazo de rodamientos en equipos acoplados. Los métodos con indicador de cuadrante son aceptables para maquinaria más pequeña. Busque tolerancias de alineación que sean más estrictas que la capacidad nominal de desalineación del acoplamiento: el acoplamiento se adapta a la desalineación residual bajo el crecimiento térmico operativo, no a la desalineación rutinaria debido a una instalación imprecisa. Un conjunto de bomba y motor alineado con un desplazamiento paralelo de 0,05 mm y una angularidad de 0,05 mm/100 mm durará consistentemente más que uno alineado con un margen de 0,2 mm.

Errores en la selección de rodamientos que acortan la vida útil incluso antes de instalar el rodamiento

A veces, la falla de los rodamientos no es un problema de mantenimiento, sino un problema de diseño o selección. Especificar el tipo de rodamiento incorrecto para las condiciones de carga, o subdimensionar el rodamiento para las cargas aplicadas, crea condiciones de falla que ninguna buena práctica de mantenimiento puede superar.

• Rodamientos rígidos de bolas están optimizados para cargas radiales con componentes axiales moderados. Su uso en aplicaciones con cargas de empuje axial elevadas provoca una sobrecarga de las bolas y una fatiga rápida.
• Rodamientos de rodillos cilíndricos soporta cargas radiales pesadas de manera eficiente, pero no puede soportar cargas axiales significativas sin un anillo con bridas diseñado para ese propósito.
• Rodamientos de bolas de contacto angular están diseñados para cargas radiales y axiales combinadas y deben montarse en pares o conjuntos coincidentes para funcionar correctamente: un solo rodamiento de contacto angular en un eje que soporta carga axial en ambas direcciones fallará.
• Rodamientos de rodillos cónicos requieren una precarga axial correcta para funcionar correctamente: si es muy pequeña, los rodillos patinarán; demasiado y el rodamiento se calienta y se fatiga antes de tiempo.

El proceso de selección de rodamientos debe incluir el cálculo de la carga dinámica equivalente, la verificación del factor de velocidad frente a la clasificación de velocidad del rodamiento y la confirmación de que la vida útil L10 cumple con el intervalo de servicio requerido por la aplicación con un margen de seguridad adecuado (generalmente un factor de 3 a 5 para equipos críticos).

El costo real de las fallas de los rodamientos en operaciones industriales

El costo de reemplazo de un rodamiento casi nunca es el costo real de una falla en el rodamiento. En una planta de proceso continuo (una fábrica de papel, una planta química, una línea de producción de alimentos), una falla no planificada en un rodamiento que cause incluso una hora de inactividad puede fácilmente costar entre $10 000 y $100 000 o más en pérdida de producción, dependiendo del valor de rendimiento del equipo. El daño secundario a los componentes adyacentes (sellos, ejes, soportes, acoplamientos) con frecuencia agrega costos que eclipsan al rodamiento en sí.

Los estudios realizados por organismos de ingeniería de mantenimiento muestran consistentemente que el mantenimiento reactivo cuesta de 3 a 9 veces más por evento de reparación que el mantenimiento planificado basado en el estado. Un rodamiento de 200 dólares que falla inesperadamente y detiene una línea de producción durante 4 horas conlleva un costo total del evento que ninguna optimización del precio del rodamiento puede compensar. Este caso económico es la base de los movimientos de mantenimiento centrado en la confiabilidad (RCM) y mantenimiento predictivo (PdM): el objetivo no es comprar rodamientos más baratos, sino garantizar que cada rodamiento alcance su vida útil prevista.

Para los gerentes de mantenimiento que crean un caso de negocios para mejorar los programas de lubricación, el control de la contaminación o los equipos de monitoreo de vibraciones, el cálculo del retorno de la inversión suele ser sencillo: una falla crítica evitada a menudo paga con creces los costos de implementación del equipo de monitoreo y del programa.

Resumen: abordar las fallas de los rodamientos comienza con la lubricación y luego todo lo demás

La causa número uno de fallas en los rodamientos (problemas de lubricación) es también la más controlable. La selección correcta del lubricante, la cantidad adecuada, los intervalos de relubricación adecuados y la prevención de la contaminación eliminan la categoría más grande de fallas evitables de los rodamientos. Después de la lubricación, la atención a las prácticas de instalación, la exclusión de la contaminación, la verificación de la alineación y el monitoreo de la condición abordan los modos de falla principales restantes en orden descendente de impacto estadístico.

Los rodamientos no son consumibles que simplemente se desgastan: son componentes de precisión que, dadas las condiciones de funcionamiento adecuadas, alcanzarán de manera confiable su vida útil nominal. Cuando fallan temprana y repetidamente, la causa casi siempre se puede rastrear hasta una falla de diseño o mantenimiento específica, identificable y corregible. El proceso de análisis de fallas (examinar sistemáticamente cada rodamiento averiado antes de descartarlo) es la herramienta menos utilizada en el conjunto de herramientas de mantenimiento industrial y la que, con el tiempo, cierra de manera más confiable el círculo entre la ocurrencia de fallas y la eliminación de la causa raíz.