¿Qué son los rodamientos autolubricantes? Tipos, usos y selección

Qué son los rodamientos autolubricantes y cómo funcionan

La característica definitoria de un rodamiento autolubricante es su capacidad de generar una película lubricante continua desde el interior del propio material del rodamiento, sin ningún suministro externo. Esto ocurre a través de uno de tres mecanismos principales:

¿Los cojinetes lisos son autolubricantes?

Los cojinetes lisos (también llamados cojinetes lisos o cojinetes lisos) pueden lubricarse de forma convencional o autolubricarse según su material de construcción. La distinción es importante a la hora de seleccionar aplicaciones sin mantenimiento.

Cojinetes lisos de bronce sinterizado son el tipo de cojinete de deslizamiento autolubricante más utilizado. La norma ISO 2795 y la norma MPIF 35 definen los requisitos de contenido de aceite para estos componentes: un grado estándar contiene un mínimo de 19% de aceite por volumen . Se encuentran en motores eléctricos, electrodomésticos, equipos de oficina y accionamientos auxiliares de automóviles donde el acceso a los rodamientos está sellado o es difícil.

Cojinetes de deslizamiento de polímero sólido fabricados de acetal (POM), nailon (PA6/PA66) o PEEK con aditivos lubricantes internos son otro formato de manguito autolubricante. Estos funcionan sin ningún tipo de aceite, lo que los hace adecuados para el procesamiento de alimentos, dispositivos médicos y aplicaciones submarinas donde está prohibida la contaminación por aceite.

Cojinetes de deslizamiento hidrodinámicos con respaldo de acero (como los que se utilizan en cigüeñales grandes y muñones de turbinas) no son autolubricantes. Requieren un suministro de aceite presurizado en todo momento para mantener la cuña hidrodinámica que separa el eje del rodamiento. La falla del suministro de aceite causa falla inmediata en los rodamientos en estos diseños.

¿Los rodamientos cerámicos son autolubricantes?

Los rodamientos cerámicos se comercializan frecuentemente con la frase "funciona en seco", lo que crea confusión sobre si son realmente autolubricantes. La respuesta precisa es: no, los rodamientos cerámicos no son autolubricantes , pero las propiedades de sus materiales reducen significativamente los requisitos de lubricación en comparación con el acero.

El nitruro de silicio (Si3N4), el material cerámico para rodamientos más común, tiene varias propiedades que reducen la dependencia del lubricante:

• Dureza superficial de 1.400–1.600 voltios versus 700–800 HV para acero para rodamientos: reducción del desgaste adhesivo en condiciones de lubricación marginal
• Densidad de 3,2 g/cm³ versus 7,8 g/cm³ para el acero: genera fuerzas centrífugas más bajas en la pista de rodadura a alta velocidad, lo que permite que películas lubricantes más delgadas mantengan la separación
• Bajo coeficiente de expansión térmica ( 3,2 × 10⁻⁶/°C ) — reducir la variación del juego interno con cambios de temperatura que exprimirían el lubricante en un rodamiento de acero
• No magnético y eléctricamente no conductor: previene la degradación del lubricante por descarga electrostática que se produce en los rodamientos de acero utilizados en aplicaciones de accionamiento de frecuencia variable.

En la práctica, los rodamientos completamente cerámicos pueden sobrevivir períodos cortos sin lubricación en condiciones limpias y de baja carga, particularmente a velocidades muy altas donde el tiempo de contacto por revolución es extremadamente breve. Pero para un funcionamiento sostenido, aún se requiere un lubricante, incluso una mínima película seca, para evitar la fatiga superficial progresiva. Los rodamientos cerámicos híbridos (bolas cerámicas, aros de acero) casi siempre requieren lubricación convencional.

¿Los rodamientos convencionales necesitan lubricación?

Sí, todos los rodamientos convencionales (rodamientos de bolas, rodamientos de rodillos cilíndricos, rodamientos de rodillos cónicos, rodamientos de agujas) requieren lubricación durante toda su vida útil. El lubricante realiza cuatro funciones que ninguna geometría de rodamiento por sí sola puede replicar:

• Formación de película elastohidrodinámica: Una película presurizada de 0,1 a 1,0 micras Separa los elementos rodantes de la pista bajo carga, evitando el contacto de metal con metal.
• Disipación de calor: La circulación de aceite en rodamientos grandes elimina el calor generado por el contacto rodante y el arrastre de la jaula, algo fundamental cuando se opera por encima del 50 % de la carga dinámica nominal del rodamiento.
• Protección contra la corrosión: La grasa y el aceite desplazan la humedad de las superficies de contacto; Sin lubricación, el acero del rodamiento se corroe en cuestión de horas en ambientes húmedos.
• Exclusión de contaminantes: La grasa empaquetada en la cavidad del rodamiento crea una barrera física contra el polvo y las partículas abrasivas que de otro modo causarían desgaste en los tres cuerpos.

Las consecuencias de una lubricación inadecuada son graves: estudios de SKF y NSK indican que Más del 36% de los fallos prematuros de los rodamientos. son atribuibles a problemas de lubricación, incluyendo cantidad insuficiente, tipo de lubricante incorrecto, lubricante contaminado o intervalos de relubricación incorrectos. En comparación, las fallas por fatiga bajo una lubricación correcta representan solo el 14% de las fallas en el campo.

Comparación de tipos de rodamientos autolubricantes

Seleccionar el tipo de rodamiento autolubricante correcto requiere hacer coincidir las condiciones de funcionamiento con las capacidades específicas del material. La siguiente tabla resume los parámetros clave de rendimiento:

Donde los rodamientos autolubricantes superan a las alternativas engrasadas

Hay entornos operativos específicos en los que cambiar a rodamientos autolubricantes ofrece ventajas mensurables sobre los rodamientos engrasados convencionalmente:

• Aplicaciones oscilantes y de rotación lenta: Los rodamientos lubricados con grasa sometidos a un movimiento oscilante lento (menos de 1 rpm) nunca generan una película hidrodinámica; en el mejor de los casos, funcionan con lubricación límite. Los cojinetes de lubricante sólido soportan estas condiciones con coeficientes de fricción de 0,05 a 0,15 sin cambios en el mecanismo de desgaste a baja velocidad.
• Ambientes sumergidos y de lavado: Las líneas de procesamiento de alimentos, los equipos de lavado de autos y los equipos marinos someten los rodamientos a la entrada de agua que diluye la grasa. Los cojinetes de polímero sinterizado y el bronce recubierto de grafito eliminan por completo este modo de falla.
• Zonas de alta temperatura: Las grasas convencionales se degradan por encima de los 180°C; las grasas sintéticas extienden esta temperatura hasta aproximadamente 260°C. Los cojinetes de bronce con tapón de grafito funcionan continuamente a hasta 400°C en ruedas de carros de horno, rodillos transportadores y equipos de hornos de recocido de vidrio.
• Entornos de vacío y sala limpia: La grasa desprende gases en el vacío, contaminando instrumentos ópticos y equipos semiconductores. Los cojinetes de película seca a base de PTFE son estándar en mecanismos satelitales y etapas de microscopio electrónico donde la presión de vapor es inferior. 10⁻⁸ Pa es necesario.
• Reducción de costos del ciclo de vida: Un estudio de los programas de reemplazo de cojinetes de plantas de tratamiento de agua municipales encontró que cambiar los casquillos de las válvulas de compuerta de bronce engrasado a cojinetes impregnados de grafito reducía los costos de mano de obra de mantenimiento en 62% durante un período de 10 años mediante la eliminación de rondas de reengrase trimestrales.

Parámetros de selección clave y errores de tamaño comunes

El valor PV, el producto de la presión del rodamiento (P, en MPa) y la velocidad de deslizamiento (V, en m/s), es el principal parámetro de selección para los cojinetes lisos autolubricantes. Cada material de rodamiento tiene una clasificación PV máxima por encima de la cual la película lubricante no puede sostenerse y la temperatura de la superficie del rodamiento aumenta a niveles destructivos.

Tres errores de tamaño explican la mayoría de fallas prematuras de rodamientos autolubricantes en el campo:

• Ignorar el límite de PV en condiciones de carga máxima: Un rodamiento con una capacidad nominal de PV = 0,10 MPa·m/s puede tener el tamaño correcto para un funcionamiento normal, pero fallará durante el arranque o la carga de choque si no se verifica el PV instantáneo en esos momentos. Los valores pico de PV pueden ser de 3 a 5 veces el valor de estado estacionario en maquinaria alternativa.
• Especificación incorrecta del acabado de la superficie del eje: Cojinetes autolubricantes require a shaft roughness of Ra 0,4 a 0,8 micras para una formación óptima de la película de transferencia. Los ejes pulidos por debajo de Ra 0,2 micrones no proporcionan una textura de aspereza suficiente para que el PTFE o el grafito se anclen, lo que retrasa la formación de película y aumenta el desgaste prematuro. Los ejes con una rugosidad superior a Ra 1,6 micrones desgastan la superficie del rodamiento antes de que se pueda formar la película.
• Subestimar los efectos de la expansión térmica sobre el espacio libre: Los rodamientos de polímero tienen coeficientes de expansión térmica de 5 a 10 veces mayores que los soportes de acero. Un rodamiento PEEK con un juego de diámetro de 0,05 mm a 20 °C puede tener un juego cero (o interferencia) a 150 °C si la relación entre el diámetro del soporte y el rodamiento y la combinación de materiales no se calculan correctamente en la etapa de diseño.