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Antecedentes
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3. ANTECEDENTES
Como ya comentamos anteriormente en el apartado 1.2, el objetivo de este
proyecto es fabricar una máquina rotativa de dos apoyos para el estudio de la
caracterización de defectos en rodamientos. Para ello se parte de un proyecto anterior
titulado “Desarrollo de una Herramienta para Detectar Fallos en Rodamientos
Defectuosos” en el que se realizó un diseño inicial de la máquina del que pasamos a
describir brevemente sus puntos más relevantes.
La bancada diseñada estaba constituida por una mesa soporte, convenientemente
dimensionada en cuanto a su rigidez, sobre la que se encuentra situado el sistema
integrado por un eje apoyado en dos portarrodamientos (figura 3.1). En uno de sus
extremos, el eje tiene acoplado el sistema de accionamiento. En la parte inferior de la
bancada se encuentra el motor eléctrico, que es controlado por un sistema electrónico de
regulación de velocidad. En el otro extremo del eje se dispone de una garra
especialmente diseñada para acoplar los rodamientos a ensayar al eje doblemente
apoyado, así como dos presionadores axial y radial (pistones de aire comprimido). Los
presionadores permiten la carga tanto axial como radial del rodamiento en ensayo todo
ello regulado por un equipo de presión constituido por un compresor y un sistema de
regulación de carga. El límite de carga a aplicar tanto en la dirección axial como en la
radial es de 2500 N.
Figura 3.1 Bancada de ensayos de rodamientos.
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Los rodamientos que soportan el eje han sido escogidos para soportar muy por
encima las peores condiciones de carga tanto axial como radial y a la máxima velocidad
de la bancada de ensayos de rodamientos.
Se han elegido los rodamientos rígidos de bolas como rodamientos a ensayar.
A continuación, se describirá cada uno de estos elementos que constituyen el
banco de ensayos para tener una idea más clara de los datos de partida.
1. Conjunto eje-soportes-rodamientos
Se han elegido rodamientos rígidos de bolas como rodamientos a ensayar debido
a su capacidad para soportar cargas axiales y radiales, su bajo rozamiento y a su
producción con alta precisión. Son de diseño sencillo, adecuados para alta velocidad de
funcionamiento y requieren poca atención en servicio.
Una de las restricciones que se ha tomado a la hora de seleccionar el rodamiento
a ensayar es el número de horas aproximadas que se pretende que dure el rodamiento.
Este valor se ha fijado en 500 horas aproximadamente (no demasiado elevado pues se
trata de establecer un método para la detección de fallos incipientes por rotura en los
rodamientos). Por lo que se eligió como rodamiento a ensayar el 6206 (SKF) del que se
compraron 3 unidades (figura 3.2).
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Figura 3.2 Rodamiento de bolas 6206(SKF)
Otro de los elementos fundamentales del banco de ensayos es el eje. El material
es un acero F-127 con Su = 100 - 140 Kg/mm2 y σE = 95 - 125 Kg/mm2
Para el cálculo de los diámetros de los distintos escalonamientos se ha realizado
un cálculo a fatiga de dicho eje.
A continuación se muestra el esquema del eje una vez diseñado:
Figura 3.3 Eje del banco de ensayos.
Los valores de los diámetros finales de los distintos escalonamientos son los
siguientes:
Figura 3.4 Diseño final del eje del banco de ensayos
Para la elección de los rodamientos de los soportes de dicho eje, se consideran
diversos factores y se contrastan entre sí. El primer factor a tener en cuenta es el
diámetro del escalonamiento del eje donde están situados, otro factor a tener en cuenta
es la magnitud de la carga y suele ser el factor más importante para determinar el
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tamaño de rodamiento a utilizar. El límite de carga a aplicar tanto en la dirección axial
como en la radial es de 2500 N.
Teniendo en cuenta todos los criterios anteriores, se han elegido los rodamientos
de rodillos a rótula como los más adecuados para funcionar como rodamientos de los
soportes del eje de la bancada.
Un estudio del eje permite obtener las reacciones en los soportes y, por tanto, las
fuerzas a las que van a estar sometidos los rodamientos de los mismos. A partir de ellas,
se ha calculado la carga dinámica equivalente y empleando la fórmula ISO de la vida
nominal (con un diámetro interno del rodamiento de 50 mm) se ha elegido el
rodamiento 22310 E con una duración de más de 185500 horas (figura 3.5).
Figura 3.5 Vista del rodamiento 22310E
El siguiente paso en el diseño del banco es la elección de los soportes en los
cuales van a ir ubicados los rodamientos de rodillos a rótula
Los rodamientos se montarán directamente sobre el eje debido a que éstos han
sido escogidos para soportar muy por encima las peores condiciones de carga tanto axial
como radial y a la máxima velocidad de la bancada de ensayos de rodamientos y, por
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tanto, al no ser necesario el montaje y desmontaje de los mismos de manera frecuente
(sólo cuando se produce el fallo de los mismos después de más de 185500 horas de
funcionamiento), no es imprescindible el uso de manguitos de fijación.
Se han elegido las obturaciones de anillo porque no precisan un exigente
acabado en sus asientos sobre el eje. Están montadas a presión sobre el eje y giran con
él. Se pueden usar para lubricación con grasa o aceite y proporcionan una eficaz
obturación incluso, en condiciones difíciles o a altas velocidades.
Se han comprado, por tanto, dos soportes SNH 310 TA (SKF) para la bancada
de ensayos de rodamientos objeto de este proyecto (figura 3.6).
Figura 3.6 Soporte SNH 310 TA (SKF)
Finalmente queda el conjunto eje-soportes-rodamientos como indica la siguiente
figura 3.7 :
Figura 3.7 Conjunto eje-soporte-rodamiento a ensayar.
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2. Sistema de accionamiento
En el diseño del sistema de accionamiento, el primer paso es estimar la potencia
necesaria para el funcionamiento del banco de ensayos. Para ello, hay que tener en
cuenta los posibles rozamientos de los distintos elementos que componen el sistema, así
como el par de arranque.
A partir del par de rozamiento total y de la velocidad de giro se calcula la
potencia necesaria para el funcionamiento del sistema:
P = M · ω
donde M es el par de rozamiento total y ω es la velocidad de giro (el rango de la
velocidad de giro es 0-3000 rpm usándose para el cálculo 3000 rpm.
Además, el resultado obtenido se multiplica por un coeficiente de seguridad
(1.5) resultando una potencia necesaria de 1500 w.
Se había elegido un sistema de correas para la transmisión de potencia en el
banco de ensayos de rodamientos debido a su efectividad, versatilidad, economía,
mantenimiento y su amplia gama.
Se han seleccionado correas de fricción trapezoidales, resultando una única
correa de las siguientes características:
• Tipo de correa: B – 68
• Longitud normalizada: 68´
• Diámetro primitivo de las poleas: 5´
• Distancia entre centros de poleas: 600 mm
Se ha comprado para la fabricación de la bancada, el conjunto formado por una
correa de las características anteriores, dos poleas y sus correspondientes manguitos de
fijación (figuras 3.8 y 3.9).
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Figura 3.8 Sistema de correas del banco de ensayos
Figura 3.9 Correa y polea del banco de ensayos
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El elemento fundamental del sistema de accionamiento es el motor eléctrico.
Éste proporciona la potencia necesaria para el funcionamiento de dicho banco. Para su
elección se han estudiado las características del sistema y se ha elegido el motor
Siemens 1LA7090-2AA10. Esta elección ha estado condicionada por la potencia
necesaria en el sistema, el rango de velocidades de giro de funcionamiento y la sujeción
del mismo a la bancada. Este motor permite obtener una potencia de 1500 w y funciona
en el rango de velocidades 0-3000 rpm. En la figura 3.10 se muestra el motor
seleccionado.
Figura 3.10 Motor eléctrico Siemens.
El motor eléctrico es regulado por un sistema electrónico de regulación de
velocidad. Se ha elegido el regulador Siemens 6SE9216-8CB40 a partir de las
características del motor seleccionado (figura 3.11).
Figura 3.11 Regulador de velocidad Siemens
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3. Bancada
En el diseño inicial a bancada estaba constituida por una mesa soporte de
dimensiones 1530*500*25
mm3 sobre la que se encuentran ubicados los distintos elementos de la misma y una
serie de patas que sirven de sujeción de todo el conjunto.
Figura 3.12 Mesa soporte y bancada
En la parte frontal de la bancada existen tres travesaños en forma de celosía para
reforzar el banco y en los laterales se introducen cruces de San Andrés para aumentar la
rigidez transversal debido al pequeño ancho de la bancada frente al largo (500 frente a
1530 mm). Todas estas barras son perfiles tubulares huecos de 60 mm de diámetro.
Para la cogida del cilindro vertical, se ha diseñado un sistema de placas que
contribuyen a rigidizar todo el conjunto.
La situación del sistema de placas en la mesa soporte de la bancada será tal que
coincida el centro del cilindro vertical con el centro del rodamiento a ensayar (ubicado
en el interior de la garra). Este sistema de placas aumenta la rigidez de la bancada y
facilita las operaciones de montaje y desmontaje del cilindro vertical. En la figura 3.13
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se muestra una perspectiva del sistema de placas y la conexión de cada una de ellas con
las restantes.
Figura 3.13 Sistema placas soporte del cilindro vertical
Para la aplicación de la fuerza radial sobre el rodamiento a ensayar se dispone
del conjunto formado por un elemento de transición, el pistón vertical y un sistema de
placas que permiten la cogida del mismo a la bancada. El elemento de transición
permite la conexión entre la garra (en cuyo interior se encuentra el rodamiento a
ensayar) y el pistón de aire comprimido vertical. Su material es acero F-127. En la
figura 3.14 se muestra dicho elemento.
Figura 3.14 Elemento de transición para presionador radial
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Para la aplicación de la carga sobre el rodamiento a ensayar, se dispone de dos
presionadores axial y radial (pistones de aire comprimido). Los presionadores permiten
la carga tanto axial como radial del rodamiento en ensayo, todo ello regulado por un
equipo de presión constituido por un compresor y de un sistema de regulación de la
carga
Para la aplicación de la carga axial sobre el rodamiento a ensayar, se dispone del
sistema formado por un elemento presionador, un tenón con rótula y un pistón de aire
comprimido (figuras 3.15, 3.16 y 3.17).
Figura 3.14 Aplicación de fuerza axial sobre el rodamiento de ensayo.
Figura 3.15 Presionador, rótula y pistón.
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Figura 3.16 Presionador
El material del presionador es acero F-127. Este elemento posee un orificio cuyo
diámetro se ha calculado en función de las dimensiones del rodamiento a ensayar. Para
un correcto funcionamiento del conjunto, se ha de procurar que no exista contacto
alguno entre las partes giratorias del rodamiento y el mismo.
En la figura 3.17 se muestra el elemento de transición que sirve de conexión
entre el elemento presionador en sí y el tenón con rótula.
Figura 3.17 Elemento de transición
La parte central del mismo se ha diseñado para que exista un ajuste de
interferencia entre dicho elemento y la rótula.
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El siguiente elemento en la cadena de aplicación de fuerza axial es un tenón con
rótula para el extremo del vástago. A partir de las características del pistón de aire
comprimido, se ha elegido el tenón de la casa de fabricantes Joucomatic AP6 ISO 8139-
RP103P (figura 3.18).
Figura 3.18 Tenón con rótula
.
Es conveniente que la carga esté lo más centrada posible sobre el rodamiento y
la utilización de este elemento contribuye a mejorar la aplicación de la carga sobre el
mismo.
En el extremo del eje donde se coloca el rodamiento a ensayar, se dispone de
una garra especialmente diseñada para aplicar las cargas a dichos rodamientos. Consta
de dos partes unidas mediante tornillos M8 en cuyo interior se encuentra dicho
rodamiento (figura 3.19). El material es acero F-127.
Figura 3.19 Garra del rodamiento a ensayar.
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Para comprobar que el diseño de la bancada se ha efectuado correctamente, se ha
de calcular la resistencia de la estructura frente a las cargas externas e internas y su
rigidez. Para ello, se ha usado el programa ANSYS, se ha modelado la estructura y se
han obtenido resultados. En el modelo de los distintos elementos que componen la
bancada se han usado sistemas de barras que posean características similares de rigidez
y peso que el elemento en cuestión al que representan y que estén conectados a la
bancada de forma similar al elemento en sí. Ello permitirá unos resultados más afines a
la realidad. A continuación se muestra el modelo definitivo de la bancada.
Figura 3.20 Modelo en Ansys del banco de ensayos.
Una vez realizado el cálculo mediante ANSYS, se obtuvo la bancada constituida
por una mesa soporte, convenientemente dimensionada en cuanto a su rigidez, sobre la
que se encuentra situado el sistema integrado por un eje apoyado en dos
portarrodamientos. Éstos se encuentran fijados a la mesa soporte mediante cuatro
tornillos M16. En el extremo izquierdo tiene acoplado el sistema de accionamiento,
compuesto por una correa que sirve de conexión entre dicho eje y el motor eléctrico.
Este último es regulado por un sistema electrónico de regulación de velocidad y se
encuentra situado en una placa ubicada en la parte inferior de la bancada.
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Figura 3.21 Diseño final de la mesa de ensayos.
4. Sistema de aplicación de fuerzas
Figura 3.22 Esquema aplicación de fuerzas
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Uno de los elementos fundamentales en el sistema de aplicación de fuerzas es el
cilindro neumático. Se han elegido cilindros de doble efecto. Se aplicarán sobre el
rodamiento a ensayar fuerzas de tracción y compresión en movimiento rectilíneo a
reducida velocidad y, por tanto, es necesario controlar la velocidad del cilindro en
ambas direcciones.
Para la elección del tamaño del cilindro necesario para el buen funcionamiento
del banco de ensayos, se ha considerado la fuerza máxima a aplicar por el mismo (2500
N) y la presión de trabajo (6 bares). Para estas condiciones de trabajo se obtiene un
diámetro de cilindro de 80 mm.
Se han comprado dos cilindros de doble efecto de la casa de fabricantes
Joucomatic con las siguientes características:
Diámetro: 80 mm
• Diámetro del vástago: 25 mm
• Carrera: 200 mm
• Fluido de trabajo: aire
• Presión admisible: 10 bar máx
• Velocidad máxima admisible: 2 m/s
• Temperatura admisible: -20ºC a +60ºC
Figura 3.23 Cilindro de doble efecto JOUCOMATIC.
El siguiente elemento que forma parte del sistema de aplicación de fuerzas es el
regulador de caudal. Son necesarios cuatro reguladores de caudal que se conectarán
directamente con las entradas y salidas de ambos cilindros.
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Figura 3.24 Reguladores de caudal
En el circuito neumático diseñado para la aplicación de la fuerza necesaria en los
ensayos de rodamientos, se usarán dos electroválvulas. Estos elementos permiten dirigir
el caudal procedente de la vía1 (presión) hacia una de las vías 2 o 4 en función de la
posición de la electroválvula (figura 3.25).
Figura 3.25 Electroválvula
Posee dos orificios de escape de aire (3 y 5). En ellos se conectarán silenciadores
para disminuir el ruido que se produce en una salida de aire a presión (figura 3.26).
Figura 3.26 Silenciadores
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Otro elemento del sistema de aplicación de fuerzas es la válvula reguladora de
presión. Este elemento permitirá controlar la presión del aire que circula por el circuito.
Está provista de un manómetro para controlar en todo momento la presión del aire que
circula por el circuito tal como muestra la figura 3.27.
Figura 3.27 Válvula reguladora de presión
Uno de los elementos más importantes en la cadena de aplicación de la fuerza es
el filtro regulador. Está formado por un filtro y una válvula reguladora de presión y será
necesario un solo elemento para todo el circuito. Se ha elegido el filtro regulador de la
casa de fabricantes Joucomatic 342 03 342 con las siguientes características: purga
semiautomática y umbral de filtración 25 µm.
Figura 3.28 Filtro regulador y válvula de corte
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El filtro regulador está conectado a una válvula de corte mediante un bloque de
unión. Esta válvula de corte (Joucomatic 343 03 014) permitirá aislar partes del circuito
y posee dos posiciones (abierta o cerrada).
Para las conexiones de los distintos elementos entre sí son necesarios distintos
tipos de racores: recto macho y T (figura 3.29).
Figura 3.29 Racores de conexión
Además de los elementos para la regulación de la carga es necesario un
compresor en el circuito.
Dado que no se aplican grandes fuerzas en el rodamiento a ensayar
(el límite de carga a aplicar tanto en la dirección axial como en la radial es de 2500 N),
se ha optado por un sistema neumático cuyo fluido de trabajo es el aire.
Los presionadores permiten la carga tanto axial como radial del rodamiento en
ensayo todo ello regulado por un equipo de presión constituido por un compresor y de
un sistema de regulación de carga (cuyos elementos se han comentado anteriormente).
En la figura 3.30 se muestra el esquema del circuito neumático.
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Figura 3.30 Esquema del circuito neumático
Una vez comentado el proyecto de partida en el que se tiene un diseño inicial y
algunos componentes comerciales ya comprados, quedan por desarrollar varios
capítulos a fin de obtener nuestra mesa de ensayos construida y operativa. Los más
relevantes son los siguientes:
· Diseño del circuito de control.
· Diseño de circuito de potencia.
· Compra de piezas.
· Fabricación de piezas.
· Montaje y puesta a punto.
· Ensayos.
Estamos ya en disposición de desarrollar dichos capítulos objeto de este
proyecto, que se comentan en los apartados 4, 5, 6 Y 7 del índice general.
