12.1.- Cojinetes Radiales

Básicamente se usan dos tipos de cojinetes radiales en las bombas centrífugas, los cojinetes de elementos rodantes o antifricción y los cojinetes planos o de deslizamiento.

12.1.1.- Cojinetes Radiales de Elementos Rodantes

Los cojinetes de elementos rodantes son utilizados debido a que garantizan la operación satisfactoria del equipo por largos periodos de tiempo, también mantienen las holguras críticas entre los elementos rotativos y los elementos estacionarios evitan el contacto entre ellas y disminuye la taza de desgaste. Adicionalmente son capaces de transmitir las fuerzas radiales y axiales en cualquier condición de operación del equipo tales como los arranques, las paradas, condición de flujo máximo, de flujo mínimo, en flujos intermitentes y en rotación reversa.

Es importante destacar que como regla general en las bombas de potencias bajas y medias hasta 560 kW (750 HP) los cojinetes radiales son usualmente de elementos rodantes, sin embargo, siempre es conveniente utilizar la tabla 10 del capítulo 6 del API 610/ISO 13709 11ava edición. Si aplicamos las ecuaciones y criterios de la tabla 10, a bombas diseñadas con otros estándares como es el caso de las bombas DIN o ANSI observaremos que se cumple esta regla general. La figura N° 12-1 muestra la fotografía de un cojinete radial de bolas.

Los cojinetes de bolas en cuanto a tamaño y clase son normalizados por la “American Bearing Manufacturing Association“ (ABMA) y por la ISO que posee varias normas que establecen los tipos y dimensiones de los rodamientos.

Los ejes de las bombas centrífugas están sostenidos por dos grupos de cojinetes en cada extremo. Cuando los cojinetes son del tipo antifricción uno de ellos debe ser fijado axialmente, es decir que el rodamiento no tiene libertad para desplazarse axialmente, mientras el otro rodamiento debe tener libertad para desplazarse sobre el eje de la bomba. Esto es con la finalidad de compensar la expansión longitudinal del eje, la acción permite al eje expandirse como consecuencia del aumento de temperatura sin sobrecargar los rodamientos con fuerzas axiales.

La figura 12-2 muestra el montaje típico de los cojinetes de una bomba centrifuga de succión frontal (tipo OH1 o OH2), donde el cojinete que se fija axialmente está del lado del acoplamiento.

En las bombas axialmente partidas entre cojinetes (tipo BB1, BB2 y BB3 en la nomenclatura del API 610) generalmente el cojinete que se fija axialmente es el del lado libre. La figura 12-3 muestra un conjunto de cojinetes montados en una bomba axialmente partida entre cojinetes (BB, “between bearing”) donde el cojinete fijo axialmente está del lado libre).

El tipo de cojinetes más usado mundialmente es el tipo “Conrad”, que fue patentado en Inglaterra y Estados Unidos en 1903, por Robert Conrad. El cojinete cuenta con dos pistas (la pista interna que es fijada al eje, por lo que gira unida a Él y la pista externa que es fijada a la carcasa), un conjunto de esferas metálicas y una cajera o jaula para mantener las esferas en posición y la distribución especificada.

Entre las principales bondades del diseño del cojinete tipo “Conrad” está la profundidad de las pistas de rodajes (Deep Groove) lo que le permite soportar no solo las cargas radiales, si no, también el 75% de las cargas axiales, en cualquier dirección. Las cajeras o jaulas no tienen como función soportar carga solo mantener las esferas en posición. 

Las holguras de los cojinetes están reguladas por la norma ISO 5753 “Rolling Bearings Radial Clareance”. Los cojinetes con holgura normal o estándar tienen denominación CN (sin marcas o indicación física en el cojinete). Los cojinetes CN tiene nominalmente la capacidad para aceptar un gradiente de temperatura entre la pista interna y externa de 10° C (50° F). Los cojinetes con mayor holgura interna son los C4, que pueden resistir gradientes de temperatura entre las pistas de 40° C (104° F), todos estos cojinetes tienen la marca correspondiente al grupo en los laterales de las pistas con la excepción del denominado estándar.

El API 610/ISO 13709 11ava edición, exige que los cojinetes antifricción de una sola hilera de bolas de pista profunda (tipo “Conrad”), equipados con jaula metálica,con una holgura interna del grupo C3 (Holguras mayores a las normales, de acuerdo con el ISO 5753). Esto le confiere la capacidad para tolerar gradientes de temperatura entre la pista interna y externa de 25° C (77° F). La figura 12-4 muestra el diagrama de un cojinete tipo “Conrad”.

Como regla general se deben usar cojinetes, denominados como de holguras internas normales cuando la velocidad de operación de la bomba no exceda el 75% de la velocidad máxima recomendada por el fabricante del rodamiento (de acuerdo con el catálogo) o cuando la temperatura de operación no supere 80 °C (176° F).

De acuerdo con el API 610/ISO 13709 los cojinetes de bolas deben ser seleccionados para una vida L₁₀de 25.000 horas de operación continua a las condiciones de diseño del cojinete (la vida L₁₀ es la vida nominal que el 90% de los cojinetes de este tipo en condiciones de operación puede lograr sin fallar) y 16.000 horas para condiciones de máxima carga (axial o radial) cuando los anillos de desgaste tienen holguras del doble de lo especificado para equipos nuevos y en cualquier punto de operación entre el flujo mínimo continuo y entre el punto de garantía o “rated point”, bajo el cual fue comprado la bomba.

El ASME B73.1 recomienda que las bombas tengan dos conjuntos de cojinetes para el soporte de las bombas, un primer conjunto exclusivo para soportar fuerzas radiales que no está fijo axialmente y un segundo conjunto que tiene la doble función de soportar las fuerzas axiales y radiales. La vida L₁₀ mínima recomendada es de 17.500 horas, en el rango de trabajo establecido en la norma de entre 110% del BEP y el flujo mínimo.

La vida de un rodamiento es definida por el N° de revoluciones (N° de horas de operación a una velocidad constante) indicando la final de esta vida la aparición de la primera indicación de fatiga. Esta es una convención partiendo de datos estadísticos de un grupo de rodamientos idénticos sometidos a la misma condición de operación. La vida L₁₀ significa que una población determinada de cojinetes logra alcanzar el 90% de la vida especificada en horas antes de que se observe el primer signo de fatiga que por lo general está establecido en un desperfecto de 6 mm² (0,01 pulgadas²).

Muchos usuarios de bombas centrífugas solicitan en las especificaciones una vida L₁₀ de los cojinetesde 40.000 horas con la finalidad de incrementar el MTBF (Tiempo Medio Entre Fallas).

Los cojinetes de bolas o de elementos rodantes en ninguna circunstancia (tanto en operación como durante el montaje del cojinete en el eje) deben superar la temperatura de 121 °C (250 °F), debido a que a partir de esta temperatura se generan deformaciones dimensionales en el cojinete.

Para el montaje los cojinetes son calentados en un horno o mediante inducción a una temperatura que puede ir de los 82 °C (180 °F) a 93°C (200 °F). Para el ajuste del cojinete en el eje luego de salido del horno, el mantenedor tiene 10 segundos aproximadamente, antes de que el cojinete se enfríe lo suficiente, como para atascarse en el eje.

Los cojinetes de bolas son elementos de alta precisión sensibles a los excesos causados por los montajes defectuosos, la lubricación inadecuada, la contaminación y la fatiga. Estadísticamente de acuerdo con información disponible en la página Internet del fabricante de rodamientos SKF:

• El 16% de las fallas observadas en los cojinetes se deben al montaje deficiente, lo cual causa deformaciones o desajustes, debidos al uso de fuerza excesiva.
• El 36% de las fallas de los cojinetes de elementos rodantes se deben a lubricación deficiente o inadecuada.
• El 14% de las fallas se producen por contaminación del lubricante, sobre todo el aceite, ya que menos del 10% de los rodamientos es lubricado con grasa.
• Finalmente, el 34% de las fallas observadas en los cojinetes de bolas son causadas por sobrecarga.

El API 610/ISO 13709 establece que los cojinetes pueden ser ubicados y fijados al eje usando collares, resaltes en el eje o cualquier otro elemento de fijación positiva, no autoriza el uso de arandelas de presión o aros de fijación (snap rings).

Los cojinetes de elementos rodantes son montados en el eje con una interferencia ligera entre en los ejes de las bombas y la pista interna del cojinete. El apriete debe estar entre 12,5 y 20μm (0,0005 y 0,00075 Pulgadas). 

El ajuste entre la pista externa del cojinete y la cajera de cojinetes, al contrario de lo observado entre el eje y la pista interna, es por definición un ensamblaje de una soltura ligera. Si esta soltura u holgura es excesiva resultara en incremento de las vibraciones mecánicas de la bomba que se manifiestan a la frecuencia de rotación y a múltiplos de esta frecuencia. La holgura recomendada máxima debe estar entre 20 y 38μm como máximo (0,00075 y 0,0015 pulgadas). Es importante verificar que la cajera no se encuentre ovalada, el máximo ovalamiento aceptable esta alrededor de las 25μm (0,001 pulgadas).

Esta información con mayor precisión y ajustada de acuerdo con las dimensiones del cojinete está disponible en los manuales de los fabricantes de los rodamientos como es el caso de la SKF y de la NTN.

12.1.2.- Cojinetes Radiales Planos

Los cojinetes planos o “Jornal bearings” como es el término en ingles son extensamente usados en bombas y equipos de alta energía, donde es necesario desarrollar grandes cargas y velocidades relativamente altas. Adicionalmente por la condición de que las superficies en deslizamiento no entran en contacto, ya que están separadas por una película lubricante. Estos cojinetes son en teoría de vida infinita, debido a que ellos no están condicionados a un número determinado de ciclos u horas de funcionamiento como es el caso de los rodamientos.

Como se indicó en el primer párrafo de este capítulo las bombas centrífugas para potencias mayores a 560 kW (750 HP) y velocidades mayores a 3.600 RPM es recomendable usar cojinetes radiales del tipo plano o de deslizamiento.

Los cojinetes planos o de deslizamiento usados en las bombas centrífugas pueden ser del tipo hidrostático o del tipo hidrodinámico. En los cojinetes hidrostáticos la película lubricante entre las superficies del cojinete y eje se forma debido al suministro de aceite lubricante a presión desde una fuente externa (Sistema de lubricación, con bombas y sistemas de filtrado). Este sistema es usado para equipos de altas cargas y alta velocidad, donde el aceite lubricante a presión contribuye adicionalmente a la estabilidad dinámica del rotor de la bomba.

Los cojinetes hidrodinámicos trabajan mediante la formación de una cuña de lubricante entre la superficie del cojinete y la superficie del eje. La figura 12-5 muestra cómo se forma la cuña de lubricación en un cojinete hidrodinámico.

Estos cojinetes no reciben la lubricación a presión, el aceite lubricante es suministrado mediante anillos de lubricación que hacer subir el aceite del reservorio y lo entregan al cojinete. La cuña genera la presión necesaria para crear una fuerza capaz de separar ambas superficies.

Las características de esta cuña están definidas por la viscosidad del lubricante utilizado, por las dimensiones del cojinete, por la holgura, por la presión de suministro del lubricante, por la excentricidad del eje referente al cojinete, etc. La figura N° 12-6 muestra el diagrama de un cojinete plano.

El API 610/ISO 13709 indica que para facilitar las actividades de mantenimiento los cojinetes planos deben ser axialmente partidos, con la base de acero y las partes que están expuestas al deslizamiento tales como almohadillas, y bocinas deben ser recubiertas con “babbitt” y deben ser reemplazables. Además, solicitan que se coloquen dispositivos anti-rotación y de ser posible que sean asegurados en dirección axial.

El desempeño de los cojinetes planos es afectado por la temperatura de operación en el área de contacto, por el espesor de la película de aceite lubricante, por la pérdida de las propiedades y la calidad del lubricante como por ejemplo pérdida de viscosidad, oxidación, contaminación con agua, perdida de otras propiedades y por la estabilidad de la película de aceite.

En las bombas verticales del tipo turbina por su misma configuración los cojinetes radiales son del tipo plano, lubricados generalmente por el fluido bombeado, cuando este fluido no es abrasivo o poco lubricante. Cuando el fluido manejado por las bombas verticales no es lubricante o posee abrasivos en valores superiores al 1% y cuando la longitud de la bomba lo permite, se utiliza la lubricación por aceite. Otra solución muy utilizada para la lubricación de los cojinetes, que no puedan ser lubricados por el fluido bombeado, es la de inyección de agua fresca o de un producto limpio en los cojinetes, este fluido es por lo general suministrado desde otra fuente y tiene que ser compatible con el fluido bombeado. 

La selección de los cojinetes planos es de mayor complejidad que la selección de los cojinetes de bolas, debido a la cantidad de variables que controlan el diseño y la selección de este tipo de cojinetes. Los cojinetes planos hidrodinámicos son elementos de ingeniería hechos casi a la medida, los cuales deben ser diseñados y configurados para cada aplicación en particular. Estas recomendaciones son generales, ya que existen otras variables con influencia determinante en la selección de los cojinetes tales como el diámetro del eje, la velocidad del equipo, el tipo de lubricante, así como la carga sobre ellos que definen el tipo de cojinete a usar.