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ANALISIS DE FALLA EN RODAMIENTOS VIDA UTIL DE UN RODAMIENTO Un rodamiento no puede rotar para siempre. A menos que las condiciones de operación sean las ideales y que la carga límite de fatiga nunca sea alcanzada TARDE O TEMPRANO LA FATIGA OCURRE En el 70% de los casos, se trata de una lubricación i...

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ANALISIS DE FALLA EN RODAMIENTOS

VIDA UTIL DE UN RODAMIENTO Un rodamiento no puede rotar para siempre. A menos que las condiciones de operación sean las ideales y que la carga límite de fatiga nunca sea alcanzada TARDE O TEMPRANO LA FATIGA OCURRE

En el 70% de los casos, se trata de una lubricación incorrecta: exagerada o no suficiente; lubricante inadecuado, etc… En el 18%, de una contaminación: entrada de líquido o de partículas sólidas, por eso la importancia de las juntas de estanquidad cuyo fallo puede resultar en una fuga de grasa y una entrada de contaminación. En el 10%, de un montaje incorrecto: montaje brutal, recalentamiento excesivo, ajuste y juegos incorrectos, apriete excesivo del manguito cónico, defectos geométricos… Y en el 2%, de varias causas: utilización bajo cargas inadecuadas, defectos de ajuste, corrosión ligada al contacto, paso de corriente eléctrica…

La fatiga es el resultado de las tensiones de corte cíclicas y aparece debajo de la superficie de carga

A pesar de que se utilice correctamente (en particular con una lubricación apropiada), las grietas aparecen y se desarrollan hasta que pedacitos de materia se separan. Eso significa la destrucción progresiva del rodamiento hasta su “muerte” anunciada. Se hace entonces referencia a la exfoliación. La pista de rodadura está deteriorada. El rodamiento pierde sus propiedades iniciales, ya no puede funcionar normalmente.

Corte micrográfico: evolución de la exfoliación Los esfuerzos que se aplican a las pistas de rodadura resultan a plazo más o menos largo en una grieta dentro del acero: inclusiones en subcapa y luego una grieta.

PROGRESO DE FALLA

La vida de un rodamiento está definida por el número de revoluciones que el rodamiento puede dar antes que el descascarado incipiente ocurra El descascarado es un proceso largo de perdida de material en la zona de la falla y se pone de manifiesto por el ruido y el nivel de vibraciones aumentado

Es importante recordar que en la práctica los rodamientos tienen vida útil limitada, las elevadas tensiones repetidas en la zona de contacto de los elementos rodantes y las pistas eventualmente resultarán en daños por fatiga en dichas superficies. Existe un gran número de otras razones porque los rodamientos fallan y es crucial distinguir entre estas y la fatiga normal cuando se investiga una falla.

Cada una de las diferentes causas de falla en rodamientos produce su propio daño característico. Este daño, conocido como daño primario, da lugar al daño secundario, daño inducido por falla (descascarado y fisurado)

DAÑO PRIMARIO • • • • • • •

Desgaste Indentaciones Manchado Distress (agotamiento) Sobrecarga superficial Corrosión Pasaje de corriente eléctrica

DAÑO SECUNDARIO • • •

Descascarado Fisuras Daños en el separador (jaula)

DESGASTE • • •

Causado por partículas abrasivas Causado por inadecuada lubricación Causado por vibración

INDENTACIONES • •

Causadas por errores de montaje o sobrecargas Causadas por partículas extrañas

MANCHAS O SEÑALES DE FRICCION • • •

•

Manchas o marcas de elementos rodantes en las guías de las pistas Manchas en los elementos rodantes y en las pistas de rodadura Marcas en la pista a intervalos correspondientes a la separación de los elementos rodantes Marcas en la superficie externa

AGOTAMIENTO SUPERFICIAL (DISTRESS) Inicialmente el daño no es visible a simple vista. En un estado mas avanzado aparecen marcas de crateres de poca profundidad y superficie fracturada. La figura N° 1 muestra el agotamiento superficial en forma de banda circunferencial en un rodillo de un rodamiento La figura N° 2 muestra la misma superficie bajo un aumento de 100X

Figura N° 1

Figura N° 2

CORROSION Oxidación profunda

Corrosión por fricción (fretting)

PASO DE CORRIENTE ELECTRICA

DESCASCARADO • • • • • • • • •

Causado a precarga Causado a compresión oval Causado por compresión axial Causado por desalineación Causado por indentaciones Causado por marcado Causado por oxidación profunda Causado por corrosión por fricción Causado por pozos o cráteres

FISURAS • • • •

Causadas por manipulación brusca Causadas por fuerza de montaje excesiva (drive up) Causadas por marcas Causadas por corrosión por fricción

DAÑOS EN EL SEPARADOR (JAULA) • • • •

Vibración Velocidad excesiva Desgaste Bloqueo

INSPECCION DE RODAMIENTO CON FALLA ANTES Y DESPUES DE REMOVERLO • • • • • • • • • •

Obtener datos de operación, analizar los registros del rodamiento de acuerdo a los equipos de monitoreo. Extraer muestras de lubricante para determinar las condiciones de lubricación Chequear el ambiente en el que se desempeña el rodamiento buscando influencias externas al mismo. Evaluar el rodamiento en su posición de montaje Marcar la posición de montaje en el eje, la carcasa y el alojamiento. Remover el rodamiento Chequear el alojamiento del rodamiento Evaluar el rodamiento Examinar las partes del rodamiento Consultar con especialistas entregando los datos recabados

MARCAS DEBIDAS A RODAMIENTO DE BOLAS DESALINEADO

FATIGA

IMPERFECCIONES EN LA ESTRUCTURA CRISTALINA U OTROS DEFECTOS METALURGICOS PROVEEN EL AMBIENTE PROPICIO PARA QUE OCURRA LA FATIGA

FACTORES A TENER EN CUENTA PARA EVITAR LAS SITUACIONES DE FATIGA EN GENERAL

DISEÑO GRAN INFLUENCIA EN LA FATIGA DEBIDO A POSIBLE DISCONTINUIDAD GEOMETRICA QUE PROVOQUE CONCENTRACION DE TENSIONES TRATAMIENTOS SUPERFICIALES LAS OPERACIONES DE MECANIZADO PRODUCEN PEQUEÑAS LINEAS DE PASO DE LA HERRAMIENTA, ESTAS ACTUAN COMO PEQUEÑAS GRIETAS Y POR ENDE COMO CONCENTRADORAS DE TENSIONES. UN PROCESO DE GRANALLADO INDUCE CARGAS DE COMPRESION EN EL MATERIAL QUE MEJORA LA CAPACIDAD DE SOPORTAR LAS CARGAS DE FATIGA FUTURAS. ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL SE MEJORA LA RESISTENCIA A LA FATIGA CON PROCESOS DE CARBURACION O NITRURACION UNA VEZ MAS LA MEJORA RADICA EN LA DUREZA DE KLA CAPA TRATADA Y LAS CARGAS DE COMPRESION RESIDUALES POR EL ENDURECIMIENTO FATIGA TERMICA OCURRE A TEMPERATURAS ELEVADAS. LAS TENSIONES FLUCTUANTES SON ORIGINADAS POR LA RESTRICCION A LA DILATACION O CONTRACCION QUE NORMALMENTE OCURRE EN LOS MATERIALES A TEMPERATURA.

FATIGA EN RODAMIENTOS

34% de las fallas de rodamientos son causadas por fatiga. En términos generales hablamos de los rodamientos sobrecargados sometidos a tensiones ciclícas, mal aplicados (rodamientos diseñados para ser usados en posición vertical e instalados horizontalmente) o falta de protección por la grasa, poca adherencia, alta consistencia o pobre resistencia a los contaminantes (agua, temperatura, gases, etc.). La fatiga con corrosión ocurre por acción de una tensión cíclica y ataque químico simultáneo. Lógicamente los medios corrosivos tienen una influencia negativa y reducen la vida a fatiga, incluso la atmósfera normal afecta a algunos materiales. A consecuencia pueden producirse pequeñas fisuras o picaduras que se comportarán como concentradoras de tensiones originando grietas. La velocidad de propagación también aumenta en el medio corrosivo puesto que el medio corrosivo también corroerá el interior de la grieta produciendo nuevos concentradores de tensiónes.

FALLA POR FATIGA

COMIENZO DE FATIGA CON INDICACION

FATIGA AVANZADA

FATIGA PREMATURA

• • • •

Desalineación Errores de montaje Corrosión estacionaria Impronta estática (falso brinelling)

DESALINEACION

MARCAS EN LA PARTE LATERAL DE LA PISTA DEBIDO A DESALINEACION

CARACTERISTICAS La desalineación de un rodamiento causa una sobrecarga en un borde de la pista, esta sobretensión en la pista de rodadura puede resultar en fatiga prematura. Esto es fácilmente reconocido ya que es un daño claramente restringido a un lateral de la pista

ERRORES DE MONTAJE

INDENTACIONES PROVOCADAS POR DEFORMACION PLASTICA DEBIDO A TECNICA INADECUADA DE MONTAJE

Interferencia excesiva de montaje puede resultar también en fractura de los anillos.

CORROSION ESTACIONARIA

CARACTERISTICAS La corrosión puede ocurrir cuando el rodamiento esté estacionario y no sea adecuadamente protegido por el lubricante. O bien la corrosión ocurrirá en el estrecho contacto entre los elementos de rodadura y la pista a través de un mecanismo conocido como corrosión por crevice.

FALSO BRINELLING

MARCAS ESPACIADAS DE FORMA IDENTICA A LOS ELEMENTOS RODANTES

CARACTERISTICAS Si un rodamiento está sujeto a vibraciones cuando está estacionario, ocurrirá daño por fricción (fretting corrosion) en el punto de contacto, dando lugar al fenómeno conocido como falso brinelling (impronta falsa o estrías). En este fenómeno el material no es desplazado sino removido y puede ocurrir en grandes rodamientos, aún, cuando estos no hayan sido instalados.

FALLAS DE LUBRICACION Los rodamientos tienen dos requerimientos de lubricación bien definidos: • Una película lubricante para proteger las superficies de la jaula donde el contacto deslizante ocurre, y • Una película elastohidrodinámica de lubricante que se forma en la zona de contacto de los elementos rodantes. La ruptura de cualquiera de estos mecanismos da lugar a un tipo característico de daño.

FALLAS DE LUBRICACION

Desgaste de la jaula (separador) debido a perdida de lubricante.

FALLAS DE LUBRICACION

Desgaste de la jaula (separador)

FALLAS DE LUBRICACION En operación normal la carga en el contacto deslizante entre elementos rodantes y separador, o entre pistas y separador, es baja y los requerimientos de lubricación son modestos. El desgaste ocurre, sin embargo, si hay insuficiente aceite o si la grasa está endurecida debido a la oxidación o a la perdida de aceite de la misma. Este desgaste está siempre confinado en el separador ya que este es más blando.

FALLAS DE LUBRICACION

Existe la necesidad de generar una película satisfactoria en la zona de contacto de rodadura; en la mayoría de los casos esta será una película elastohidrodinámica, pero en rodamientos altamente cargados esta película puede ser desarrollada por la reacción de los aditivos de extrema presión en el aceite. Una falla en la conformación de una película satisfactoria facilitará un tipo de daño por frotamiento usualmente llamado distress superficial (agotamiento superficial)

FALLAS DE LUBRICACION

Distress superficial por marcado profundo en un rodamiento de bolas causado por la rotura de la película elastohidrodinámica de lubricación.

FALLAS DE LUBRICACION Una característica de ambos tipos de falla de lubricación es que la temperatura se eleva con el incremento de la fricción en el rodamiento. Esto puede provocar la rotura de la película de lubricante que será detectada después de que la falla ocurra, dado que excesivo calor es generado se desarrollará un gradiente térmico suficiente entre la pista interior y la exterior. Esto resultará en una perdida del juego interno del rodamiento, dando lugar a un tipo distinto de falla ( falla por perdida de juego interno)

FALLA POR PERDIDA DE JUEGO INTERNO

Falla por perdida del juego interno

FALLA POR PERDIDA DE JUEGO INTERNO

Daño en un motor y bomba debido a perdida del juego interno en el rodamiento del lado acoplamiento de la bomba.

FALLA POR PERDIDA DE JUEGO INTERNO La condición óptima para un rodamiento es cuando el juego interno es cero. Muchos rodamientos funcionan con precarga (p.e.: desalineación) o sea sin juego interno residual y la rodadura ocurre por deformación elástica en la zona de contacto, esta es, sin embargo, una condición bastante sensible y peligrosa debido a las perdidas por fricción y el riesgo de expansión térmica diferencial entre las pistas, que en esta condición, cargarían la zona de contacto más allá del límite elástico. Rodamientos precargados son usados normalmente cuando una muy ajustada guía del eje sea requerida (p.e.: máquinas herramientas) una práctica mucho más normal es el funcionamiento con un pequeño juego interno residual que asegure la rodadura en la zona de contacto.

FALLA POR PERDIDA DE JUEGO INTERNO

Una vez que el juego se ha perdido y el límite elástico fue excedido, en la zona de contacto ocurrirá el deslizamiento. De este modo se incrementará la fricción en forma importante y continua y por ende la temperatura escalará valores de forma exponencial. Incluso la máquina puede atascarse si no tiene la suficiente potencia para superar la fricción, o el rodamiento puede deformarse plásticamente

FALLA POR PERDIDA DE JUEGO INTERNO 1.- Transitorio de diferencial de temperatura durante el arranque o la aceleración 2.- Uso de rodamientos con juego interno incorrectamente seleccionado para la aplicación. 3.- Interferencia excesiva de las pistas debidas al montaje 4.- Ajuste insuficiente de la pista interior en el eje 5.- Perdida completa de lubricación 6.- Viscosidad inadecuada del lubricante para permitir la formación de la película elastohidrodinámica 7.- Sobrecarga que produzca un excesivo calentamiento por fricción 8.- Uso de cámara de refrigeración alrededor del rodamiento

FALLA POR PERDIDA DE JUEGO INTERNO

Este es un tipo serio de falla que puede conducir a daños catastróficos si la potencia de transmisión es lo suficientemente elevada para mantener el eje en revolución. Además, la falla ocurrirá tan rápidamente que no será posible instalar ningún sistema de monitoreo que de aviso adecuado que permita tomar acciones de protección.

DESGASTE

Marcas opacas causadas por desgaste con partículas abrasivas.

DESGASTE

Bola extremadamente corrohída

DESGASTE Las partículas abrasivas en el lubricante producen desgaste. Este fenómeno es más severo actuando sobre el material mas blando de la jaula (separador) y puede conducir a la rotura de esta. El daño por desgaste puede ser distinto del daño por rotura de la película lubricante en lo que respecta a la apariencia de las marcas en el camino de rodadura. Si las partículas abrasivas son muy pequeñas toma un aspecto pulido especular, en cambio, si las partículas son mas grandes el aspecto es opaco (mate) y con rayaduras.

DAÑO POR CONTACTO (FRETTING)

Corrosión de contacto en la pista exterior de un rodamiento debido a una interferencia de montaje inadecuada y distorsión local del alojamiento.

DAÑO POR CONTACTO (FRETTING)

corrosión por contacto en una pista interior de rodamiento debido a interferencia inadecuado de montaje. Este fenómeno condujo a la fractura del anillo

ARRASTRE (FRETTING) El fenómeno se refiere al desgaste y a la corrosión como ocasionante del daño en las asperezas del material en la zona de contacto. Este daño es inducido bajo carga y en la presencia de movimiento relativo repetitivo de las superficies, como por ejemplo bajo vibración.

ARRASTRE (FRETTING)

La amplitud del desplazamiento relativo es por lo general del orden de micrómetros o milímetros, pero puede ser tan pequeño como 3 o 4 nanómetros El movimiento de dos partes metálicas en contacto causa desgaste mecánico y partículas de metal son transferidas a la superficie, usualmente se produce la oxidación, no solo de las partículas metálicas arrancadas, sino que la superficie expuesta también se oxida. Dado que las partículas oxidadas son mucho más duras que la superficie de la cual vienen, estas actúan como un agente abrasivo que incrementa el arrastre del material y el desgaste mecánico llamado también falso brinelling

ARRASTRE (FRETTING) El daño por contacto o arrastre (fretting) puede ocurrir en el contacto del rodamiento y su asiento / carcasa, particularmente donde se utilicen ajustes por deslizamiento, ya que en este caso un movimiento oscilante pequeño tiene lugar mientras los elementos rodantes pasan por la zona de carga (fig N° 32). Esto normalmente no produce la falla pero si es muy severo puede provocar tensiones que iniciarán la fractura por fatiga del anillo (fig N° 33). Esto difiere de la fractura de anillo mostrada en la figura N° 22 por la ausencia de las marcas de arrastre donde la fisura ha sido causada por exceso de interferencia de montaje. El arrastre también puede producir el agarre de los rodamientos montados con juego libre (deslizamiento)

DEFECTOS DE MANUFACTURA

Anillo interior de un rodamiento de doble hilera y contacto angular con escote de llenado mecanizado incorrectamente.

DEFECTOS DE MANUFACTURA

Marcas de trazado con equipo “Talyrond”. a) Pobre calidad de acabado (2500X). b) Calidad normal de acabado (5000X)

CAUSAS DE DEFECTOS DE MANUFACTURA Material equivocado: Un ejemplo de este fenómeno fue observado en un rodamiento que una vez desmontado del equipo, se encontró que una de las bolas estaba rayada (marcada) mientras que las demás estaban como nuevas. Los exámenes posteriores mostraron que la bola afectada correspondía a un acero con 13% de Cromo (Cr) y no un acero con 1% de Cromo (Cr) y 1 % de Carbono (C) como debía ser. Esto fue encontrado gracias a la inspección, si esto no se hubiera detectado, el rodamiento sufriría a futuro una falla prematura.

CAUSAS DE DEFECTOS DE MANUFACTURA Tratamiento térmico erróneo: las pistas y los elementos rodantes son recocidos a cerca de 140°C para otorgarles una dureza final de 600 – 650 HV (62 – 63 HRc). Un rodamiento más blando fallará en forma prematura. Este tipo de falla puede reconocerse por la falta de decoloración debida al calor.

CAUSAS DE DEFECTOS DE MANUFACTURA Mecanizado incorrecto: Rodamientos muy raros son encontrados fuera de dimensión de acuerdo a los estándares. Esto se pone de manifiesto durante el montaje y no debería ser un problema. Un error mucho más serio podría ser en un rodamiento de doble hilera con escote de llenado que haya sido mecanizado justo hasta la pista de rodadura

DAÑO POR PASO DE CORRIENTE ELECTRICA

El pasaje de corriente eléctrica a través de un rodamiento causa daño en la superficie y por ende decaimiento de la vida por fatiga. Con corrientes por encima de 0,5 amp se formará una marca característica con forma de ondas (comúnmente llamada moleteado) en la superficie de contacto, pero aún con corrientes tan pequeñas como 0,01 amp se producirá cierto deterioro, el cual aun sin ser visible resultará en una disminución de la vida del rodamiento.

DAÑO POR PASO DE CORRIENTE ELECTRICA

Marcas de moleteado por paso de corriente eléctrica en la pista exterior de un rodamiento de bolas.

DAÑO POR PASO DE CORRIENTE ELECTRICA

Picado por paso de corriente eléctrica de bola a bola

DAÑO POR PASO DE CORRIENTE ELECTRICA

Nótese el patron correspondiente sobre las bolas y sobre la pista debido a descarga eléctrica.

DAÑO POR PASO DE CORRIENTE ELECTRICA CARACTERISTICAS 0,001 amp no tiene efecto sobre la vida útil. 0,01 amp producirá un 20% de reducción en la vida útil esperada, la falla tiene características de fatiga normal. 0,01 a 0,1 amp la vida útil esperada se reduce entre un 20% y un 80% la falla aún sigue teniendo características de fatiga normal. 0,5 amp la vida útil se reduce más del 80% y las marcas de moleteado aparecen. Desde un punto de vista práctico, la tensión eléctrica no debería exceder de 0,3 V en rodamiento de bolas y 0,5V en rodamientos de rodillos....