Comprensión de los cojinetes de empuje
A cojinete de empuje (también llamado rodamiento axial) es un rodamiento especializado diseñado para soportar cargas que actúan paralelamente al eje del árbol -cargas axiales o de empuje- y para controlar la posición axial de un rotor. A diferencia de una radial cojinete de muñón, que soporta cargas perpendiculares al eje, un rodamiento axial presenta superficies de contacto perpendiculares al eje, por lo que puede resistir fuerzas que intenten empujar el eje en cualquier dirección axial. Juntos, el rodamiento radial y el rodamiento axial definen el conjunto. sistema de cojinetes de rotor.
Los cojinetes de empuje son esenciales en todos los casos en los que existen fuerzas axiales: bombas, compresores, turbinas, ejes de hélices y equipos orientados verticalmente. El fallo o la capacidad inadecuada de un cojinete de empuje provoca un exceso de vibración axial, El rotor puede sufrir lesiones graves, holguras en los extremos del eje y daños potencialmente catastróficos cuando entra en contacto con componentes fijos.
1. Rodamiento axial frente a rodamiento radial: ¿cuál es la diferencia?
La forma más clara de entender un rodamiento axial es contraponerlo al rodamiento radial con el que trabaja conjuntamente. Ambos se definen por el direction de la carga que están diseñados para soportar, no por su tamaño o construcción.
- Un rodamiento radial (such as a cojinete de muñón) carries load perpendicular al eje — el peso del rotor y las fuerzas radiales procedentes de desequilibrar. Sus superficies de carga son cilíndricas y envuelven el eje.
- Un rodamiento axial carries load parallel al eje — el empuje axial a lo largo del eje de simetría. Sus superficies de carga son caras planas (o conformadas) dispuestas en ángulo recto respecto al eje, apoyadas contra un collar o resalte del rotor.
Una máquina típica necesita ambos: dos rodamientos radiales posicionan 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 angular-contact o tapered-roller rodamiento soporta carga radial y axial simultáneamente — pero en las turbomáquinas de gran tamaño el rodamiento de empuje es casi siempre un componente independiente, 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: los de elementos rodantes, que transmiten la carga mediante bolas o rodillos, y los de película de fluido, que hacen flotar el rotor sobre una película de aceite a presión. La elección entre uno y otro está determinada principalmente por la carga, la velocidad y el tamaño de la máquina.
Rodamientos axiales de rodillos
Transportan el empuje a través de bolas o rodillos y son comunes en maquinaria general de carga moderada. Su estado puede ser rastreado a través de la misma defecto del elemento rodante firmas utilizadas para los rodamientos radiales.
- Rodamientos axiales de bolas: Los elementos de bolas se deslizan entre arandelas de empuje planas o ranuradas. Capacidad de carga moderada, velocidad media-alta, buena precisión de posicionamiento axial. Se utilizan en máquinas herramienta, transmisiones de automóviles y otras aplicaciones de empuje moderado.
- Rodamientos axiales de rodillos cilíndricos: Los rodillos entre arandelas de empuje proporcionan una capacidad muy alta mediante el contacto de línea en lugar del contacto puntual, pero sólo a velocidad baja o media. Se utiliza en maquinaria pesada, bombas verticales y ganchos de grúa.
- Rodamientos de rodillos cónicos de empuje: los rodillos cónicos proporcionan un rodamiento puro que es adecuado para cargas combinadas y axiales elevadas. Un solo rodamiento soporta tanto cargas radiales como axiales, y el precarga es ajustable mediante espaciado. Habituales en cubos de rueda de automoción, cajas de engranajes y situaciones de carga combinada.
- Rodamientos de rodillos esféricos de empuje: los rodillos en forma de barril y la pista de rodadura curva admiten cargas axiales muy elevadas tolerando al mismo tiempo desalineaciones del eje — útil en ejes largos con ligera deflexión en la industria pesada.
- Rodamientos de bolas de contacto angular: el contacto de la bola está colocado en ángulo para que el rodamiento soporte tanto la carga radial como la axial, a menudo montado por parejas (espalda con espalda o cara con cara). Aptos para altas velocidades; se utilizan en husillos de máquinas herramienta y bombas de alta velocidad.
Cojinetes de empuje de película fluida
Estos hacen flotar el rotor sobre una película de aceite hidrodinámica y predominan en las máquinas grandes de alta potencia. Sin contacto metal con metal en funcionamiento normal, ofrecen una vida útil prácticamente ilimitada y una excelente amortiguación, a costa de un suministro continuo de aceite a presión.
- Rodamientos de empuje de patines oscilantes (conocidos frecuentemente como rodamientos Kingsbury o Michell por el nombre de sus inventores): múltiples patines pivotantes se inclinan individualmente para formar una cuña de aceite convergente que levanta el collar de empuje y lo separa de los patines. La capacidad alcanza los megavatios en grandes turbinas, la velocidad es prácticamente ilimitada (se emplean hasta 30.000+ rpm) y la amortiguación es excelente. Se encuentran en turbinas de vapor, turbinas de gas, grandes compresores y generadores.
- Rodamientos axiales de bolas fijas: los patines fijos mecanizados con una rampa cónica generan la cuña de aceite sin ningún pivote móvil. Alta capacidad, diseño simple y robusto sin piezas móviles, aunque menos tolerante a la inversión de carga que los patines basculantes. Se utilizan en bombas verticales y turbinas hidráulicas.
3. Dónde se utilizan los rodamientos de empuje: aplicaciones
Cualquier máquina cuyo rotor experimenta un empuje neto a lo largo de su eje necesita un rodamiento de empuje para absorber dicha fuerza y mantener el rotor en su posición. Las aplicaciones más habituales son:
- Bombas centrífugas y compresores: el aumento de presión en cada impulsor genera una gran fuerza axial hacia el lado de aspiración, que debe ser soportada por el rodamiento de empuje.
- Turbinas de vapor, de gas e hidráulicas: el fluido de trabajo empuja axialmente sobre las filas de álabes; el rodamiento de empuje — generalmente del tipo de patines basculantes — mantiene el rotor frente a esta fuerza y frente a las holguras reducidas de los sellos y los extremos de los álabes.
- Propulsión marina (cojinetes 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 cojinete de empuje marino de alta resistencia transmite ese empuje desde el eje hasta el casco. Esta es una de las aplicaciones más exigentes de los cojinetes de empuje en ingeniería.
- Generadores y motores eléctricos: en máquinas verticales, el cojinete de empuje soporta además el peso propio del rotor, y en todas las máquinas resiste las cargas axiales atracción magnética.
- Cajas de cambios: los engranajes helicoidales y cónicos generan reacciones axiales que los cojinetes de empuje del eje deben absorber.
- Husillos de máquinas-herramienta, transmisiones de automoción y grúas: los cojinetes de empuje de elementos rodantes de menor tamaño posicionan el eje y soportan cargas axiales moderadas.
4. Cojinetes de empuje para ejes verticales
Las máquinas verticales —bombas verticales, generadores hidroeléctricos, grandes motores verticales— imponen una exigencia especial al cojinete de empuje, ya que este debe soportar no solo la fuerza axial de proceso, sino también el peso estático total del conjunto rotante, que en un gran generador hidroeléctrico puede ser de cientos de toneladas. En una máquina horizontal, los cojinetes radiales soportan dicho peso; en una máquina vertical, el peso actúa directamente a lo largo del eje del árbol y recae por completo sobre el cojinete de empuje.
Por esta razón, las máquinas verticales utilizan casi siempre un cojinete de empuje de película de fluido de gran tamaño —típicamente de diseño con patines 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 sistema de refrigeración del cojinete deben estar diseñados para un funcionamiento continuo a plena carga, y sus temperature y posición axial se encuentran entre los parámetros más vigilados de toda la máquina, ya que un fallo del cojinete de empuje en un eje vertical provoca la caída del rotor sobre el estátor sin margen alguno para reaccionar.
5. Fuentes de carga axial
En bombas y compresores
- Empuje hidráulico del impulsor: El diferencial de presión a través de un impulsor crea una fuerza axial neta, una de las principales fuerzas hidráulicas en una bomba.
- Magnitud: esto puede suponer miles de kilos incluso en una bomba de tamaño moderado.
- Dirección: típicamente hacia el lado de succión.
- Equilibrio: Los orificios de equilibrado, los álabes traseros o los impulsores opuestos reducen el empuje neto
En turbinas
- El flujo de vapor o gas crea una presión axial en los álabes - parte de la fuerzas aerodinámicas actuando sobre el rotor.
- La magnitud del empuje aumenta con la potencia.
- Puede invertir su dirección durante el arranque o los cambios de carga.
- Para contrarrestarlo se utilizan pistones ficticios o pistones de equilibrado.
En las cajas de cambios
- Los engranajes helicoidales generan un empuje axial proporcional al par transmitido.
- Los engranajes cónicos crean componentes de fuerza axial.
- La dirección de empuje depende de la mano del engranaje (la dirección del ángulo de hélice).
Otras fuentes
- Tirón magnético: en motores eléctricos, desequilibrio magnético crea fuerzas axiales.
- Hélices y ventiladores: empuje aerodinámico por aceleración del fluido de trabajo.
- Transmisión por correa: Las correas acodadas crean componentes de fuerza axial.
- Desalineación: angular desalineación en los acoplamientos genera fuerzas axiales oscilantes.
6. Problemas y diagnóstico de cojinetes de empuje
Modos de fallo comunes
- Sobrecarga: el empuje supera la capacidad nominal del cojinete —frecuentemente porque una perturbación del proceso o un dispositivo de equilibrado desgastado permite que la fuerza axial neta supere el valor de diseño.
- Lubricación inadecuada: un caudal de aceite insuficiente o la falta de grasa priva de lubricante al contacto, lo que provoca el colapso de la película de aceite y el contacto entre superficies.
- Contaminación: las partículas en el aceite rayan y dañan las superficies de empuje.
- Desgaste y fatiga: deterioro superficial por abrasión o carga cíclica, que puede ir desde picaduras hasta desconchado del babbitt o la pista de rodadura.
- Desalineación: un collar de empuje que no está perpendicular al eje carga los patines de forma desigual y sobrecalienta un lado.
- Erosión eléctrica: las corrientes de eje que atraviesan la película de aceite generan picaduras en las superficies del cojinete, un problema cada vez más frecuente en máquinas con variadores de frecuencia.
- Calentamiento excesivo: el resultado final de la mayoría de los factores anteriores: fricción excesiva o refrigeración insuficiente que ablanda el babbitt y arranca los patines.
El margen de dimensionado frente a estos modos puede comprobarse cuantitativamente. Cuando un rodamiento soporta cargas radiales y axiales, el calculadora de carga dinámica equivalente del rodamiento los combina en un único valor, el calculadora del coeficiente de seguridad estática protege contra la deformación en empuje en reposo, y el Calculadora de vida útil de rodamientos L10 proyecta la vida útil prevista.
Síntomas de vibración y medición axial
- Alta vibración axial: el indicador principal de un problema en el cojinete de empuje, que suele apreciarse mejor en el dirección axial en lugar de la radial.
- Desplazamiento axial creciente: en máquinas de película de aceite, el desplazamiento del eje hacia su límite a medida que se desgastan los patines es una medida directa del deterioro del cojinete.
- Oscilación de baja frecuencia: el eje flotando axialmente dentro de su holgura.
- Impactando: si la holgura axial es excesiva, el eje golpea sus topes produciendo picos agudos en el vibración señal.
- Medición: axial sondas de proximidad o acelerómetros revelar estos síntomas.
Otros indicadores
- Aumento de temperatura: el cojinete de empuje funciona a temperatura elevada — con frecuencia el primer síntoma en un cojinete de película de aceite.
- Ruido: sonidos inusuales procedentes del lugar de empuje.
- Juego axial: movimiento medible del eje en dirección axial.
- Calidad del aceite: aparición de partículas metálicas en el lubricante.
7. Evaluación del estado del cojinete de empuje en campo
En las máquinas montadas, el estado de los cojinetes de empuje se juzga a partir de mediciones axiales tomadas in situ y no en un banco de pruebas. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A permite que un ingeniero registre la amplitud de vibración axial y el fase en el extremo de empuje, compararlo con las lecturas radiales y separar el deterioro real del cojinete de empuje de la vibración axial que desalineación o un eje doblado también puede generar — todo ello sin detener la producción para un desmontaje. Dado que el mismo instrumento captura la imagen vibración general y puede equilibrar el rotor en sus propios cojinetes una vez que desequilibrar se confirma, vincula la lectura de empuje con el estado general de la máquina.
8. Seguimiento y mantenimiento
Parámetros críticos de monitorización
- Vibración axial: medido de forma continua o en una ruta periódica como parte de un monitoreo de vibraciones programa.
- Posición axial: sondas de proximidad que siguen la posición axial del eje respecto al cojinete de empuje.
- Temperatura de empuje: La monitorización de RTD o termopares, a menudo la primera advertencia de peligro (véase sensores de temperatura).
- Caudal y presión de aceite: en cojinetes de empuje de película de aceite, la pérdida de suministro constituye 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.
- Inspeccione las superficies de empuje para tener puesto o daños.
- Mida las cargas de empuje reales siempre que sea posible, utilizando galgas extensométricas o células de carga.
- Realice un seguimiento de los datos de temperatura y vibración, y confirme los resultados con información detallada análisis de vibraciones, como parte de un monitorización de condición programa.
Los rodamientos axiales suelen recibir menos atención que los radiales, pero son fundamentales para controlar la posición axial y soportar la carga axial en la maquinaria rotativa. Conocer los tipos disponibles, las fuentes de empuje y los modos de fallo permite una selección adecuada de los rodamientos, una supervisión eficaz y un mantenimiento oportuno, evitando el tipo de fallo que acaba en contacto entre el rotor y el estator y en la destrucción de la máquina.
9. Preguntas frecuentes
¿Qué función tiene un cojinete de empuje?
Un cojinete de empuje soporta la carga axial —la fuerza que actúa de forma paralela al eje— y fija la posición axial del rotor. Absorbe el empuje neto generado por el proceso (empuje del impulsor, empuje de los álabes, empuje de la hélice) e impide que el eje se desplace hacia las partes fijas.
¿Cuál es la diferencia entre un cojinete de empuje y un cojinete radial?
La dirección de la carga. Un cojinete radial soporta la carga perpendicular al eje (el peso del rotor y las fuerzas laterales); un cojinete de empuje soporta la carga paralela al eje (el empuje axial). La mayoría de las máquinas utilizan ambos tipos, y algunos modelos de carga combinada —como los cojinetes de contacto angular o de rodillos cónicos— realizan las dos funciones a la vez.
¿Cuáles son los principales tipos de cojinetes de empuje?
Dos familias. Los tipos de elementos rodantes —de bolas, de rodillos cilíndricos, de rodillos cónicos, de rodillos esféricos y de contacto angular— son adecuados para cargas moderadas y maquinaria en general. Los tipos de película de fluido —de patines oscilantes (Kingsbury) y de patines fijos con superficie cónica— hacen flotar el rotor sobre una película de aceite y soportan las cargas muy elevadas de grandes turbinas, compresores y máquinas verticales.
¿Por qué las máquinas verticales necesitan un cojinete de empuje especial?
En un eje vertical, el cojinete de empuje no solo soporta la fuerza axial del proceso, sino también el peso estático total del rotor, que actúa directamente a lo largo del eje. Por eso, las bombas verticales y los generadores hidroeléctricos utilizan grandes cojinetes de empuje de película de fluido dimensionados para la carga combinada.
¿Cómo se detecta un cojinete de empuje en fallo?
Los indicios más claros son el aumento de la vibración axial, una deriva en la posición axial medida del eje y un incremento en la temperatura del cojinete. Las sondas de proximidad axial, los acelerómetros y los sensores de temperatura se monitorizan con tendencias a lo largo del tiempo, y un analizador portátil puede confirmar el diagnóstico en una máquina en funcionamiento.
¿Qué provoca el fallo de los cojinetes de empuje?
La sobrecarga por encima de la capacidad nominal, el fallo de lubricación, la contaminación del aceite, la fatiga superficial (picaduras y desconchamientos), la desalineación del collar de empuje y la erosión eléctrica por corrientes en el eje. El sobrecalentamiento suele ser el punto final común que destruye el cojinete.
