Por Harvey Nixon, Thomas Springer, Michael Hoeprich, Douglas Clouse, The TIMKEN COMPANY
Se ha identificado la contaminación en lubricantes con partículas residuales como la principal causa en el deterioro prematuro del rodamiento o del engranaje, con los costes asociados en tiempo de inactividad del equipo, garantía, y pérdida de productividad. Se han llevado a cabo varios métodos experimentales y predictivos para ayudar al ingeniero de diseño en el análisis y desarrollo de la maquinaria que sea menos sensible a dicha contaminación. Este documento ofrece una visión y nuevos datos comparando los resultados de ensayos de vida del rodamiento y métodos de análisis predictivo para varios rodamientos de rodillos cónicos funcionando en condiciones de suciedad. El trabajo realizado recientemente ha depurado un método analítico (utilizando una técnica de caracterización superficial), correlacionando este método con los ensayos de vida de los rodamientos en condiciones de suciedad y señalaron modificaciones en diseño y fabricación de los rodamientos para alargar la vida de los rodamientos en condiciones ambientales de contaminación de deshechos.
Calificación de la Contaminación
Los ingenieros de diseño de maquinaria tienen muchas herramientas de análisis de lubricante contaminado para ayudarles a evaluar los efectos perjudiciales de las partículas de desecho en el desgaste de la maquinaria y, por su uso, pueden monitorizar la pérdida consecuente en el rendimiento [1, 2, 3, 4]. Otras están dirigidas a determinar los componentes del material y características de la contaminación del lubricante [5]. La mayoría de las herramientas de análisis mencionadas se utilizan para la monitorización y comprensión de la evolución de las averías del equipo, así como el nivel de contaminación de lubricante para el mantenimiento predictivo y preventivo. Pero hacen poco para ayudar a evaluar el impacto causado por los desechos en el engranaje y en la superficie del rodamiento y de su relación con la fatiga de sus materiales.
Método de Calificación de Superficie
Nixon y Cogdell desarrollaron un método para evaluar el efecto perjudicial de los entornos con lubricantes contaminados con desechos [6] que están etiquetados adecuadamente como Debris Signature AnalysisSM. El siguiente estudio de campo, realizado en cooperación con un equipo de fabricantes, es un ejemplo de la ventaja que este método de calificación de superficie puede proporcionar en la evaluación de los sistemas de equipamiento. El método estándar para determinar la distribución de tamaño de partículas y los niveles de concentración se usó para monitorizar los niveles de contaminación en una aplicación de cliente. Los rodamientos de estas unidades se retiraron del servicio después de un largo periodo de tiempo y fueron examinados para ver los daños de los residuos tanto visualmente como por el método de calificación de superficie con el fin de cuantificar los niveles de daño. La Tabla 1 muestra la distribución y concentración de partículas observadas tras un periodo de funcionamiento del equipo. La Figura 1 muestra una típica apariencia visual de la superficie del rodamiento después del mismo tiempo de funcionamiento.
FIGURE 1 –Micrograph of typical bearing load carrying surface with extremely large dent
Es evidente que en estas comparativas visuales, el análisis del lubricante no mostró el nivel de deterioro de la superficie que se esperaba. Con la comparativa de los datos de la Tabla1, tenemos la certeza que la muestra del lubricante no predijo partículas mayores de 300 un. No obstante, la comparación visual de las mellas, algunas de unos 6 mm de diámetro, indica la presencia de grandes partículas del orden de 100 veces mayores que las partículas de 300 um de la muestra de lubricante. El método Debris Sigantura AnalysisSM se utilizó para determinar con mayor precisión el daño de la superficie e indicaron que cabría prever un 42% de disminución en la vida del rodamiento. Este ejemplo sirve para ilustrar la necesidad de vincular la caracterización de la superficie con el daño producido por la contaminación.
Comparaciones del Rendimiento del Producto
Como parte del proceso de evaluación para evaluar y predecir el rendimiento del rodamiento bajo condiciones de contaminación por deshechos, se han llevado a cabo varios ensayos de vida de rodamientos y se ha utilizado un método estandarizado para aplicar daños causados por residuos [7]. Los rodamientos probados fueron pre-mellados y no se añadieron residuos durante estos ensayos.
En la Figura 2, se muestra una comparativa del rendimiento de los cinco fabricantes más importantes de rodamientos de rodillos cónicos. Anteriormente este ensayo fue reportado [8] y se realizó en lo que se considera el producto estándar, fabricado con el proceso convencional común a cada fabricante en concreto. Los resultados entre este grupo variaron con un factor tres, obteniendo Brg A el rendimiento relativo más alto. Brg B y Brg E utilizaron un proceso y material endurecido, los otros rodamientos C y D fueron fabricados en parte o en su totalidad por componentes carburizados.
FIGURA 2 – Comparativa de Ensayo de Vida, diámetro exterior del rodamiento 73 mm
Con fines estadísticos, los resultados de los ensayos de vida se muestran entre corchetes con una banda de fiabilidad del 65%. El ancho de estas bandas se calcula basándose en el tamaño de las muestras y la dispersión de los fallos en los ensayos y es una función de la pendiente Weibull. Cuando estas bandas se superponen entre los grupos de prueba, no se puede constatar una diferencia significativa en rendimiento de forma estadística con una fiabilidad del 90%.
Ensayo de los Rodamientos Convencionales frente a los Rodamientos Especiales Resistentes a Residuos
Se han realizado ensayos con un producto convencional de un fabricante (Brg A) y con productos especiales “resistentes a residuos” de otros dos fabricantes. Aquí los productos especiales resistentes a residuos resultaron diez veces más duraderos en procesos convencionales.
La Figura 3 muestra los resultados normalizados de los ensayos de daños con residuos en condiciones idénticas a las de la Figura 2. En esta Brg A tuvo unos resultados de vida del rodamiento que superó ligeramente los resultados del rodamiento especial.
FIGURA 3 – Comparativa de Ensayo de Vida de un rodamiento convencional y uno especial “resistente a los residuos” (diámetro exterior 83mm)
La Figure 4 muestra los resultados de un ensayo de vida en condiciones similares a las de la Figura 2, exceptuando un cambio en la media de residuos. Solo se originaron pequeños daños por residuos. Aquí se aplicó el Debris Signature Analysis al Brg A convencional, y se pronosticó una reducción de vida límite debida a los residuos. Bajo estas condiciones Brg A obtuvo resultados similares a los del rodamiento especial.
FIGURA 4 – Comparativa de Ensayo de Vida de un rodamiento convencional frente a uno especial “resistente a residuos” (diámetro exterior 68 mm)
La Figura 5 muestra los resultados normalizados con un gran rodamiento de diámetro exterior 318 mm. Se aplicaron distintas condiciones en el ensayo de vida (causado en parte por el uso del gran rodamiento de prueba) así como una nueva media de residuos y un nuevo método. El resultado fue unos daños por residuos de moderado a severo. Se aplicó el Debris Signature Analysys al Brg A convencional y se obtuvo una reducción de vida 3 veces mayor. Bajo estas condiciones Brg A tuvo unos resultados en el ensayo de vida que excedieron de forma significante a los resultados de los rodamientos especiales.
FIGURA 5 – Comparativa de Ensayo de Vida de un rodamiento convencional frente a uno especial “resistente a residuos” (diámetro exterior 318 mm)
Una conclusión de estos ensayos es que las diferencias en el proceso de fabricación, los materiales y las prácticas metalúrgicas utilizadas por los diferentes fabricantes en la producción de los rodamientos impactan sobre la vida de los rodamientos en entornos con residuos.
Aumentar el nivel de rendimiento
Estudiando los parámetros de tratamiento y diseño metalúrgico utilizados para fabricar Brg A, se creó una propuesta mejorada de resistencia a los residuos. El objetivo era mejorar las propiedades mecánicas de fuerza, ductilidad y dureza del rodamiento, particularmente en las superficies de contacto (rodadura). La propuesta incluía un cambio en el diseño de las especificaciones clave y el endurecimiento de los límites de control del proceso para unos determinados parámetros, particularmente durante el tratamiento térmico. La especificación del cliente implica seleccionar parámetros que incluyen la química de materiales, austerita residual, micro estructura y control posterior al tratamiento térmico de las propiedades las capas cercanas a la superficie.
Los resultados de esta nueva propuesta se muestran en la Figura 6. En este esquema particular del ensayo de la vida de dos grupos de partida de mellas de residuos fueron aproximadamente de 2 a 3 veces menores que la vida prevista sin mellas. Se aplicó el Debris Signature Analysis y se pronosticó un factor de reducción de vida por residuos entre el 0,4 y el 0,5 para estos rodamientos de partida.
FIGURA 6 – Comparativa de Ensayo de vida de un rodamiento de “resistencia de residuos” con un convencional (diámetro exterior 248 mm)
Se demostró que el rendimiento de los rodamientos resistentes a residuos era mucho mayor que el de los grupos de referencia con límite superior de confianza del 65%, cruzando la línea para la que estaba previsto que no hubiera daño por residuos. Por lo tanto el nuevo rodamiento resiste al residuo negó los efectos del daño por residuos e incrementó la vida del rodamiento hasta 2,3 veces sobre los dos grupos de rodamiento de referencia fabricados con un proceso convencional. Este rodamiento resistente a los residuos se ofrece actualmente con una vida de duración 2 veces superior en entornos con residuos.
Modelo de Predicción de Vida
La base teórica de la herramienta para predecir la vida de los residuos fue presentada por Ai [12] en donde se determinan los efectos de las mellas de los residuos en las rodaduras en los ensayos de estrés y fatiga. El modelo se verificó con pruebas de rodamientos con mella de residuo utilizando los rodamientos con las características de rendimiento representados por Brg A.
Debido a que los residuos en aplicaciones cubren muchos tamaños de partículas, se utilizó un programa para determina el efecto de la contaminación del lubricante con tamaños razonables de partículas. Se utilizaron dos planteamientos. El primer planteamiento simuló tamaños de partículas que correlacionaban con el código ISO4406. Se mezclaron 52100 partículas de residuos de acero ISO 13/10, 15/12, 17/14, 18/16, y 21/18 con lubricante y se utilizaron con rodamientos mellados como explica Nixon [7]. Como ejemplo, la Figura 7 muestra la distribución de partículas utilizada para el grado de limpieza ISO 4406 21/18 y 15/12. Estas distribuciones se desarrollaron de los análisis y caracterización ISO 4406 del aceite usado contaminado con residuos. Se marcaron ópticamente las superficies melladas del rodamiento para obtener el tamaño de la mella y densidad de la superficie de las distribuciones. De este modo se obtiene un perfil Debris Signature Analysis SM para cada una de las condiciones de residuos. Se archivaron los ficheros de datos que contenían los tamaños de las mellas y densidades de superficie para que los ingenieros los utilicen en el análisis de duración de los rodamientos que pudieran funcionar en estos entornos.
FIGURE 7 – Distribuciones de Partículas para dos códigos específicos ISO
El Segundo planteamiento fue obtener rodamientos de las aplicaciones actuales y clasificar visualmente los tamaños y densidad de la superficie de las mellas en estos rodamientos para futuros análisis de vida. Eran rodamientos mayores de los que normalmente se usan en condiciones duras de contaminación y se pueden describir de forma adecuada por la ISO 4406. Los ingenieros pueden utilizar fotografías de estas superficies melladas para selecciona el nivel de daño en la superficie que se ve en sus aplicaciones.
El análisis de un ensayo de vida típico del lubricante realizado en máquinas estándar de ensayo de vida han mostrado que el grado de limpieza base es ISO 15/12. El factor de vida del residuo tiene un valor de 1.0 en este grado de limpieza. Un lubricante más limpio mejoraría la vida y uno con más residuos la reduciría.
Para determinar el factor de reducción de vida, se utiliza el archivo de datos de mella de Debris Signature Analysis SM. Las cargas de contacto en los elementos rodantes se determinan para las condiciones de aplicación con el fin de determinar la tensión de contacto y el área de contacto. Se puede determinar el efecto del tamaño y cantidad de las mellas en la vida del rodamiento en este entorno. La Figura 8 muestra una gráfica de los factores de vida de residuos (a3D) para un agujero de 33mm de un rodamiento de rodillo cónico con diferentes grados de limpieza de lubricante y las cargas radiales en términos de porcentaje C(90). Se puede ver que con mayores cargas el efecto de variar los niveles de residuos se reduce porque el efecto neto en el nivel general de tensión se reduce al contrario que el mayor efecto de modificar el nivel de tensión general en cargas menores.
En la Figura 2, se muestra que los rodamientos de acero endurecido pueden ser más sensibles a las mellas por residuos que los rodamientos hechos de acero carburizado. La Figura 6 muestra que los rodamientos carburizados pueden ser más resistentes a los residuos. La Figura 9 muestra la diferencia en los factores de vida de los residuos para los rodamientos fabricados con esos materiales en entornos de contaminación moderada. Los rodamientos fabricados con acero endurecido tiene una vida más corta que los de acero carburizado. Como cabía esperar la microestructura de los rodamientos resistentes a residuos mejora la vida del rodamiento en los entornos más contaminados.
FIGURA 8 – Ajuste de vida del residuo según la carga y varios códigos ISO
FIGURE 9 – Factores de vida del residuo según los materiales del rodamiento
Se han realizado ensayos de vida a muchos rodamientos con mellas de residuos en las máquinas de ensayo de vida del autor. La correlación entre la disminución de vida experimentada y la predicha en este planteamiento se muestra en la Figura 10. [15]. Para el rodamiento del autor, este modelo ha mostrado una conexión práctica entre las mellas por residuos y el subsecuente daño por fatiga.
FIGURA 10 – Comparativa de resultados experimentales con predicciones del modelo
Conclusiones
Se han sacado las siguientes conclusiones y observaciones como consecuencia del análisis de los resultados de los test de experiencia y experimentales.
1) En los sistemas de alta conminación, el uso exclusivo de los métodos de análisis de lubricante no resulta fiable para vincular el daño del rodamiento y el resultado de su uso.
2) Los ensayos de fatiga de los rodamientos para evaluar la sensibilidad del daño por residuos, pueden ser una herramienta útil para diferenciar el rendimiento de los productos.
3) Los ensayos de vida estandarizados con residuos muestran que los rodamientos convencionales y los resistentes a residuos de diferentes fabricantes tienen niveles de rendimiento considerablemente diferentes. Estas diferencias deben tenerse en cuenta cuando se hacen comparativas de jerarquías de productos resistentes a residuos y cuando se utilizan herramientas de predicción de rendimiento.
4) Se espera que el método de medida de daños de Debris Signature AnalysisSM sea más preciso que otros planteamientos con lubricante contaminado para cuantificar las diferencias de daños.
5) Debris Signature AnalysisSM debería suministrar una herramienta para comparar, de una forma cuantificable, los entornos de contaminación de los equipos que hayan sido exitosos en el proceso con aquellos que no lo han sido.
6) El nuevo modelo de predicción de vida proporciona una conexión práctica entre las mellas actuales de residuos y el daño subsecuente por fatiga.
Referencias
- Anderson, D. P., “Wear Particle Atlas (Revised),” Predict/DLI, Cleveland, OH, 1995.
- Anonymous, “Standard Test Method for Insoluble Contamination of Hydraulic Fluids by Gravimetric Analysis,” ASTM D4898-90, ASTM, W. Conshohocken, PA, 1996
- Glaeser, W. A., “Use of Surface Analysis Techniques in the Study of Wear,” Wear, Vol. 100, No. 1-3, pp. 477-487, December 1984
- Ives, L. K., “Electron Microscopy,” ASM Handbook, Vol. 18, Friction, Lubrication and Wear Technology, ASM International, 1995
- Poley, J., “Oil Analysis for Monitoring Hydraulic Oil Systems, A Step-Stage Approach,” Lubrication Engineering, Vol. 46, No. 1, 1990 pp 41-47
- Nixon, H.P., Cogdell, J. D., “Debris Signature AnalysisSM: A Method for Assessing the Detrimental Effect of Specific Debris Contaminated Lubrication Environments”, SAE Paper 9814781998
- Nixon, H.P., Zantopulos, H., Cogdell,J.D.,“A Standardized Method for Evaluating Debris Resistance of Rolling Element Bearings,” SAE Tech. Paper Series 940728, (1994)
- Nixon, H.P., Ai, Xiaolan, Cogdell, J.D., Fox, G.P., “Assessing and Predicting the Performance of Bearings in Debris Contaminated Lubrication Environment”, SAE Paper 1999-01-2791
- Ai, Xiaolan and Nixon, Harvey P., “Fatigue Life Reduction of Roller Bearings Due to Debris Denting: Part I – Theoretical Modeling,” Tribology Transactions, Vol. 43 (2000),2, pp. 197-204
- Ai, X., “Effects of Debris Contamination on the Fatigue Life of Roller Bearings”, 2001
All images: The Timken Company
