Bomba centrífuga

Este ejemplo muestra el proceso de selección de rodamientos aplicado a un caso de aplicación en el que se requiere la modificación de una bomba centrífuga.

El fabricante de la bomba quiere mejorar la eficiencia de la bomba centrífuga de un proceso existente mediante la modificación del impulsor. Como resultado, las cargas del rodamiento serán mayores, por lo que debe revisarse la selección del rodamiento actual para comprobar que pueda soportar el cambio. El diagrama de la aplicación se muestra en la figura 1.

Cada paso del ejemplo se describe en una sección ampliable/desplegable a continuación. Los pasos del ejemplo siguen la secuencia en el proceso de selección de rodamientos. Consulte el proceso de selección de rodamientos para obtener una descripción completa de cada paso del proceso.

Rendimiento y condiciones de funcionamiento
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting


Las condiciones de funcionamiento son las siguientes:
  • velocidad de giro: n = 3 000 r. p. m.
  • lubricación:
    • método: baño de aceite
    • grado de viscosidad del aceite: ISO VG 68
  • para el apoyo del lado libre: un rodamiento de rodillos cilíndricos, NU 311 ECP:
    • carga radial máx.: Fr = 3,29 kN
    • temperatura de funcionamiento calculada: T = 70 °C (160 °F)
  • para el apoyo del lado fijo: un par de rodamientos de una hilera de bolas de contacto angular de emparejamiento universal, 7312 BECBP, dispuestos espalda con espalda:
    • carga radial máx.: Fr = 1,45kN
    • carga axial máx.: Fa = 11,5 kN
    • temperatura de funcionamiento calculada: T = 85 °C (185 °F)
Si se respetan los estándares industriales para bombas, la vida nominal básica L10h debe ser de, al menos, 16 000 h en condiciones de carga máxima.

Tipo de rodamiento y disposición
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Como apoyo del lado libre, se utiliza un rodamiento de rodillos cilíndricos, y como apoyo del lado fijo, se utiliza un par de rodamientos de una hilera de bolas de contacto angular de emparejamiento universal.

El rodamiento de rodillos cilíndricos, de tipo NU, se utiliza por las siguientes razones:
  • Puede soportar, en su interior, la dilatación térmica del eje.
  • El aro interior puede desmontarse del aro exterior, con los rodillos y la jaula; esto simplifica el montaje de la bomba y el uso de ajustes de interferencia, tanto en el aro interior como en el exterior.
Para el par de rodamientos de una hilera de bolas de contacto angular de emparejamiento universal:
  • Los rodamientos de bolas con un ángulo de 40° son ideales para soportar cargas axiales elevadas y velocidades de medias a altas.
  • Los rodamientos se disponen espalda con espalda, con los aros interiores fijados al eje y montados con un ajuste de interferencia. Como el juego del par se controla mediante la fijación de los aros interiores, los aros exteriores se pueden colocar en el soporte entre un resalte y una cubierta, sin necesidad de fijación precisa.
Ambos asientos del soporte de rodamientos están mecanizados en una posición de fijación, lo que garantiza una buena alineación. La desalineación es inferior a 2 minutos de arco, que está dentro de los límites aceptables de desalineación para el par de rodamientos de bolas de contacto angular y el rodamiento de rodillos cilíndricos.

Conclusión

La selección actual del tipo de rodamientos y su disposición es adecuada para esta aplicación.

Tamaño del rodamiento, apoyo del lado libre
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Las condiciones de funcionamiento dadas y los efectos de la fatiga por contacto de rodadura indican que el tamaño del rodamiento debe determinarse mediante la vida nominal básica y la vida nominal SKF.

Datos del producto para NU 311 ECP → detalles del producto.

Vida nominal básica




A partir de Cargas, P = Fr. Por consiguiente, la relación de carga C/P = 156/3,29 = 47.



El rodamiento está sobredimensionado. 

Vida nominal SKF


 

1Condición de lubricación: la relación de viscosidad, κ

κ = ν/ν1

Dado que:
  • grado de viscosidad del aceite = ISO VG 68
  • temperatura de funcionamiento = 70 °C (160 °F)
entonces, a partir del diagrama 1, ν = 20 mm2/s

Dado que:
  • n = 3 000 r. p. m.
  • dm = 0,5 (55 + 120) = 87,5 mm

entonces, a partir del diagrama 2, ν1 = 7 mm2/s

Por consiguiente, κ = 20/7 = 2,8


2Factor de contaminación, ηc

Dado que:

  • las condiciones de contaminación son típicas (es decir, rodamientos abiertos, sin filtrado, partículas de desgaste e ingreso de partículas desde el entorno circundante)
  • dm = 87,5 mm
entonces, a partir de la tabla 1, ηc = 0,2

Dado que:
  • Pu = 18,6 kN
  • P = Fr = 3,29 kN (→ Cargas)
entonces ηc Pu/P = 0,2 x 18,6 / 3,29 = 1,13

3. Factor de modificación de la vida útil, aSKF

Dado que:
  • κ = 2,8
  • ηc Pu/P = 1,13
  • NU 311 ECP es un rodamiento SKF Explorer
entonces, a partir del diagrama 3, aSKF = 50

Dado que:
  • L10h > 1 000 000 h
entonces L10mh > 50 x 1 000 000 h

entonces L10mh >> 1 000 000 h, lo que indica que el rodamiento está sobredimensionado para las condiciones de funcionamiento.

Carga mínima

El hecho de que la vida nominal básica y la vida nominal SKF sean muy altas y por encima de la vida útil requerida del rodamiento indica que el rodamiento puede estar cargado muy ligeramente.

Utilizando la ecuación de carga mínima de Cargas, la carga radial mínima, Frm, requerida para evitar el deslizamiento de los rodillos para los rodamientos de rodillos cilíndricos está dada por:

Dado que:
  • dm = 87,5 mm
  • kr = 0,15 
  • n = 3 000 r. p. m.
  • nr = 6 000 r. p. m.
entonces:

Frm = 0,94 kN < Fr = 3,29 kN

Conclusión

El rodamiento está sobredimensionado/cargado ligeramente. Las opciones son:

  • Seguir utilizando el rodamiento actual. No hay riesgo de que el rodamiento se dañe porque está cargado muy ligeramente.
  • Reducir el tamaño del rodamiento y, con ello, reducir el costo. Considerar una de los siguientes opciones:
    • Mantener el mismo diámetro de eje, pero utilizar la serie NU 2 más pequeña del rodamiento NU 211 ECP ( → detalles del producto).
    • Reducir el diámetro de eje un escalón, siempre y cuando el diseño del eje lo permita (resistencia y rigidez) y utilizar la serie NU 2 más pequeña del rodamiento NU 210 ECP ( → detalles del producto).
    Sin embargo, estas dos acciones de reducción de tamaño requieren modificaciones en el diseño de los componentes adyacentes.
Tamaño del rodamiento, apoyo del lado fijo
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Las condiciones de funcionamiento dadas y los efectos de la fatiga por contacto de rodadura indican que el tamaño del rodamiento debe determinarse mediante la vida nominal básica y la vida nominal SKF.

Datos del producto para 7312 BECBP → detalles del producto.

Vida nominal básica




A partir de Cargas → Capacidad de carga de los pares de rodamientos:

C = 1,62 Crodamiento individual = 1,62 x 104 = 168,5 kN

A partir de Cargas, para los pares de rodamientos dispuestos espalda con espalda:

Fa/Fr = 11,5/1,45 > 1,14

Por lo tanto, utilizar:

P = 0,57 Fr + 0,93 Fa = (0,57 x 1,45) + (0,93 x 11,5) = 11,52 kN

Por consiguiente, la relación de carga C/P = 168,5/11,52 = 14,6. 



Vida nominal SKF




1Condición de lubricación: la relación de viscosidad, κ

κ = ν/ν1

Dado que:
  • grado de viscosidad del aceite = ISO VG 68
  • temperatura de funcionamiento = 85 °C (185 °F)
entonces, a partir del diagrama 1, ν = 13 mm2/s

Dado que:
  • n = 3 000 r. p. m.
  • dm = 0,5 (60 + 130) = 95 mm

entonces, a partir del diagrama 2, ν1 = 7 mm2/s

Por consiguiente, κ = 13/7 = 1,8

El siguiente mayor grado de viscosidad, ISO VG 100, dará un valor de κ = 2,5. Pero esto haría que el rodamiento NU 311 ECP tuviera un κ > 4, lo que, en especial durante los arranques en frío, daría altos valores no deseados de κ .


2. Factor de contaminación, ηc

Dado que:

  • las condiciones de contaminación son típicas (es decir, rodamientos abiertos, sin filtrado, partículas de desgaste e ingreso de partículas desde el entorno circundante)
  • dm = 95 mm
entonces, a partir de la tabla 1, ηc = 0,2

Dado que:
  • Pu = 2 x 3,2 = 6,4 kN
  • P = 11,52 (→ Vida nominal básica, ver arriba) 
entonces ηcPu/P = 0,2 x 6,4/11,52 = 0,11 


3. Factor de modificación de la vida útil, aSKF

Dado que:
  • κ = 1,8
  • ηcPu/P = 0,11 
  • 7312 BECBP son rodamientos SKF Explorer 
entonces, a partir del diagrama 4, aSKF = 5 

Dado que:
  • L10h = 17 400 h
entonces L10mh = 5 x 17 400 = 87 000 h


Conclusión:

El par de rodamientos 7312 BECBP SKF Explorer tienen el tamaño adecuado.

Lubricación
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

La bomba cuenta con un baño de aceite. Esto es típico de las bombas de proceso, debido a su requisito de intervalos de mantenimiento prolongados. En esta bomba, por simplicidad, los rodamientos de apoyo del lado fijo y del lado libre están lubricados mediante el mismo baño de aceite.

Como se determinó en los pasos anteriores, κ es 1,8 para el par de rodamientos de bolas de contacto angular y 2,8 para el rodamiento de rodillos cilíndricos, por lo que el grado de viscosidad del aceite seleccionado es adecuado.

Temperatura y velocidad de funcionamiento
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Determinar si es necesario un análisis térmico detallado (→ Equilibrio térmico) mediante la comprobación de que:
  • la velocidad de giro es inferior al 50% de la velocidad límite del rodamiento:
    • Esto es así para el apoyo del lado libre.
    • Para el apoyo del lado fijo, es del 56 %, que está apenas por encima del límite. Es decir, para un par de rodamientos de una hilera de bolas de contacto angular, la velocidad límite se reduce en un 20% (→ Velocidad admisible); por lo tanto, 3 000/(0,8 x 6 700) = 0,56.
  • la relación de carga C/P > 10
    • Esto es así para los apoyos del lado fijo y del lado libre.
  • no hay una entrada importante de calor externo:
    • La bomba se encuentra en un entorno en el que la temperatura ambiente es de 20 a 30 °C (de 70 a 85 °F).
    • El medio de la bomba se encuentra a temperatura ambiente, por lo que no hay flujos de calor adicionales hacia los rodamientos.
Por consiguiente, no es necesario otro análisis térmico.

Interfaces del rodamiento
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Como las cargas en los rodamientos serán mayores, como consecuencia de la modificación de la bomba, debe comprobar las tolerancias de los asientos de rodamientos para asegurarse de que los rodamientos se montan con los ajustes adecuados.

Dados el eje estándar de acero y el soporte de fundición, las cargas de los rodamientos, las velocidades y temperaturas, que se encuentran todos en condiciones estándares, puede aplicar los Tolerancias de los asientos para condiciones estándares.

Tolerancias del eje 
Puede encontrar las tolerancias del eje para asientos para rodamientos radiales de bolas en la tabla 3 y para rodamientos radiales de rodillos en la tabla 4 (a partir de Tolerancias de los asientos para condiciones estándares).

Dado que:

NU 311 ECP7312 BECBP
Condición de girocarga giratoria sobre el aro interiorcarga giratoria sobre el aro interior
relación P/C0,020,07
Diámetro del agujero 55 mm60 mm


Resultados:
RodamientoTolerancia
dimensional
Tolerancia de
variación radial total
Tolerancia de
variación axial total
Ra
NU 311 ECPk6ⒺIT5/2IT50,8 µm
7312 BECBPk5ⒺIT4/2IT40,8 µm


Tolerancias del soporte
Cualquier desgaste durante el mantenimiento puede provocar un desequilibrio del impulsor, que dará lugar a cargas de dirección indeterminada en los aros exteriores de ambos rodamientos.

Puede encontrar las tolerancias para asientos para soportes de acero y de fundición, para rodamientos radiales, en la tabla 5 (a partir de Tolerancias de los asientos para condiciones estándares).

Dado que:

NU 311 ECP7312 BECBP
Condición de girocarga de dirección indeterminadacarga de dirección indeterminada
relación P/C0,020,07
Diámetro exterior 120 mm130 mm


Resultados:
RodamientoTolerancia
dimensional
Tolerancia de
variación radial total
Tolerancia de
variación axial total
Ra
NU 311 ECP
K7ⒺIT6/2IT63,2 µm
7312 BECBPK7ⒺIT6/2IT63,2 µm


Fijación axial 
El diseño actual tiene la fijación axial adecuada. Asegúrese de que la tuerca de fijación que fija los aros interiores de los rodamientos de bolas de contacto angular esté suficientemente ajustada. Aplique la fuerza de fijación uniformemente alrededor de la circunferencia y respete las dimensiones del resalte (→ detalles del producto). Para evitar la deformación de los aros interiores y alcanzar el juego axial deseado en el par de rodamientos, limite la fuerza de fijación. En el caso de bombas centrífugas, se recomienda una fuerza de fijación de C0/4 (19 kN).

Versión del rodamiento
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Comprobación del juego interno inicial

El diseño actual utiliza rodamientos con juego inicial Normal. Los ajustes para los aros interior y exterior, y la diferencia de temperatura entre los aros interior y exterior de 10 °C (20 °F), reducen el juego interno. Los otros factores que influyen en el juego interno son insignificantes.

1. Juego interno inicial

NU 311 ECPPar de rodamientos 7312 BECBP
mín./prom./máx.40 / 55 / 70 μm22 / 32 / 27 μm
 → Datos de los rodamientos. Valores obtenidos de la tabla 6.→ Datos de los rodamientos. Valores axiales obtenidos de la tabla 7, convertidos a radiales (axial x tan 40°).


2. Reducción del juego causada por los ajustes de interferencia

Uso: 

Δrajuste = Δ1 f1 + Δ2 f2Reducción del juego causada por los ajustes de interferencia

Obtener valores para:
  • factores, f1 y f2diagrama 6
  • ajustes probables para los ejes, Δ1 → tabla 8 
  • ajustes probables para los soportes, Δ2 tabla 9

Resultados:



NU 311 ECP Par de rodamientos 7312 BECBP
d/D
0,46 0,46
f1

0,78 0,78
f2

0,86 0,86
Δ1mín./prom./máx.-32/-19/-6 μm -26/-16/-6 μm
Δ2mín./prom./máx.-20/0/20 μm -21/1/23 μm
Δrajustemín./prom./máx.-42 / -15 / -5 μm -38 / -12 / -5 μm


3. Reducción del juego causada por la diferencia de temperatura

Uso: 

Δrtemp = ΔT dm x 12 x 10-6 → Reducción del juego causada por la diferencia de temperatura entre el eje, los aros del rodamiento y el soporte

Resultados:

NU 311 ECP Par de rodamientos 7312 BECBP
dm87,5 mm 95 mm
Δrtemp -11 μm -11 μm


4. Juego de funcionamiento 

NU 311 ECP Par de rodamientos 7312 BECBP
mín./prom./máx.
-13 / 30 / 55 μm
 -27 / 17 / 4 μm


Por lo general, no se recomienda un juego negativo (es decir, precarga) para un rodamiento de rodillos cilíndricos.

Los pares de rodamientos de bolas de contacto angular deben tener un juego promedio de funcionamiento próximo a cero (que varíe entre un juego pequeño y una ligera precarga), especialmente cuando los pares se cargan principalmente de manera axial. Es necesario un rango pequeño para:
  • limitar la precarga: para limitar la fricción (el aumento de fricción provoca mayores temperaturas y, por lo tanto, viscosidad reducida y vida útil del rodamiento reducida)
  • limitar el juego: para evitar el deslizamiento de las bolas
Este cálculo manual no considera el alisado de las superficies de contacto, ni la deformación elástica bajo carga, ni la probabilidad de que se produzcan valores extremos al mismo tiempo.

El análisis mediante el software más avanzado de SKF da los siguientes resultados para el juego de funcionamiento:


NU 311 ECP Par de rodamientos 7312 BECBP
mín./prom./máx. 
3 / 34 / 59 μm 
 -10 / 11 / 24 μm 


Estos resultados indican que el juego interno Normal es adecuado.

Selección de la jaula

Dados la temperatura de funcionamiento calculada de 85 °C (es decir, la temperatura más alta de los dos apoyos de rodamientos), una velocidad muy por debajo de la velocidad límite y, teniendo en cuenta la disponibilidad y el precio, se confirma que las jaulas estándares de poliamida guiadas por los elementos rodantes son adecuadas.

Por razones históricas, en algunas zonas geográficas, se prefieren las jaulas de latón para los rodamientos de bolas de contacto angular. Estas están disponibles de forma estándar de SKF. Esto también es válido para los rodamientos de rodillos cilíndricos.

Conclusión


Apoyo del lado libre:

El rodamiento NU 311 ECP, que se utiliza actualmente en la bomba centrífuga, es adecuado. Como alternativa, se puede utilizar el rodamiento NU 311 ECM. Es posible reducir el tamaño del rodamiento. 

La versión del rodamiento se describe mediante sufijos en la designación del rodamiento (→ Sistema de designación).

Sufijos de designación:

SufijoDescripción
Diseño internoECdiseño interno optimizado que incorpora más rodillos y/o rodillos de mayor tamaño, y donde el contacto entre el extremo del rodillo y la pestaña está modificado y diseñado para minimizar la fricción
Diseño de la jaulaPjaula de PA66 reforzada con fibra de vidrio, centrada respecto de los rodillos

Mjaula mecanizada de latón, remachada y centrada respecto de los rodillos
Clase de juegoNormal


Apoyo del lado fijo: 

El par de rodamientos 7312 BECBP de emparejamiento universal, que se utiliza actualmente en la bomba centrífuga, es adecuado. Como alternativa, se puede utilizar el rodamiento 7312 BECBM.

La versión del rodamiento se describe mediante sufijos en la designación del rodamiento (→ Sistema de designación).

Sufijos de designación:

SufijoDescripción
Diseño internoBÁngulo de contacto de 40°

Ediseño interno optimizado: conjunto de elementos rodantes reforzados
Diseño externo/clase de juegoCBrodamiento para emparejamiento universal; dos rodamientos dispuestos espalda con espalda o cara a cara; tienen un juego axial interno Normal
Diseño de la jaulaPjaula de PA66 reforzada con fibra de vidrio, centrada respecto de las bolas

Mjaula mecanizada de latón, centrada respecto de las bolas


Sellado, montaje y desmontaje
Performance and operating conditionsBearing type and arrangementBearing sizeLubricationOperating temperature and speedBearing interfacesBearing executionSealing, mounting and dismounting

Sellado

El diseño actual de la bomba utiliza sellos radiales del eje para mantener el lubricante del baño de aceite en la bomba y para proteger los rodamientos de la contaminación (fig. 1).

Puede utilizar sellos SKF HMS5 (fig. 2) o HMSA10 (fig. 3) (→ sellos HMS5 y HMSA10). Estos son adecuados para las aplicaciones lubricadas tanto con grasa como con aceite. El rango de temperatura y la capacidad de velocidad del compuesto de caucho de nitrilo utilizado para estos sellos se adapta a las condiciones de funcionamiento de la bomba.

Para obtener más información sobre especificaciones del eje y del agujero del soporte, consulte Requisitos del eje y Requisitos del agujero del soporte.

Cuando se desgasta la superficie de contacto del sello, se puede reparar el eje con un manguito de desgaste, por ejemplo, SKF Speedi-Sleeve.

Montaje en caliente de rodamientos

Los rodamientos se montan con un ajuste de interferencia sobre el eje y un ajuste de transición en sus soportes. Los rodamientos se pueden montar fácilmente si se calientan sus aros interiores a 100 °C (210 °F) y los asientos del soporte a 50 °C (160 °F). Para calentar los aros interiores, utilizar una placa eléctrica de calentamiento o un calentador de inducción SKF (→ Calentadores de rodamientos). 

Alineación de ejes

Para maximizar la vida útil de la bomba, la bomba y su motor eléctrico deben estar bien alineados (→ Alineadores).

Conclusiones generales
Los rodamientos existentes pueden utilizarse en combinación con el nuevo diseño del impulsor.

Se recomienda reducir el tamaño del rodamiento de rodillos cilíndricos.

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