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LOS MEJORES ARTicULOS DEL CONGRESO
Y EXPOSICION LATINOAMERICANA DE
TURBOMAQUINARIA 1991-2007 ISBN 978-607-95044-1-0
CHUMACERAS HIDRODINAMICAS
(Extrafdo y editado de las memorias del VII Congreso y Exposlcion Latinoamericana de
Turbomaquinaria, Noviembre 1998)
Fernando Baquero Herrera,
Arturo Merino Tapia
CIATEQ AC
baquero@ciateq. mx
Queretaro, Qro.
RESUMEN
La industria usuaria de las maquinas rotativas
requiere disponer de equipos y partes de
repuesto can suficiente calidad para asegurar
una operaclon confiable. Las chumaceras
hldrodtnarnlcas son elementos importantes en
la operaclon de una maquina rotativa. Se
requiere contar can un canal de cornunlcaclon
entre Usuarios, Fabricantes y Centros de
Investlqaclon y manejar un lenguaje
tecnoloqlco similar para lograr la confiabilidad
en la operaclon de los equipos. En este
documsnto se han resumldo los factores mas
importantes que intervienen en el proceso de
aceptaclon y reparaclon de chumaceras
hldrodtnarnlcas. Se establece una base de
referencia y a partir de la misma motivar la
superaclon tecnoloqlca de los sectores
mencionados en beneficia de la planta
operativa de las maquinas rotativas. Seanalizan las caracterfsticas principales de las
chumaceras hldrodlnamlcas: adherencia,
apariencia del "babbitt", dimensiones
funcionales y no funcionales, ajuste, montaje,
interferencia, materiales utilizados y
temperaturas de operaclon. La repercusion de
los para metros anteriores en el
comportamiento de la maquina rotativa. Se
analizan las chumaceras cllfndrlcas y las de
tipo basculante ("tilting pad"). Se analizan las
principales normas de la ASTM e ISO
aplicables en la evaluaclon de chumaceras. Se
presentan casas hlstorlcos de chumacerashldrodtnarnlcas.
CLASIFICACION DE CHUMACERAS Y
COJINETES
- Por su tunclon y apllcacion.
Dada su funclon a locallzaclon en una rnaqulna
rotativa, las chumaceras reciben alqun nombre
espedfico. Normalmente se les designa sabre
la base de la dtrecclon en que se aplica la
carga, esto es: chumacera radial, axial y/ omixta.
Las chumaceras radiales ("Journal Bearings")
son cllfndrlcas (cilindros completos asegmentos de cilindros) y se utilizan cuando la
carga sabre la flecha (fuerza de reacclon) es
esencialmente perpendicular al eje de la
flecha.
Las chumaceras axiales ("Thrust Bearing"),
son discos completes €I seqmentados, se
emplean para contrarrestar las cargas
externas con dltecclon paralela al eje del
rnufion.
Las chumaceras mixtas ("Flange Bearings") es
una cornbtnaclon de los dos tipos anteriores y
se utilizan cuando la carga del rotor tiene
componentes perpendiculares radiales y
axiales.
Por su caracteristica estructural
Las chumaceras tarnblen se clasifican de
acuerdo a los materiales de construcclon,
como: solldas (un solo metal), blmetallcas y
trlmetallcas, Estas configuraciones son de
amplio usa comercial. EI usa de dos a tres
diferentes metales provee un media para
desarroliar combinaciones de propiedades que
no pueden obtenerse utilizando un solo metal.
- Por la mejora de la estabilidad.
La tabla N° 1, muestra algunos de los arreglos
qeornetrtcos utilizados en el dlsefio de
chumaceras radiales y se indican las
caracterfsticas de las mismas para la mejora
de la capacidad de carga, estabilidad del rotor,
coeficientes dina micas y capacidad de
bombeo.
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CRITERIOS GENERALES EN EL
DISENO DE CHUMACERAS
HIDRODINAMICAS.
Importancia de las chumaceras.
Las chumaceras constituyen uno de los
componentes mas critlcos en las maquinas
rotativas. Aunque muchos problemas se
detectan en las chumaceras, la fuente no
necesariamente se origina en elias. Las
chumaceras obedecen normal mente a un
dlsefio cuidadoso y en caso de mal
funcionamiento de la maquina retatlva, este
tiende a manifestarse a traves de elias. Por
esta razon es baslco entender como trabaja la
pelfcula lubricante y los principios baslcos que
describen su operaclon para hacer
diaqnostlcos certeros en las maquinas
rotativas.
Si la falla en una maquina es resultado de la
chumacera 0 de otro componente, la
rnodlftcaclon de los para metros de dlsefio de la
chumacera, ha sido y continua siendo, el
meeie mas eiFecte y eeenernlco de corregir el
mal funcionamiento.
- Parametros de diseiio recomendados.
EI usa de chumaceras hldrodtnarnlcas ha dado
como resultado algunas recomendaciones de
tipo practlco para los parametres baslcos de
dlsefio, que tienen un gran valor para ortentar
un primer dlsefio 0 tomar decisiones en-
campo durante la operaclon y mantenlmlento,
A contlnuaclon se dan recomendaciones de los
para metros baslcos de dlsefio.
- Capacidad de carga.
En una chumacera, la carga se debe
principal mente al peso de los elementos
rotativos en adlclon a la carga dinamica,
resultado del desbalanceo de los componentes
rotativos.
La capacidad de carga de una chumacera
radial se define como:
cc=_w__2* L* D
En donde:
CC = Capacidad de carga (psi)
W = Peso total del rotor (Ib)
L = Longitud de la chumacera (pulg)
D = Dlametro interno de la chumacera
(pulg)
Para una chumacera clllndrlca plana, los
Ifmites sugeridos son:
CC ~ 200 psi
CC.2:.100 psi
Generalmente, una chumacera cilfndrica se
debe dlsefiar con una capacidad de carga
entre los limites anteriores; Sin embargo el
limite superior puede ser excedido tomando
las precauciones necesarias para suministrar
un flujo de aceite mas alto. EI limite inferior
tarnblen se puede disminuir, siempre y cuando
se tomen las precauciones necesarias
utilizando una chumacera mas estable tal
como una de presa de presion 0 una
multilobulos.
La tabla N° 2, muestra las capacidad de carga
permisible para varios tipos de chumaceras
axiales.
- Temperatura permisible en el material
antifricci6n.
Los materiales tiplcos para chumaceras tales
como los metales blancos ("babbitts") tienen
relativamente un bajo punto de fusion. Si la
temperatura de la chumacera lIega a estar
cerca de este punto, puede ocurrir flujo
plastlco "creep" en la region de alta presion
hldrodlnamlca, Generalmente el "creep"
ocurre. En el rango de 130°C a 200° C.
Martfn y Garner recomiendan que la
temperatura de operaclon se mantenga abajo
de 130°C (266°F) para Babbitts.
Los limttes para la temperatura indicada por el
sensor embebido son:
T max ~ 185° F De dlsefio
T max ~2000 F Prueba de aceptaclon,
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T max 2. 2300 F AlarmaAdicionar 2 mlleslmas de pulgada al total
anterior.
T max .2 2500 F Disparo.
-Temperatura del aceite
Muchos lubricantes se degradan a altas
temperaturas. Los aceites minerales se usan
con frecuencia como lubricantes en
chumaceras y se limitan a tener picos locales
de temperatura en el rango de 1300C a 20UPC.
Arriba de estas temperaturas se presentara
excesiva oxldaclon del aceite.
En aplicaciones industriales la temperatura del
lubricante se mide en la linea de drenaje. Esta
es una medlclon indirecta de la temperatura
pico local. Garner y Martin, recomiendan una
temperatura maxima de aceite en el dren de75°C (16T F) a 800C (176°F)
- Espesor de la pared de respaldo.
Las chumaceras para Turbornaqulnas de alta
veloeldad, norrnalrnente se fabrican con un
respaldo de pared gruesa. EI espesor de la
pared generalmente es de 1/10 a 1/8 del
dtarnetro de la chumacera. Usualmente el
material es acero al carbon, fundlclon de
hierro 0 bronce. Las chumaceras de pared
gruesa pueden ser recuperadas mediante
rernetallzaclon (re-embabitado). Laschumaceras de pared delgada se usan
predominantemente en maquinas
reciprocantes tales como compresores y
motores de combustion interna. EI espesor de
la pared es del orden de 1/30 del dlarnetro de
la chumacera y la capa de babbitt! es
relativamente delgada, en el rango de 0.002 a
0.005 pulg.
-Claros.
Chumaceras Radiales:
EI claro diametral, es un importante para metro
en el funcionamiento de la chumacera.
Generalmente los claros diametrales
recomendados son los siguientes:
- Chumaceras cllindrtcas, con L/D< 1.0, de
1 1/2 a 2 rnlleslmas por pulgada de
dlarnetro de la flecha.
- Chumaceras cllindrlcas. con L/D > 1,
- Chumaceras de zapatas basculantes de 1
a 1 1/2 rnlleslmas por pulgada del
dlarnetro de la flecha.
- EI claro diametral final de la chumaceraesta influenciado por el contorno del
alojamiento donde se lnstalara y tarnblen
por la interferencia entre el dlarnetro
exterior de la chumacera y el dlametro del
alojamiento.
- Chumaceras Axiales:
En la Tabla N° 4 se indican los claros en el
montaje de chumaceras axiales,
recomendados por la Cornpafiia Westinghouse.
- Interferencia del dlametro exterior.
Una interferencia inapropiada puede causar
calentamiento de la chumacera 0 permitir el
deslizamiento de esta en su alojamiento,
contribuyendo a que se presente vlbraclon
sincrona subsleceona- Se recomienda
mantener una interferencia de 0.002 pulg. al
dlametro de la chumacera.
Este criterio aplica para la mayorfa de
espesores de chumaceras. Cuando se desea
incrementar la interferencia 0 cuando la
rigidez del soporte de la chumacera es muchomayor que el de esta ultima, es necesario
hacer un anallsls cuidadoso, ya que una
interferencia excesiva, podrla causar esfuerzos
de contacto que orlqlnarlan cadencia local del
material 0 perdida del claro diametral, que
colapsarfan final mente la chumacera.
-Precarga.
La precarga puede explicarse mediante la
representaclon grafica de la figura N° 1,
generalmente es positiva y en algunas
aplicaciones es igual a cero 0 negativa. Laprecarga es un para metro muy empleado en el
dlsefio cuando se desea alterar las
caracterfsticas dlnarnlcas de un sistema rotor -
chumacera.
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ESPECIFICACIONES CHUMACERAS
MATERIALES DE
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Dependiendo del servicio y la carga, los
materiales usados en la fabrlcaclon de
chumaceras cubren un amplio rango de
aleaciones metallcas, Los cambios en las
condiciones de operaclon y el desarrollo
tecnoloqlco han resultado en mejoras de los
materiales utilizados en la tabrlcaclon de
chumaceras. En aplicaciones de maquina
rotativaria, predominan las chumaceras de
pared gruesa de acero al carbon con una capa
relativamente gruesa de babbitt (20 a 50 mil).
EI babbitt mas utilizado es principalmente
base estafio, debido a sus excelentes
caracterfsticas antiarrastre, resistencia a la
corrosion, formabilidad y "embebilidad".
La resistencia a la fatiga en los "babbitt" base
estado es muy pobre, particularmente cuandose aplica en espesores mayores de 10
mlleslmas de pulgada, como se muestra en la
figura N° 2. Las chumaceras resisten el peso
constante del rotor; Sin embargo, el
desbalanceo presente en la mayorfa de los
rotores, junto con las altas velocidades de
rotacion generan una carga dina mica sobre las
chumaceras que puede ocasionar la falla par
fatiga del babbitt. EI desarrollo de mejores
sistemas de filtrado del aceite y los largos
periodos de operaclon entre paradas
programadas han reducido la importancia de
la "embebilidad" y han incrementado la
importancia de la resistencia a la fatiga. Esta
es la razon por la cual las chumaceras con
respaldo de acero estan siendo sustituidas por
chumaceras con respaldo de bronce, aluminio
o bronce y capas muy delgadas de "babbitt"
en el rango de 5 a 8 mils. Por otra parte, las
chumaceras empleadas en maq~inas
reciprocantes, trabajan normalmente a bajas
velocidades pero estan sometidas a muy altas
cargas dina micas. Estas cargas han
aumentado a 10 largo de los afios, y las
chumaceras requieren aun mas resistencia a la
fatiga que la que puede proveer el "babbitt"
par si solo. EI respaldo de acero, sin embargo,da suficiente resistencia para obtener una
buena interferencia entre la chumacera y su
aslento, la cual es crltlca para evitar el dafio
por frotamiento.
-Chumaceras trimetalicas.
Cuando el
chumaceras
material de respaldo de las
se hace de aleaciones de
aluminio, bronce 0 cobre de alta resistencia,
se aplica una capa delgada de material suave
confortable lIamada capa intermedia. La capa
intermedia es hecha de aleaciones de estafio-
plomo, cobre-estafio plomo 0 plomo-indio, las
cuales son generalmente mas ductlles que el
"babbitt" cornun. EI espesor de la capa
intermedia es del orden de 0.0004 pulgadas
para que su resistencia efectiva sea mayor que
la del "babbitt". La capa intermedia se aplica
generalmente mediante rnetodos galvanicos.
Recientemente la capa intermedia se ha
mantenido alrededor de 0.001 pulg. Para
incrementar la resistencia a la fatiga. Se
lIaman chumaceras trtrnetallcas cuando son
fabricadas con respaldo de acero, bronce,
aluminio 0 cobre y se aplican capas
intermedias.
- CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES
ANTIFRICCION.
La naturaleza de las condiciones bajo las
cuales debe operar una chumacera y el amplio
intervalo sobre el cual estas condiciones
pueden variar, hacen necesario dividir las
propiedades de las chumaceras en 2 grandes
clases.
a) Propiedades de superficie, asociadas con la
superficie de la chumacera y de las capas del
enmetalado.
b) Propiedades relacionadas con la resistencia
del material.
Los materiales de las chumaceras pueden ser
analizados en terrnlnos de las siguientes
caracterfsticas:
-Compatibilidad. Caracterfstica del material
de la superficie de ausencia de soldabilidad, ni
capacidad de adherencia sobre la superficie
del rnufion bajo la influencia de presion, calor
y aun en la ausencia de lubricante.
-Conformabilidad. Es la capacidad que tiene
un material para ceder y compensar pequefios
desalineamientos y conformarse de acuerdo
alas variaciones en la forma de la flecha y del
alojamiento de la chumacera en la carcaza.
-"Embebilidad". (Embedability). Es la
capacidad de un material de captar
("embeber") polvo y/ o partlculas extrafias y
por 10 tanto prevenir el escoreamiento y
desgaste de las superficies de las chumaceras
y del mufion,
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-Capacidad de Carga. Es la maxima presion
unitaria bajo la cual un material puede operar
sin rozamiento, desgaste excesivo a dafio par
fatiga.
-Resistencia a la Fatiga. Es la capacidad de
un material de funcionar a cargas dclicas par
abajo de su limite elastica, sin desarrollar
grietas a picado en su superficie.
-Resistencia a la Corrosion. Es la capacidad
de un material de resistir el ataque qufmico de
aceites lubricantes contaminados (Can aquel,
grasas, oxfgeno, etc.).
-Dureza. Es la capacidad de un material de
resistir flujo plastlco bajo cargas de
cornpreslon.
-Resistencia. Es la capacidad de resistir
deformaciones elastlcas y plastlcas bajo carga.
-Conductividad Termica. Capacidad del
material para transmitir a su soporte el calor
generado durante la operaclon (energfa
liberada par el rozamiento viscoso, par el
rozamiento entre el lubricante y las superficies
y en algtlj:Jos casas entre las superficies de la
chumacera y el mufion) ..
ESPECIFICACIONES DE MATERIALES
BASE Y ANTIROZAMIENTO
CHUMACERAS.
PARA
-Materiales Base para Chumaceras.
Todos los sistemas blmetallcos empleam un
resistente metal base al cual se Ie ad~iere
metalurqlcarnente una capa suave, blanda y
relativamente delgada de una aleaclon para
chumacera. EI acero de bajo carbon, es el
metal mas ampliamente usado como respaldo
para chumaceras, debido a que provee la
resistencia para soportar las cargas y perrnite
lograr buenos ajustes de interferencia entre la
chumacera y su alojamiento. Dentro del grupo
de aceros mas utilizados como materiales
base, se encuentran los aceros SAE 1018,
1020 Y 1045, algunos fabricantes
recomiendan, espedficamente para
chumaceras tipo zapata, placa ASTM-A36 y
para chumaceras tipo Manga, la forja ASTM-
A668, clase C ICH .
Los bronces y las aleaciones de aluminio son
ampliamente utilizados como material del
respaldo en la fabrtcaclon de chumaceras
blmetallcas, particularmente los bronces SAE
660 Y SAE 64. Algunas de las ventajas de
estos materiales, son su alta conductividad
terrnlca y la protecclon que ofrece al rnufion
can aprietes excesivos de la Chumacera,
contra desgastes severos a fatiga en el
recubri miento.
-Materiales Antifriccion.
La mayorfa de materiales para chumaceras
tiene dos a mas componentes aleantes para
producir efectos espedficos sabre las
propiedades de las chumaceras para una
apllcaclon particular.
-Aleaciones Base Estano.
ASTM B23, Grado 1, 2, 3,4 Y 5.
Son sustancialmente aleaciones de estafio,
antimonio y cobre, con contenidos limitados
de zinc, aluminio, arsenlco, acero y bismuto.
-Aleaciones Base Plomo.
ASiM
19.
12, 15, 16 Y
Es importante solicitar al proveedor respectivo
el certificado de anallsls qufmico y mecanlco
del material antlfrlcclon ("babbitt") para
asegurar que se cumple can la norma de
referencia y evitar sorpresas desagradables
par el no cumplimiento respectivo.
ASEGURAMIENTO DE LA CAUDAD
-tnspecclen Visual.
Coloracion de la capa de Babbitt.- La
coloracion obscura casi siempre es un
indicativa de problemas en el sistema de
lubrlcaclon, La presencia de humedad y altas
temperaturas relativas pueden producir
oxldaclon de la capa de estafio variando su
color de gris oscuro a cafe oscuro a a negro,
dependiendo del grado de sobrecalentamiento
y descornposlclon del aceite. La apariencia del
"babbitt" se hace brillante y su consistencia
muy dura pudiendo escorear el rnufion.
Cuando una chumacera usada a nueva se
desensambla par razones de lnspecclon a de
limpieza, se debe estar segura de no mezclar
sus partes, par ejemplo las zapatas en una
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chumacera del tipo basculante. Las partes
deben de estar marcadas para facilitar un
reensamble apropiado, de otra manera
podrian esperarse cambios indeseables en el
claro y la concentricidad.
- Verifique el desgaste y dureza del pivote de
la zapata y de las demas partes movlles,
- Verifique que las zapatas tengan un radio
uniforme a 10 largo de toda su longitud.
- Remueva el material en alto relieve causado
por las rayaduras.
Un problema tiplco e importante de las
chumaceras bipartidas, es que el dlametro
exterior este abajo de la dimension nominal,
permitiendo que la chumacera permanezca
suelta en su alojamiento. Las causas mas
comunes de esta falla son:
1. Excesivo maquinado de las caras de union
de las mitades superior e inferior en re-
embabitados previos 0en operaciones para
obtener el ajuste, por 10 que se
recomienda evitar maquinar esas caras en
tanto sea poslble-
2. Incorrecto montaje de las parejas. Esto es,
las mitades no fueron maquinadas juntas.
Desensamble la chumacera y verifique las
marcas de numero de golpe en busqueda
de la locallzaclon conecta de las mitades
en la unidad. Este tipo de inconvenientecon frecuencia solo puede ser corregido,
por un completo reacondicionamiento de
las chumaceras, incluyendo el maquinado
del dlametro exterior.
La lnspecclon del dlametro exterior en
chumaceras bipartidas requiere de experlencla
y cuidado. Las caras de la union deben estar
completamente limpias antes de ensamblarse.
Las mitades superior e inferior deber
atornillarse 0 ser atadas como se muestra en
la figura N° 3, de tal manera que una vez
unidas, permanezcan las caras metal conmetal y extremo con extremo.
Cuando las mitades de chumacera se miden
en forma libre, raramente son redondas en la
partlcton. Usualmente presentan una condlclon
de expansion libre, esto significa que el
dtarnetro externo medido en la partlclon es
mayor que la cota indicada en los dibujos de
maquinado.
Es conveniente lIevar a cabo una verltlcaclon
del contacto entre las caras de union de las
mitades, con azul de Prusia. EI area minima en
contacto recomendada es del 80 %.
Una chumacera nueva 0 usada, no debe
instalarse con una expansion libre negativa.
Las chumaceras de espesor de pared delgada
o media, pueden ser, MUY CUIDADOSAMENTE,
abiertas e instaladas antes de que se relajen
(se cierren). La presion de las caras en la
partlclon es suficiente para mantenerlas
ajustadas contra sus asientos. La chumacera
de pared gruesa, no puede corregirse
usualmente de esta manera y deben ser
reacondicionadas.
Si se utiliza la tecnlca de cinco mediciones
sobre el dlarnetro exterior, tal como se
muestra en la figura N° 4, el promedio de las
cinco lecturas provee una buena aproxlmactondel dlarnetro de maquinado y es 10
suficientemente precisa para proposltos de
verltlcaclon.
Si se compara la condlclon dimensional
reportada del dlarnetro exterior, contra las
dimensiones del dibujo, pueden ocurrir los
siguientes casos:
Si el dlarnetro exterior esta dentro de 0.001
pulg. de la dimension nominal de la
chumacera, puede considerarse aceptable. Si
esta fuera de dimension hasta 0.005 pulg., la
soluclon mas econornlca es un recubrimiento
electrolitlco sobre las caras. Para peores
condiciones, se utilizan recubrimientos con
soldadura 0 metalizado mediante aspersion
terrnlca y el remaquinado de la cara de union
para restaurar el dlametro exterior. En algunos
casos es necesario remaquinar el dtarnetro
exterior en adlclon a las caras de la union.
Estos procesos de reacondicionamiento lIegan
a ser progresivamente mas caros y no son
parte de un re-embabitado estandar; el cual
supone que el material base, esta en buenas
condiciones.
-PRUEBAS NO-DESTRUCTIV AS.
Para la medlclon de la adherencia del
embabitado, se utilizan dos metod os no-
destructivos cuyo proposlto es verificar la
adhesion entre el material anti rozamiento y el
material base:
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A) l.lquldos Penetrantes
B) Ultrasonido
Aunque de naturaleza y alcance diferente,
ambos rnetodos son complementarios. Los
lfquldos permiten inspeccionar las zonas
expuestas de la interfase como bordes y
esquinas hasta cierta profundidad, y el
ultrasonido cubre tad a la superficie restante
excepto los bordes y esquinas donde la
magnitud flslca de los sensores no 10
permiten.
- Uquidos penetrantes.
EI ensayo con liquldos penetrantes, es un
media no destruct iva de localizar y determinar
la severidad de las discontinuidades en los
materiales, esta basada en el tenorneno de la
capilaridad. Los materiales y procesos que se
emplean en la prueba de llquldos penetrantes
se dlsefian para facilitar la capilaridad y
exponer los resultados de esa acclon can
facilidad de interpretacion.
- Ultrasonido.
Es un metoda no-destructivo en el cual
emisiones de sonida compuesto de ondas de
alta frecuencia son introducidas en el material
que se esta inspeccionando, estas emisiones
se usan para detectar imperfecciones en la
superficie y en los substratos. Las ondas de
son ida viajan a traves del material can una
perdida de energfa inherente, reflejandose en
las interfases. La ernlslon reflejada se detecta
y analiza para definir la presencia y
locallzaclon de las fallas.
Can la lnspecclon can ultrasonido, pueden
detectarse fisuras, laminaciones, contracciones
de cavidades, burbujas, paras, fallas de uniony otras discontinuidades que actuan como
interfases metal-gas. Inclusiones y otras no-
homogeneidades en el metal inspeccionado
pueden tarnblen ser detectados (aun sabiendo
que no actuan como interfases metal-gas) parcausar reflex ion parcial a dispersion de las
ondas ultrasonlcas a par producir alqun otro
efecto detectable sabre las ondas ultrasonlcas.
Practlcamente el total de la lnspecclon can
ultrasonido se hace en frecuencias entre 1 y
25 MHz, muy par encima del rango del ofdo
humano.
-Verificaci6n de la interferencia del
dlametro exterior y el dlametro del
alojamiento.
Un procedimiento para verificar la
interferencia se ilustra en la fig. N° 5 (ref 6).
Se posicionan dos lainas de igual espesor (Ts)
a 10 largo de los dos lados de la linea de
partlclon de la carcaza y slmultanearnente se
coloca una tira de "plastigage" a alambre de
plomo sabre la parte convexa de la chumacera
superior. Se instala la tapa de la chumacera y
se atornilla completamente. EI "plastigage" a
alambre de plomo debe indicar un espesor
(Tf), igual a menor que el espesor de la laina
usada en la linea de partlclon. La interferencia
es igual a la diferencia entre el claro indicado
(Tf) y el espesor de la laina (Ts). Un valor
positivo de la interferencia indica una
chumacera suelta. EI problema se soluciona
remplazando la chumacera a usandotransitoriamente lainas alrededor de la
circunferencia para mantener el ajuste de
interferencia. Una vez que se ha obtenido la
interferencia deseada, se debe verificar
nueva mente el claro de la chumacera, para
asegurar que no existe una interferencia
excesiva hasta el punta de que el claro
diametral se vea significantemente reducido ..
-Verificaci6n del claro diametral en
chumaceras radiales
Una vez el ajuste de interferencia deseado del
dlametro exterior ha sido obtenido, se debe
medir el claro diametral para asegurar que el
ajuste no ha sido excesivo y se haya reducido
significativamente el claro diametral.
La mayor dificultad se presenta cuando se
desea verificar el claro de las chumaceras de
zapatas basculantes. Para tal efecto se
describen a conttnuaclon algunos rnetodos
desarrollados.
EI metoda de "Ievante", se muestra en la
figura N° 6 (ref 6). De este procedimiento
generalmente resultan valores mayores de
claro que los especificados, para ciertas
configuraciones de chumaceras. Este efecto se
debe al hecho de que bajo condiciones
estatlcas el mufion se hundlra entre las dos
zapatas inferiores, si el dlsefio de la
chumacera es de carga entre zapatas "LBP".
Similarmente para un cojlnete de 4 zapatas
basculantes y "LBP", si el rnufion se levanta
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completamente a traves del claro diametral,
este finalmente se hundlra entre las dos
zapatas superiores.
J. Nicholas (ref 6), presenta una descrlpclon
qraflca del mencionado hundimiento del
mufion entre las zapatas. Este hecho se
muestra en la figura N° 7. Se presenta
edemas. una gufa raplda para determinar el
levante y el hundimiento del rnufion para
diferentes condiciones de chumaceras
basculantes de amplio uso.
A partir de la tabla N° 3, se deduce la
siguiente relaclon con la cual se obtiene el
claro diametral instalado:
C d = 2X cos ()
1+ cos ()
Un metodo de verlflcaclon alternativo del clarodiametral es el rnetodo con mandril.
Solamente se puede obtener mediciones en el
plano vertical, Sin embargo es posible verificar
el claro alternativamente en todas las
direcciones, por 10 tanto puede utilizarse para
verificar la concentricidad. Este rnetodo se
muestra esquemattcarnente en la figura N°B.
FALLAS EN CHUMACERAS.
-Conceptos Generales.
EI Anallsls y la tnvestlqaclon de fallas es unproceso que requiere de una exarnlnaclon
cuidadosa de la evidencia y un ensamble
loqlco de los sucesos.
Se requiere tener mente abierta y analltlca,
una actitud para aceptar inicialmente todas las
teorfas propuestas y sentido como para
escoger la que loqlcarnente sea posible. Se
debe observar el escenario de la falla y las
partes falladas antes de limpiarlas y hablar
con el personal que ha estado antes, durante
y despues de la falla. Pregunte a cada uno a
que piensa que se deblo la falla, pero no 10
acepte como un hecho. Recolecte informacion
baslca y actual acerca de la maquina tal como
locallzaclon en la planta, informacion de
dlsefio, condiciones de operaclon, dafios
tiplcos, historia de operaclon. etc. Haga una
lnspecclon fislca (visual 0 al microscopio) de
las partes y tome fotograffas de los
componentes, tome nota de cualquier cosa
que luzca 0 parezca curiosa 0 inconsistente.
Haga un razonamiento deductivo a partir de
todos los hechos y especifique la(s) causa(s).
La clave esta en pensar sobre toda la serie de
eventos sugeridos por las observaciones y por
las teorfas de falla y un razonamiento
completo paso a paso acerca de las
posibilidades. Seguramente encontrara vados
loqlcos al prlnclplo y la tarea consiste en lIenar
esos vados. Recurra a la opinion de expertos y
a su experiencia previa. Finalmente elabore un
reporte formal de la lnvestlqaclon,
Las causas principales de falla en chumaceras
pueden darse en cualquiera de las etapas de la
vida de una chumacera. Esto es:
- Etapa de Dtsefio/Seleccton
- ManufacturajControl de calidad
- Ensamble
- Mantenimiento
- operacton
En la Tabla N° 5, se indican algunos problemas
tlplcos que se presentan en chumaceras
hldrodtnarnlcas. sus causas yefectos.
NORMAS
En la tabla N° 6 se anotan las principales
normas de referencia (ASTM e ISO) para el
anallsls y verlflcaclon de chumaceras. Se
recomienda que usuario y proveedor
establezcan las normas de referencia y los
niveles cuantitativos sobre las cuales seran
evaluadas las caracterfsticas de las
chumaceras hldrodlnarnlcas y muy
importantes que se establezcan con antelaclon
a una relaclon contractual.
REFERENCIAS
(I) "Hydrodinamics oil film bearing"
Fundamentals, limits and applications,
Waukesha Bearings Corporation.
(2) "Tilting Pad Bearings Limits of Operation",
AJ. LEOPARD, Glacier Marketing and Project
Engineering Manager.
(3) "Centrigugal Compressor for General
Refinery Services", API Standard 617.
(4) "Tilting Pad Bearing Design", John C.
Nicholas, Tutorial, 23rd Turbomachinery
Symposium, Dallas Texas, September 13-
15,1994.
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(5) "Chumaceras Hldrodlnarnlcas", 1.
Fernando Baquero H. y Arturo Merino Tapia.
QUinto, Sexto y septtrno Curso Seminario
Internacional de Turbomaquinaria. CIATEQ.
2327 junio 1996.23-27 junio 1997,22-26 junio
1998.
(6) "Application of High Speed and High
Performance Fluid Film Bearings in Rotating
Machinery", Fouad Y . Zeidan, Donald J.
Paquette, Tutorial, 23rd Turbomachinery
Symposium, Dallas Texas, September 13-15,
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~PG; ioo~E~laMi;k i ; : l
R i g i i l m t , c m o r l i [ l ! ! l u n i e r . l ( l !li~~d~~! 'Ji'! I f O O l b~m~
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ii
0 a 000Q) 0 0 0 0
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w :~ O C W O O l / i , M S O T N i J 5C O O O O M I D S
0
Ranurado circunferencialDe
Propenso a completo 0 parcia I, algunasconAguraci6n Manufactura
veces se util iza parasimple prob l emas de
rillnnrirRrpmninn (1i1rhirll incrementar las
c aracter ist i ca s d eestabilidad
(])De
conAguraci6n Buena rigidez y Baja rig idez yen fOrma de amortiguamiento amortiguamiento
limon hnri7nntAI
0e mitades Muy buenas Pos ib il idad de
desfasadas caracterlsticas rotaci6n
de operaci6 n a solamente en
a Ita ve locidad una direcci6n
0Buenas No dispo nible pa ra
De 3 lobu los caracterlsticasusarse en Caracteristicas
sirnetricos de operaci6 n a chumaceras dinamicas rapidamente
altas bipartidas a menos a I teradas por la
velocidades que se utilioe una co nAqu ra ci6n d el 16 bu 1 0
pared muy g r uesa
0De 4 I6bu los
La capaci dad de Requiere grandes claros en
sirnetricos carga no se afectaBaja capacidad de
los 16bulos los cuales en
grande mente por funcionamiento pueden
la dlrecclon de lacarga
causar turbu lencias a
carga relativamente bajas
velo cida des
TABLA 1: CARACTERISTICAS DE CHUMACERAS RADIALES
FUENT E "FIXED PROFILES J OURNAL AND T RUST BEARINGS" GLACER,L B4 46 -79 PAGA
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La precarga se define como:
Donde:
m = l-CbjCp = l-(Dp-Ds)j(Dp-Ds) = (Dp-Db)j(DP-Ds)
Cb= Claro de ensamble de la chumacera = Db - Ds
Cp= Claro referido a las zapatas = Dp - Ds
Ds= Dlarnetro del rnufion
Db= Dlarnetro de ensamble de la chumacera
Dp= Dlarnetro de maquinado de la zapata
Los valores Tlplcos de la precarga varian entre 0.2 y 0.6
Fig. 1.-Precarga en Chumaceras
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TIPO CARGA UNITARIA PERMISIBLE
Cara plana 50 psi
Cara Plana con Ranuras Axiales de Aceite 75 psi
De Cara Inclinada r- 125 -150 psi
Zapatas Basculantes I 150 - 250 psi
. . ~250 - 450 psiapatas Basculantes Tipo Kingsbury
Tabla 2.- Capacidad de Carga para Chumaceras Axia/es
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Figura 2.- Fatiga de Chumaceras Htdrodinemtces
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Fig. 3.- Sistema alterno para la sujecion de mitades de chumaceras.
Fig. 4 .- Planas de medicion sugeridos en la verlttcecton del diemetro exterior.
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/ I J ~ ~ 1 i I ! d ~ p { o m o 0 p l ~ 9 J a ! J S, l H J l S l I l l l l f l l ! d r l l ! l ' 1 t r e lo s M I ( C d 'C S
! IntO' \ 'e~fic,!)I ij)IQormtl)
Fig. 5Verificaci6n del Ajuste de Interferencia entre Chumacera y Carcaza.
Use el indicador
para veri ficar el
claro sin
plastigage
Nota: La chumacera
debe estar fija cuando
levante el rotor
Levante el rotor con
un gato del lado del
indicador unicarnente
Cerrar perfecta mente
lachumacera .
zapatas.
Nota: EIc laro medido en el indicador es mayor que el claro real en la chumacera.
EI claro en la chumacera puede obtenerse con la siguiente formula:
X =X L2chul L 4 + L2
Fig. 6. - Metoda de Levante para verificar el claro Diametral de chumaceras.
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--;<,<
. . . . . . ,
0: Posici6n centrada dentro del circulo generado por el claro.
X: Viaje total de la flecha (Levante)
Sc: Hundimiento de la flecha por debajo de la posici6n centrada.
Sci: Hundimiento de la flecha por abajo del circulo generado por el claro.
Cr: Claro radial de ensamble
Cd: Claro diametral de ensamble.
8: Angulo entre la vertical y el pivote O.
Sc= Crl 'CosEl =CdJ2cos ( j
Scl= Sc - Cr=Sc ~CdJ2
X", Se+Cr =Sci + Cd
Fig. 7. - Descripcton Gretice del Hundimiento del Mufion.
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Juego zapatasn:-:u=m=-=e=r=a=da=s=:---
de
Pan a el lndlcador en
cera despues de que el
espesor de pared se
obtiene en la primera
zapata.
'-o·cQ)
. . . . . .> <UJ
e. . . . . .Q)
E: ! : ! 2Cl
1 Dim. A Verifique
can Gage blocks
!o. . . ,'I
.Q'-
2cMandril 0.030/0.04.
abajo "del diametro d I
rnufion.c o
EC i
Esp. de pared
requertdo
C'
Dimension "A" = Dlarnetro Ext. - Dimension "B"
Espesor de pared requerido = (Diarnetro Ext. - Dlametro Int.)/2
Diemetro interior +0.001 (para chumaceras mayores de 2.000 pulg.)
-0.000
Fig. 8Verificaci6n del claro diametral de chumaceras par el metoda del mandril.
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Hundimiento EstaticoHundimiento Estatico de
Viaje totalla Flecha por abajo del
#de ConflquraclonTeta
de la Flecha por abajocirculo generado por el
de la Flecha
Zapatas de Carga de la Posicion centradaclaro
(Levante)
s, = c, I 2 Cos eSci = Sc - CdI 2
X = Sci + Cd
3 LBP 60 Cd 0.5Cd 1.5 Cd
--- ---- - - - ------ --------- -----3 LOP 0 0.5 Cd 0 1.5 Cd
4 LBP 45 0.7071 Cd 0.2071 Cd 1.4142 Cd
--- - - - - - - - ------ --------- -----4 LOP 0 o. s Cd 0 Cd
5 LBP 36 0.6180 Cd 0.118Cd 1.1180 Cd
--- - - - - - - - ------ --------- -----5 LOP 0 0.5 Cd 0 1.1180 Cd
6 LBP 30 0.5774 Cd 0.0774 Cd 1.1547 Cd
--- ---- - - - ------ --------- -----6 LOP 0 0.5 Cd
"0 Cd
7 LBP 25.71 0.5550 Cd
\0.0550 Cd 1.0550 Cd
--- - - - - - - - ------ --------- -------..:7 -OP 0 0.5 Cd Q - - 1.0550 Cd
8 LBP ~ 22.5 0.5412 Cd 0.0412 Cd 1.0824 cd
--- - - - - - - - ------ --------- -----8 LOP 0 0.5 Cd 0 0
LBP = Carga entre Zapatas
LOP= Carga sobre Zapatas
Nota: Para un Nurnero par de Zapatas y la conftquraclon LBP el valor total del levante es igual
Cdmas 2 veces el valor de Sci. (SE hunde en la parte inferior y en la superior).
Para un nurnero impar de zapatas y para la conflquraclon de LOP,el hundimiento ocurrlra en la
parte superior. Lo mencionado, se han tomado en cuenta en la reallzaclon de tabla # 3.
Tabla 3. Hundimiento Estetico y Levante Total del Mufion.
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DIAMETRO DE FLECHA (TOLERANCIA HORIZONTAL)
MINIMA NORMAL MAXIMA
,Hasta 5/8" Inc lus ive. 0.001" 0.0015" 0.002"
5/8" A 1" 0.002" 0.003" 0.004"
1" A 1-1/2" 0.003" 0.004" 0.006"
1-112" A 2-1/2" 0.004" 0.006" 0.008"
2-1/2" A 4" 0.005" 0.008" 0.011"
4" A 3-1/2" 0.006" 0.009" 0.012"
3-1/2" A 5" 0.007" 0.010" 0.013"
5" A 5-1/2" 0.008" 0.011" 0.014"
5-1/2" A 6" 0.009" 0.012" 0.015"
6" - " A , 7" 0.011"-
0.014" 0.017"
7" A 8" 0.012" 0.015" 0.018"
8" A 9" 0.013" 0.016" 0.019"
9" A 10" 0.014" 0.017" 0.020"
10" A 15" 0.015" 0.018" 0.021"
Tabla 4 Claros AKiales Recomendados (Westinghouse)
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PROBLEMAS CAUSAS EFECTOS
Contacto entre superficies Arranques y paros. Operaci6n inestable Desgaste 0darios en la
deslizantesa altas velocidades.
superficie
Desalineamiento.
Cargas de impacto.
Acabo superficial pobre.
Particulas abrasivas en el Degradaci6n dellubricante. Amarre, desgaste 0 dartos en la
lubricante Desgaste de otros componentes. superficie. (Escoramiento)
Ambiente sucio 0 contaminado
Corrosi6n~
Remocion de material 0 perdidaLubricante contaminado 0 insuficiente.
de claros.Agotamiento de los aditivos protectores.
Picado de las superficies.Temperaturas excesivas.
Condensacion de humedad.
Fatiga
Condiciones de carga ciclica.
Perdida del material antifricci6n
Pobre selecci6n de materiales 0de la chumacera.
fabricaci6n
Perdida del ClaroDiferencia de expansi6n terrnica entre la
Amarre 0 desgaste y darios de
chumacera y su carcaza 0 entre losla superficie.
materiales de la f lecha., Inestabilidad dimensional de los I
materiales de la chumacera.
Excesiva temperatura de operaci6n.
Distorsion del diametro interior debido a
excesiva interferencia.
Temperaturas excesivas en la Particulas 0 basura. Amarre 0 desgaste , y dana de
chumacera Excesivo deslizamiento. la superficie. AgrietamientoConductividao terrnica pobre.
Perdida ruelclaro de la chumacera.
Lubricaci6n inadecuada.
Alto torque P Fallas en la transmisi6n de la
Basura. carga. Amarre.
Pobre selecci6n del material.
Perdida ruelubricante.
Dane en las superficies de la chumacera.,~
Tabla 5. Problemas, causas y efectos en chumaceras ntdrodinsmtces.
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01. A5TM E 8-81
02. A5TM E 317-79
03. A5TM E 165-80E2
04. A5TM E 797-81
05. A5TM E 114-75
06. A5TM E 384-73
07. 150 4384/1-1982 ( E )
08. 150 4384/2-1982 ( E )
09. 150 4386/1-1982 ( E )
10. 150 4386/2-1982 ( E )
11. 150 4386/3-1992
12.1502177-1972 ( E)
13.1501457-1974 ( E)
14.1501458-1974 ( E)
15.1501463-1982 ( E)
16. 150 2064-1980 ( E )
17. 1502093-1973 ( E )
18. 150 2360-1982 ( E )
19.1502361-1982 ( E)
20.1502819-1980 (E)
21. 150 3882-1976 ( E )
22. 150 6524-1983 ( E )
23. 150 4385-1981 ( E )
Tabla 6. Principales normas para el analisis de Chumaceras Hidrodinarnicas====
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