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Guía sobre cargas en rodamientos
La carga del rodamiento está estrechamente relacionada con la vida útil y el rendimiento laboral del rodamiento. Comprender las cargas de los rodamientos es fundamental al diseñar nuevas aplicaciones, adaptar las existentes y, especialmente, al analizar las causas de las fallas y fallas de los rodamientos. Si se selecciona un rodamiento con una capacidad de carga insuficiente, puede provocar un desgaste prematuro, un sobrecalentamiento y consecuencias catastróficas.
En pocas palabras, la carga del rodamiento es la cantidad de fuerza o presión ejercida sobre el rodamiento. La carga del rodamiento se define como la fuerza transmitida de un aro del rodamiento a otro a través de algunos o todos los elementos rodantes. Las cargas aplicadas normalmente se transfieren al eje, luego al aro interior del rodamiento y finalmente al aro exterior del rodamiento. La magnitud y dirección de las cargas de los rodamientos dependen de una variedad de factores, incluido el peso de la máquina, la velocidad de operación, la aceleración, la desaceleración, los golpes, la vibración, la temperatura y lubricación. Una alineación, instalación o mantenimiento inadecuados también pueden afectar las cargas de los rodamientos. Las cargas de los rodamientos admiten muchas combinaciones diferentes, pero la mayoría de los tipos de cargas aplicadas se pueden reducir a los siguientes cuatro tipos principales:
Carga radial
Carga del eje
Precargado
Carga centrífuga
Este artículo analizará estos cuatro tipos de cargas aplicadas, cómo afectan la vida útil del rodamiento y cómo seleccionar qué rodamiento puede soportar mejor la carga aplicada adecuada.
Carga radial del rodamiento
La carga radial del rodamiento es la fuerza que actúa sobre el aro exterior del rodamiento perpendicular al eje del eje. Ejemplos típicos de cargas radiales sobre rodamientos son el peso de conjuntos de ejes horizontales, engranajes, poleas o herramientas de corte. Cuando funciona, el conjunto del eje empuja radialmente el aro interior del rodamiento y transmite la carga al aro exterior del rodamiento a través de los elementos rodantes. Las cargas radiales generalmente no transmiten fuerzas a los elementos rodantes de manera igual y uniforme. Por eso, cuando observas una carga, ves una distribución de fuerza con forma de curva de campana. El elemento rodante que está directamente sometido a la carga aplicada es el que soporta mayores fuerzas. Cada elemento rodante sucesivo transfiere cargas cada vez más pequeñas de una dirección a la otra. Para calcular la capacidad de carga radial de un rodamiento, es necesario determinar el peso que soporta y las fuerzas que actúan sobre él. Para distribuir la carga entre rodamientos, asegúrese de que las cargas calculadas estén dentro de la capacidad de carga máxima del rodamiento seleccionado según las especificaciones del fabricante. Si la aplicación impone cargas radiales sobre los rodamientos, los rodamientos radiales de bolas o los rodamientos de contacto angular serían una buena opción.
Carga axial del rodamiento
La carga axial del rodamiento es una fuerza paralela al eje del eje, que actúa sobre el aro interior o exterior del rodamiento, a veces denominada carga de empuje. Normalmente encontrará cargas axiales directamente alineadas con el eje, como una broca. Las cargas axiales son causadas por empuje o tensión y pueden ser unidireccionales o bidireccionales. Otras veces, las cargas axiales pueden ser cargas de reacción que están desplazadas del eje del eje, como en el caso de los engranajes cónicos. Las cargas axiales transfieren fuerzas a los elementos rodantes de manera igual y uniforme, lo que da como resultado una distribución equilibrada de la carga. Normalmente verás que la fuerza sobre cada bola se distribuye uniformemente. Debido a que la bola hace contacto con la pista de rodadura en ángulo, la fuerza resultante se irradiará hacia afuera y en línea con el eje del rodamiento. Si su aplicación impone cargas axiales sobre el rodamiento, una buena opción sería un rodamiento de contacto angular con un ángulo de contacto más alto (aproximadamente 25°). Sin embargo, con cargas axiales desplazadas, se ejercen fuerzas de momento sobre el aro interior, lo que da como resultado una distribución desigual de la carga sobre los elementos rodantes del rodamiento. Para calcular la capacidad de carga axial, considere el tamaño, el material y la geometría del rodamiento, así como la dirección y magnitud de la carga. Los fabricantes clasifican los rodamientos basándose en fórmulas y pruebas estandarizadas. Las aplicaciones con cargas axiales elevadas incluyen bombas, transmisiones automotrices y compresores.
Precarga del rodamiento
La precarga del rodamiento es un tipo especial de carga axial (o carga de empuje) del rodamiento. La precarga del rodamiento es la carga predeterminada aplicada al rodamiento y debe separarse de la carga aplicada. Agregar precarga del rodamiento crea una sinergia óptima entre los elementos rodantes y las pistas del rodamiento. El papel de la fuerza de precarga del rodamiento:
Prevenir resbalones excesivos
Aumenta la rigidez, reduce la vibración y la fricción por deslizamiento.
Alta precisión de funcionamiento, incluso con condiciones de carga cambiantes
Aumentar la capacidad de carga
En general, si está diseñando una aplicación de alta velocidad, considere utilizar una precarga ligera en rodamientos de contacto angular. Aubearing recomienda nuestros rodamientos de contacto angular SM o rodamientos de contacto angular KH. Por otro lado, si está diseñando una aplicación que requiere rigidez y precisión estrictas, es posible que desee considerar aplicar una precarga media o alta al rodamiento de contacto angular. rodamiento recomienda nuestra serie de rodamientos de contacto angular S.
Carga centrífuga del rodamiento
Las cargas centrífugas de los rodamientos surgen de la velocidad de rotación (RPM) de la aplicación, particularmente aplicaciones de alta velocidad como turbinas y centrífugas. Las aplicaciones de alta velocidad crean fuertes cargas centrífugas, que son uno de los factores que afectan la capacidad de la aplicación para alcanzar su velocidad máxima. A medida que los elementos rodantes del aro interior giran, quieren moverse tangencialmente a lo largo de una trayectoria recta, pero el aro exterior debe obligarlos a seguir el arco del rodamiento. Esta interacción crea cargas radiales centrífugas. La fuerza centrífuga es la fuerza que siente un objeto que se mueve a lo largo de una trayectoria curva hacia afuera desde el centro de rotación. Durante la rotación del rodamiento, la interacción entre los elementos rodantes y el aro exterior genera cargas radiales centrífugas, como sigue:
El anillo interior hace girar los elementos rodantes.
Un elemento rodante que sigue el movimiento desea continuar moviéndose en línea recta a lo largo de una trayectoria tangente al arco de rotación.
El aro exterior debe obligar a los elementos rodantes a continuar moviéndose a lo largo del arco del rodamiento.
La carga centrífuga es muy importante a la hora de seleccionar los rodamientos adecuados, ya que afecta su vida útil. Si la aplicación requiere alta velocidad, considere usar un rodamiento de contacto angular con bolas más pequeñas, como la serie KH de Aubearing. Otra opción es pasar de bolas de acero a bolas de cerámica. Las bolas más pequeñas y/o más ligeras reducen la masa giratoria y, por tanto, la carga centrífuga aplicada.
Extra: presión de contacto hertziana
Como se indicó anteriormente, todas las cargas que analizamos surgen de fuerzas de contacto que se transmiten de un aro de rodamiento a otro a través de los elementos rodantes. Pero lo que no mencionamos es que esta fuerza de contacto crea presión donde los elementos rodantes empujan contra la pista; esto se llama presión de contacto hertziana o tensión hertziana. La presión de contacto hertziana es un factor de referencia importante para determinar la cantidad y el tipo de carga que puede soportar un rodamiento. La capacidad de un rodamiento para soportar una carga depende de qué tan cerca esté la presión de contacto hertziana del límite de tensión del rodamiento. Cuanto más cerca esté el rodamiento de su límite de tensión, menor será el tiempo necesario para que el rodamiento sufra deformación plástica.
Por ejemplo, para acero AISI 52100 rodamientos de bolas, el límite de tensión generalmente aceptado es 4,200 MPa. Aubearing cree que la presión de contacto hertziana de las bolas de acero es superior a 1,500 MPa y la de las bolas de cerámica es superior a 1,800 MPa, lo que es suficiente para acercarse al límite de tensión y, por tanto, tener un impacto significativo en la vida útil general de la aplicación. Si la aplicación tiene una tensión alta en hercios, es posible que sea necesario realizar cambios en la aplicación para reducir la tensión. Algunas soluciones podrían ser cambiar el tamaño de los rodamientos, usar bolas de cerámica o agregar rodamientos al sistema para ayudar a distribuir la carga.
Calcular cargas de rodamientos
La capacidad de carga del rodamiento se puede calcular utilizando una variedad de fórmulas y programas de software, incluidos los del fabricante del rodamiento. Tabla de contenidos, calculadoras en línea y análisis de elementos finitos (FEA) simulaciones. Las fórmulas de carga radial y axial más utilizadas son:
Capacidad de carga radial = (C/P)^(1/3) x Fr
Capacidad de carga axial = (C0/P)^(1/2) x Fa
En la fórmula, C es la capacidad de carga dinámica básica, P es la carga dinámica equivalente del rodamiento, C0 es la capacidad de carga estática básica, Fr es la carga radial y Fa es la carga axial. Para obtener resultados precisos al calcular la capacidad de carga del rodamiento, busque asesoramiento de expertos o utilice un programa de software proporcionado por el fabricante del rodamiento.
Seleccionar rodamientos con suficiente capacidad de carga centrífuga es fundamental para aplicaciones de alta velocidad para evitar fallas prematuras. Las cargas centrífugas pueden causar deformación, vibración y fatiga de los rodamientos. Para calcular la capacidad de carga centrífuga, utilice fórmulas y programas de software como los proporcionados por el fabricante. Índice de contenidos, calculadoras en línea y simulaciones FEA. La fórmula más común es: capacidad de carga centrífuga = (C0/P) x V^2 x 10^-9. donde C0 es la capacidad de carga estática básica, P es la carga dinámica equivalente del rodamiento y V es la velocidad del rodamiento en rpm.
Carga nominal del rodamiento
Siempre expresamos la capacidad de carga de un rodamiento en Kgf (kilogramo de fuerza). Ésta es la fuerza que ejerce un kilogramo de masa sobre la superficie de la Tierra. En otros lugares, es posible que veas fuerzas expresadas en Newtons. Newton se define como la fuerza que acelera un kilogramo de masa a un metro por segundo (o 1 m/s²). Dado que la gravedad en la superficie de la Tierra es 9.80665 m/s², 1 Kgf = 9.80665 Newtons, pero para simplificar, digamos 1 Kgf = 10 Newtons.
Carga radial dinámica nominal
La definición oficial de capacidad de carga radial dinámica es: “una carga radial estática constante en la que el 90% de un conjunto de rodamientos idénticos de acero al cromo (con solo el aro interior girando) puede soportar un millón de revoluciones antes de mostrar signos de fatiga”. Un millón de rpm parece una cifra elevada, pero comprobémoslo de nuevo. Si funcionaran a unas 10,000 revoluciones por minuto (rpm) con la carga dinámica máxima aplicada, los rodamientos sólo durarían una hora y media (aproximadamente 100 minutos). Estos números se utilizan para calcular la vida útil nominal, pero los rodamientos no deben estar sujetos a tales cargas en aplicaciones normales a menos que no espere que duren mucho tiempo. Si se requiere una vida útil prolongada, es mejor limitar la carga real entre el 6% y el 12% de la capacidad de carga dinámica del rodamiento. Puede soportar cargas más pesadas, pero la vida se acortará. AISI440C/KS440 rodamientos de acero inoxidable soportará aproximadamente entre el 80% y el 85% de la carga del rodamiento de acero al cromo. La capacidad de carga de un rodamiento axial se basa en una carga axial constante durante un millón de revoluciones. El equipo de expertos de Aubearing puede ayudar a proporcionar datos de clasificación de vida útil para una variedad de rodamientos diferentes.
Carga radial estática nominal
La clasificación de carga radial estática es la carga radial pura (o carga axial para rodamientos de empuje) que provoca una deformación permanente completa de la bola o la pista de rodadura. Las cargas estáticas cercanas a este número pueden ser soportables para algunas aplicaciones, pero no cuando se requiere suavidad o precisión. La capacidad de carga estática de los rodamientos de acero inoxidable es aproximadamente del 75 % al 80 % de la capacidad de carga de los rodamientos de acero al cromo. La capacidad de carga de los rodamientos puede verse limitada por el lubricante. Algunos lubricantes sólo son adecuados para cargas ligeras, mientras que otros están diseñados para aplicaciones de carga elevada. Los rodamientos totalmente llenos tienen capacidades de carga más altas. La capacidad de carga axial de los rodamientos radiales de bolas se puede aumentar especificando un juego radial flojo.
Carga axial nominal
Los tipos de rodamientos de servicio pesado, como las series 6200 o 6300, pueden soportar cargas axiales de hasta el 50 % de la carga radial estática nominal. Debido a sus pistas de rodadura poco profundas, los rodamientos rígidos de bolas de sección delgada solo pueden soportar cargas axiales entre el 10% y el 30% de la carga radial estática nominal del rodamiento. Tenga en cuenta que estos números se basan en cargas puramente axiales. Las cargas o momentos radiales adicionales (cargas de desalineación) tendrán un impacto en la capacidad de carga axial. Exceder los límites totales recomendados para cargas combinadas afectará negativamente la vida útil del rodamiento. Los rodamientos de bolas sin jaula tienen ranuras de llenado mecanizadas en los aros interior y exterior. Esta ranura interfiere con la rotación de la bola bajo cargas axiales, por lo que no se recomienda el uso de rodamientos totalmente llenos bajo cargas axiales.
Efecto de la carga del rodamiento sobre la vida.
Seleccionar los rodamientos adecuados con la capacidad de carga adecuada es fundamental para el funcionamiento eficiente y la durabilidad de la maquinaria. Una capacidad demasiado pequeña puede provocar fallos prematuros, tiempos de inactividad, reparaciones y riesgos para la seguridad, mientras que una carga excesiva puede provocar sobrecalentamiento, desgaste y un mayor consumo de energía. Una capacidad de carga incorrecta puede provocar fallas catastróficas, riesgos para la seguridad y costosos tiempos de inactividad. Consulte a un experto o al fabricante de rodamientos para garantizar la capacidad adecuada para su aplicación.
La vida de fatiga básica, conocida como L10, se calcula como el número de revoluciones a las que el 90% de todos los rodamientos de un grupo específico alcanzan o superan el tiempo calculado hasta el fallo (probabilidad de fallo: 10%). Busque la capacidad dinámica del rodamiento en un catálogo, estime la carga radial y la velocidad de rotación y podrá calcular la suya propia. Vida útil del rodamiento L10. El cálculo de vida útil L10 indica la vida útil del rodamiento en sus condiciones operativas con una precisión del 90 %.
Por lo tanto, las cargas normalmente se obtienen multiplicando los valores teóricos por varios factores a lo largo del tiempo. Hay muchas matemáticas involucradas, pero puedes encontrar la información en el sitio web de Aubearing.
Elija el rodamiento correcto
Al seleccionar rodamientos, considere los requisitos de la aplicación, el tipo de carga, la velocidad, el ambiente y la temperatura. Los rodamientos de bolas son adecuados para cargas bajas y medias, mientras que los rodamientos de rodillos son adecuados para cargas más elevadas. Los cojinetes deslizantes son adecuados para maquinaria de baja velocidad y alta carga. Mantenga los rodamientos con inspección, limpieza y lubricación periódicas para garantizar un rendimiento y una vida útil óptimos. Hay una serie de cosas que los fabricantes pueden hacer para garantizar que sus rodamientos tengan una vida útil larga y exitosa. El primer paso es limitar las cargas radiales entre el 6% y el 12% de la capacidad de carga dinámica del rodamiento. Aunque los rodamientos pueden soportar cargas mayores, su vida útil se acorta.
El siguiente paso es elegir el material adecuado. La experiencia de Aubearing como especialista en rodamientos en miniatura y rodamientos cerámicos de sección delgada, resistentes a la corrosión. Elegir el tipo de rodamiento adecuado también puede marcar la diferencia. Aunque todos los rodamientos radiales de bolas tienen cierta capacidad de carga de empuje, si hay cargas de empuje mayores, generalmente es mejor usar rodamientos de servicio pesado con pistas de rodadura profundas, ya que estos rodamientos pueden soportar cargas axiales de hasta el 50% de la carga radial estática. Capacidad de carga.
Aunque los rodamientos de paredes delgadas (donde la diferencia entre los diámetros interior y exterior del rodamiento es pequeña) son excelentes por su compacidad y ahorro de peso. Debido a que las pistas de rodadura son poco profundas, solo pueden soportar cargas axiales entre el 10% y el 30% de la carga radial estática nominal del rodamiento. Las cargas radiales o de momento adicionales reducirán aún más las capacidades de carga de empuje. Las cargas de empuje excesivas en los rodamientos de paredes delgadas pueden hacer que las bolas se acerquen peligrosamente a la parte superior de la pista de rodadura. Al seleccionar el tipo de rodamiento correcto y considerar los factores clave que controlan las cargas radiales y de empuje, los ingenieros pueden asegurarse de continuar innovando y al mismo tiempo ofrecer los más altos niveles de precisión, suavidad y vida útil del rodamiento.
Conclusión
Para seleccionar el rodamiento correcto para una aplicación, es fundamental comprender las cargas del rodamiento. Las cargas radiales, axiales y centrífugas determinan la capacidad de carga adecuada. Aubearing ofrece una amplia gama de rodamientos adecuados para diferentes condiciones y aplicaciones, así como productos de alta calidad y asesoramiento de expertos. Aubearing fabrica principalmente rodamientos de bolas y rodamientos de rodillos para su uso en diversas industrias en los Estados Unidos y en todo el mundo.
Nuestros rodamientos de calidad industrial no solo deben proporcionar una larga vida útil de acuerdo con los estándares de fatiga por rodadura, sino que también deben mantenerse unidos estructuralmente para protegerlos contra golpes, sobrecargas y excursiones ocasionales a alta velocidad. Con este fin, se optimiza el diseño de cada rodamiento, incluidos nuestros rodamientos de gran diámetro.