Comprensión de los rodamientos de empuje
A rodamiento de empuje (también llamado rodamiento axial) es un rodamiento especializado diseñado para soportar cargas que actúan paralelas al eje del árbol — cargas axiales o de empuje — y para controlar la posición axial de un rotor. A diferencia de un rodamiento radial cojinete de fricción, que soporta cargas perpendiculares al eje, un rodamiento de empuje presenta superficies de contacto perpendiculares al eje del árbol, por lo que puede resistir fuerzas que intentan empujar el eje en cualquier dirección axial. Juntos, los rodamientos radiales y de empuje definen el completo sistema rotor-rodamiento.
Los rodamientos de empuje son esenciales dondequiera que haya fuerzas axiales — bombas, compresores, turbinas, ejes de hélices y equipos orientados verticalmente. La falla o capacidad inadecuada de un rodamiento de empuje conduce a un exceso de vibración axial, juego axial del eje y potencialmente daños catastróficos cuando el rotor entra en contacto con componentes estacionarios.
1. Rodamiento de empuje vs. rodamiento radial: ¿cuál es la diferencia?
La forma más clara de entender un rodamiento de empuje es contrastarlo con el rodamiento radial con el que trabaja. Los dos se definen por la dirección de la carga para la que están diseñados, no por su tamaño o construcción.
- Un rodamiento radial (como un cojinete de fricción) soporta carga perpendicular al eje: el peso del rotor y cualquier fuerza radial procedente de desbalance. Sus superficies de soporte de carga son cilíndricas y envuelven el eje.
- Un rodamiento de empuje soporta carga paralela al eje: el empuje axial a lo largo de la línea central. Sus superficies de soporte de carga son caras planas (o con forma) dispuestas en ángulo recto con respecto al eje, apoyándose contra un collarín o escalón en el rotor.
Una máquina típica necesita ambos: dos rodamientos radiales localizan el eje lateralmente y soportan su peso, mientras que un único rodamiento de empuje fija la posición axial del rotor y absorbe la fuerza axial neta. Algunos diseños combinan ambas funciones: un de contacto angular o de rodillos cónicos soporta carga radial y axial simultáneamente; pero en grandes máquinas rotativas, el rodamiento de empuje casi siempre es un componente dedicado, separado de los rodamientos radiales, porque las fuerzas axiales son demasiado grandes para compartirlas.
2. Tipos de rodamientos de empuje
Los rodamientos de empuje se dividen en dos grandes familias: tipos de elementos rodantes que soportan la carga a través de bolas o rodillos, y tipos de película fluida que hacen flotar el rotor sobre una película de aceite presurizada. La elección entre ellos está impulsada principalmente por la carga, la velocidad y el tamaño de la máquina.
Rodamientos de empuje con elementos rodantes
Estos soportan el empuje a través de bolas o rodillos y son comunes en maquinaria general de carga moderada. Su condición puede rastrearse a través de las mismas firmas de defectos de elementos rodantes utilizadas para rodamientos radiales.
- Rodamientos de empuje de bolas: los elementos de bolas corren entre anillos de empuje planos o ranurados. Capacidad de carga moderada, velocidad media a alta, buena precisión de posicionamiento axial. Se utilizan en máquinas-herramienta, transmisiones automotrices y otras aplicaciones de empuje moderado.
- Rodamientos de empuje de rodillos cilíndricos: los rodillos entre anillos de empuje brindan una capacidad muy alta mediante contacto lineal en lugar de contacto puntual, pero solo a velocidad baja a media. Se utilizan en maquinaria pesada, bombas verticales y ganchos de grúa.
- Rodamientos de empuje de rodillos cónicos: los rodillos cónicos proporcionan una verdadera acción de rodadura adecuada para cargas axiales combinadas y elevadas. Un solo rodamiento soporta cargas radiales y axiales, y la precarga es ajustable mediante el espaciado. Comunes en cubos de ruedas automotrices, cajas de cambios y situaciones de carga combinada.
- Rodamientos de empuje de rodillos esféricos: los rodillos en forma de barril y la pista de rodadura curva aceptan cargas axiales muy elevadas mientras toleran la desalineación del eje, lo cual es útil en ejes largos y ligeramente flexibles en la industria pesada.
- Rodamientos de bolas de contacto angular: el contacto de las bolas se establece en un ángulo para que el rodamiento soporte tanto carga radial como axial, a menudo montados en pares (cara a cara o espalda con espalda). Capaces de alta velocidad; se utilizan en husos de máquinas-herramienta y bombas de alta velocidad.
Rodamientos de empuje de película fluida
Estos hacen flotar el rotor sobre una película de aceite hidrodinámica y dominan las máquinas grandes de alta potencia. Sin contacto metal contra metal en funcionamiento normal, ofrecen una vida útil casi ilimitada y un excelente amortiguamiento, a costa de un suministro continuo de aceite presurizado.
- Rodamientos de empuje de patas basculantes (a menudo llamados rodamientos Kingsbury o Michell en honor a sus inventores): múltiples patas basculantes se inclinan cada una para formar un cuña de aceite convergente que levanta el collarín de empuje lejos de las patas. La capacidad alcanza megavatios en grandes turbinas, la velocidad es efectivamente ilimitada (usada hasta 30,000+ rpm) y el amortiguamiento es excelente. Se encuentran en turbinas de vapor, turbinas de gas, grandes compresores y generadores.
- Rodamientos de empuje de patas fijas (de superficie cónica): patas fijas mecanizadas con una rampa cónica generan la cuña de aceite sin pivotes móviles. Alta capacidad, simples y robustos sin partes móviles, aunque menos tolerantes a la inversión de carga que las patas basculantes. Usados en bombas verticales y turbinas hidroeléctricas.
3. Dónde se usan los rodamientos de empuje: aplicaciones
Cualquier máquina cuyo rotor experimente un empuje neto a lo largo de su eje necesita un rodamiento de empuje para absorber esa fuerza y mantener el rotor en su lugar. Las aplicaciones más comunes son:
- Bombas y compresores centrífugos: el aumento de presión a través de cada impulsor crea una gran fuerza axial hacia el lado de succión, que el rodamiento de empuje debe soportar.
- Turbinas de vapor, gas e hidroeléctricas: el fluido de trabajo empuja axialmente sobre las filas de álabes; el rodamiento de empuje, generalmente de tipo de patas basculantes, sostiene el rotor contra esta fuerza y contra los juegos estrechamente establecidos de los sellos y las puntas de los álabes.
- Propulsión marina (rodamientos de empuje para barcos y embarcaciones): el empuje de la hélice impulsa toda la embarcación hacia adelante a través del eje de la hélice, y un rodamiento de empuje marino de alta resistencia transmite ese empuje desde el eje hacia la cascarón. Esta es una de las funciones más exigentes de un rodamiento de empuje en la ingeniería.
- Generadores y motores eléctricos: en máquinas verticales, el rodamiento de empuje soporta adicionalmente el peso muerto del rotor, y en todas las máquinas resiste el tracción magnética.
- Cajas de Engranajes: los engranajes helicoidales y cónicos generan reacciones axiales que los rodamientos de empuje del eje deben absorber.
- Husillos de máquinas herramienta, trenes de transmisión automotrices y grúas: rodamientos de empuje de elementos rodantes más pequeños posicionan el eje y soportan cargas axiales moderadas.
4. Rodamientos de empuje para ejes verticales
Las máquinas verticales, como bombas verticales, generadores hidroeléctricos y grandes motores verticales, imponen una demanda especial al rodamiento de empuje porque debe soportar no solo la fuerza axial del proceso, sino también el peso estático total del conjunto rotativo, que en un gran generador hidroeléctrico puede ser de cientos de toneladas. En una máquina horizontal, los rodamientos radiales soportan ese peso; en una máquina vertical, el peso actúa directamente hacia abajo a lo largo del eje y cae directamente sobre el rodamiento de empuje.
Por esta razón, las máquinas verticales casi siempre usan un gran rodamiento de empuje de película fluida, típicamente de diseño de patas basculantes, dimensionado para la carga combinada de peso más proceso y montado en la parte superior o inferior del eje. La película de aceite y el enfriamiento del rodamiento deben diseñarse para operación continua a plena carga, y su temperatura y posición axial son algunos de los parámetros más vigilados de toda la máquina, porque una falla del rodamiento de empuje de eje vertical hace caer el rotor sobre el estator sin margen de recuperación.
5. Fuentes de carga axial
En bombas y compresores
- Empuje hidráulico del impulsor: la diferencia de presión a través de un impulsor crea una fuerza axial neta, una de las principales fuerzas hidráulicas en una bomba.
- Magnitud: esto puede alcanzar miles de libras incluso en una bomba de tamaño moderado.
- Dirección: típicamente hacia el lado de succión.
- Balanceo: los orificios de balanceo, las paletas traseras o los impulsores opuestos reducen el empuje neto.
En turbinas
- El flujo de vapor o gas crea presión axial en las palas — parte de la fuerzas aerodinámicas que actúa sobre el rotor.
- La magnitud del empuje aumenta con la potencia de salida.
- Puede invertir su dirección durante el arranque o los cambios de carga.
- Se utilizan pistones ficticios o pistones de equilibrio para contrarrestarlo.
En cajas de engranajes
- Los engranajes helicoidales generan un empuje axial proporcional al par transmitido.
- Los engranajes cónicos crean componentes de fuerza axial.
- La dirección del empuje depende de la mano del engranaje (la dirección del ángulo de hélice).
Otras fuentes
- Tracción magnética: en motores eléctricos, el desbalance magnético crea fuerzas axiales.
- Hélices y ventiladores: empuje aerodinámico por la aceleración del fluido de trabajo.
- Transmisiones por correa: las correas angulares crean componentes de fuerza axial.
- Desalineación: angular desalineación en acoplamientos genera fuerzas axiales oscilantes.
6. Problemas de los rodamientos de empuje y diagnóstico
Modos de falla comunes
- Sobrecarga: el empuje excede la capacidad nominal del rodamiento, a menudo porque una perturbación del proceso o un dispositivo de equilibrio desgastado permite que la fuerza axial neta crezca más allá del diseño.
- Lubricación inadecuada: el flujo de aceite insuficiente o la falta de grasa lubricante privan el contacto, permitiendo que la película de aceite colapse y las superficies se toquen.
- Contaminación: las partículas en el aceite rayan y dañan las superficies de empuje.
- Desgaste y fatiga: deterioro superficial por abrasión o carga cíclica, que va desde picadura hasta descascaramiento superficial del babbit o la pista de rodadura.
- Desalineación: un collarín de empuje que no está perpendicular al eje carga las patillas de manera desigual y sobrecalienta un lado.
- Erosión eléctrica: las corrientes del eje que pasan a través de la película de aceite causan picaduras en las superficies del cojinete, un problema creciente en máquinas con variadores de frecuencia.
- Sobrecalentamiento: el resultado final de la mayoría de los problemas anteriores: fricción excesiva o refrigeración inadecuada que ablanda el babbit y destruye las patillas.
El margen de dimensionamiento frente a estos modos puede verificarse cuantitativamente. Cuando un rodamiento soporta carga radial y axial, la calculadora de carga dinámica equivalente del rodamiento las combina en un solo valor, el calculadora del factor de seguridad estático protege contra el brinellado bajo carga axial en parado, y la calculadora de vida útil L10 del rodamiento proyecta la vida útil esperada.
Síntomas de vibración y medición axial
- Alta vibración axial: el indicador principal de un problema en el cojinete de empuje, generalmente mejor visible en la dirección axial que en la radial.
- Posición axial ascendente: en máquinas de película fluida, el desplazamiento del eje hacia su límite a medida que se desgastan las patillas es una medida directa de la pérdida del cojinete.
- Oscilación de baja frecuencia: el eje flotando axialmente dentro de su juego.
- Impacto: si el juego axial es excesivo, el eje impacta contra sus toperos, produciendo picos agudos en la vibración señal.
- Medición: axial sondas de proximidad o acelerómetros revelan estos síntomas.
Otros indicadores
- Aumento de temperatura: el cojinete de empuje funcionando caliente: a menudo el primer síntoma en un cojinete de película fluida.
- Ruido: sonidos inusuales procedentes de la ubicación del rodamiento de empuje.
- Juego axial: movimiento medible del eje en la dirección axial.
- Calidad del aceite: partículas metálicas que aparecen en el lubricante.
7. Medición del estado del cojinete de empuje en campo
En máquinas ensambladas, la condición del rodamiento de empuje se evalúa a partir de mediciones axiales tomadas in situ en lugar de en un banco de pruebas. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A permite a un ingeniero registrar la amplitud de la vibración axial y la fase en el extremo de empuje, compararla con las lecturas radiales y separar el deterioro genuino del cojinete de empuje de la vibración axial que desalineación o un eje curvado también pueden producir, todo sin detener la producción para un desmontaje. Dado que el mismo instrumento captura el panorama más amplio y puede realizar el balanceo del rotor en sus propios cojinetes una vez que vibración se confirma, vincula la lectura de empuje con el estado general de la máquina. desbalance se confirma, vincula la lectura de empuje con el estado general de la máquina.
8. Monitoreo y mantenimiento
Parámetros críticos de monitoreo
- Vibración axial: medido continuamente o en una ruta periódica como parte de un monitoreo de vibración programa.
- Posición axial: sondas de proximidad que rastrean la posición axial del eje en relación con el cojinete de empuje.
- Temperatura del rodamiento de empuje: monitoreo con RTD o termopar, a menudo la primera advertencia de afección (ver sensores de temperatura).
- Flujo y presión de aceite: para cojinetes de empuje de película fluida, una pérdida de suministro es una condición de alarma inmediata.
Prácticas de mantenimiento
- Verifique la lubricación adecuada del cojinete de empuje y el suministro de aceite.
- Comprobar los juegos axiales durante las revisiones mayores.
- Inspeccionar las superficies de empuje en busca de desgaste o daños.
- Medir las cargas axiales reales cuando sea posible, utilizando galgas extensométricas o celdas de carga.
- Tendenciee los datos de temperatura y vibración, y confirme los hallazgos con un análisis de vibración, como parte de un monitoreo de condición programa.
Los rodamientos de empuje a menudo reciben menos atención que los rodamientos radiales, sin embargo, son críticos para controlar la posición axial y soportar la carga axial en maquinaria rotativa. Comprender los tipos disponibles, las fuentes de empuje y los modos de falla permite una selección adecuada del rodamiento, un monitoreo efectivo y un mantenimiento oportuno, evitando el tipo de falla que termina en contacto rotor-estator y la destrucción de la máquina.
9. Preguntas frecuentes
¿Qué hace un cojinete de empuje?
Un cojinete de empuje soporta carga axial: fuerza que actúa paralela al eje, y fija la posición axial del rotor. Absorbe el empuje neto que genera el proceso (empuje del impulsor, empuje de las palas, empuje de la hélice) e impide que el eje se desplace hacia las partes estacionarias.
¿Cuál es la diferencia entre un cojinete de empuje y un cojinete radial?
Dirección de la carga. Un cojinete radial soporta carga perpendicular al eje (el peso del rotor y las fuerzas laterales); un cojinete de empuje soporta carga paralela al eje (el empuje axial). La mayoría de las máquinas usan ambos, y algunos tipos de carga combinada, como los cojinetes de contacto angular o de rodillos cónicos, realizan ambas funciones a la vez.
¿Cuáles son los principales tipos de cojinetes de empuje?
Dos familias. Los tipos de elementos rodantes: bolas, rodillos cilíndricos, rodillos cónicos, rodillos esféricos y contacto angular, son adecuados para cargas moderadas y maquinaria general. Los tipos de película fluida: patillas basculantes (Kingsbury) y patillas fijas de superficie cónica, hacen flotar el rotor sobre una película de aceite y manejan las cargas muy altas de turbinas grandes, compresores y máquinas verticales.
¿Por qué las máquinas verticales necesitan un cojinete de empuje especial?
En un eje vertical, el cojinete de empuje soporta no solo la fuerza axial del proceso, sino también el peso estático total del rotor, que actúa directamente hacia abajo a lo largo del eje. Por esta razón, las bombas verticales y los generadores hidráulicos utilizan grandes cojinetes de empuje de película fluida dimensionados para la carga combinada.
¿Cómo se detecta un cojinete de empuje en falla?
Las señales más claras son el aumento de la vibración axial, un desplazamiento en la posición axial medida del eje y un aumento en la temperatura del cojinete. Las sondas de proximidad axiales, los acelerómetros y los sensores de temperatura se analizan en el tiempo, y un analizador portátil puede confirmar el diagnóstico en una máquina en funcionamiento.
¿Qué causa la falla de los cojinetes de empuje?
Sobrecarga más allá de la capacidad nominal, falla de lubricación, contaminación del aceite, fatiga superficial (picaduras y descascaramiento superficial), desalineación del collarín de empuje y erosión eléctrica por corrientes del eje. El sobrecalentamiento suele ser el punto final común que destruye el cojinete.
