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Cojinetes deslizantes de carbón
schunk-carbontechnology.com
Schunk Carbon Technology
Índice
COJINETES DESLIZANTES DE CARBÓN
02
Schunk Carbon Technology 03
Campos de aplicación 04
Propiedades características 05
Capacidad de carga 05 Cojinetes deslizantes, funcionamiento en seco 06 Cojinetes deslizantes, funcionamiento con lubricante 07
Materiales de contracara 08
Estructura 09 Diseño de los cojinetes 09 Montaje 10 Prensado 10 Contracción 10 Juego de los cojinetes 10
COJINETES DESLIZANTES DE CARBÓN
We are Schunk Carbon Technology
Schunk Carbon Technology es líder mundial en el desarrollo, producción y aplicación de soluciones de cerámica y carbón. Schunk Carbon Technology combina sabiamente la capacidad de innovación y el know-how tecnológico con su orientación al cliente y una extraordinaria oferta de servicios.
Con su cartera tecnológica altamente especializada de carbón mecánico, carbón eléctrico, aplicaciones de alta temperatura
y cerámica técnica, Schunk Carbon Technology ofrece soluciones perfectamente adaptadas para los más diversos sectores
industriales. Nuestra tecnología está presente en millones de vehículos, en electrodomésticos, en la tecnología ferroviaria
y aérea, así como también en la industria química, en los procesos de tratamiento térmico y en las áreas de energía eólica
y solar. También estamos presentes en la técnica médica y en la industria de semiconductores.
La unidad de negocio de carbón mecánico desarrolla y fabrica materiales para anillos obturadores, cojinetes deslizantes y componentes para bombas con grafito y carbón, o con el material SiC. Estos productos se utilizan en la tecnología de sellado, así como en máquinas, módulos e instalaciones de muchos sectores industriales, como por ejemplo en las industrias química, y petroquímica, en la técnica energética, en los sectores farmacéutico y de la alimentación, o en aplicaciones relacionadas con la navegación aérea y marítima.
Una división del Grupo SchunkSchunk Carbon Technology es una división del Grupo Schunk, que opera como consorcio tecnológico global con más de 8500 empleados en 29 países para desarrollar soluciones tecnológicas a medida en los sectores de la tecnología del carbón y la cerámica, la simulación ambiental, los sistemas de climatización y la soldadura ultrasónica.
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Campos de aplicación
Los cojinetes deslizantes de carbón encuentran aplicación en todo tipo de contextos, desde las bombas convencionales de la industria química y petroquímica hasta los sectores alimentario, farmacéutico y cosmético, sin olvidar la industria automovilística, las centrales energéticas y los tratamientos térmicos.
COJINETES DESLIZANTES DE CARBÓN
Sus propiedades autolubricantes permiten cubrir una enorme variedad de ámbitos, desde cojinetes deslizantes de funcionamiento en seco hasta cojinetes de alto rendimiento con lubricación hidrodinámica.
La enumeración de ámbitos de aplicación de los cojinetes deslizantes de carbón que se expone a continuación no pretende ser completa. Se trata simplemente de una selección, pues gracias a las características únicas del carbono y el grafito, surgen continuamente nuevas aplicaciones para los cojinetes deslizantes.
Campos de aplicación Material recomendado
Bombas de agua potable FH42Z2
Bombas de recirculación de calefacciónFH42Z2, FH42A, FH82A, FC941
Bombas sumergidas de motores Cojinetes radiales
FH42Z2, FH42A, FH82A
Bombas sumergidas de motores Cojinetes axiales
FH42Z5, FH82Z5, FH82A
Bombas de aumento de presión FH42Z2, FH42A
Bombas de engranajes FH42Y3, FH42A, SiC30
Bombas químicasFH42Z2, FH42Y3, FE45Y3, SiC30
Bombas para aceites portadores de calor FH42A
Bombas para gases líquidosFH42A, FH82A FH71ZH2, FH71A, SiC30
Bombas para centrales energéticas (bombas para refrigerante principal)
FH42(9)Y3
Bombas y aparatos (industria alimentaria)
FH42Z2, FH42Y3
Maquinaria de tintorería FH42, FE45Y3
Maquinaria de blanqueado FE45Y3
Equipos industriales de lavado FH42, FH42Z2
Equipos de galvanizado FH42, FE45Y3
Contadores de líquidos FH42Y3, FH42A
Bombas de carburantes FF521, FH42A
Bombas refrigerantes (automóviles) FF521
Campos de aplicación Material recomendado
Hornos industriales de cocción (sector alimentario) FE65
Secadoras de chapas FH42, FH44Z2
Secadoras de yeso y yeso encartonado FH82, FE45Y3, FE65
Hornos de tratamiento de vidrio FE45Y3, FE65
Cadenas de transporte para equipos de horno
FH42
Estructuras de enfriamiento en trenes de laminado
FE45Y3
Ajuste de palas propulsoras de turbocompresores FE45Y3
Válvulas de mariposa FE45Y3
Compresores rotativos de paletas y compresores de aire
FH42Z2
Válvulas de gases de escape FE65
Las piezas indicadas en cada ámbito de aplicación han mostrado su eficiencia en la práctica y pueden entenderse como recomendación. No obstante, en casos concretos las condiciones de aplicación pueden requerir el uso de otro material. Nuestros especialistas en tecnologías de aplicación le asesorarán al respecto.
Funcionamiento en seco Funcionamiento en mojado
COJINETES DESLIZANTES DE CARBÓN
Propiedades características
Los materiales de carbono y grafito tienen las siguientes características:
¬ Excelentes propiedades antifricción de deslizamiento en seco, incluso en medios con malas propiedades lubricantes
¬ Bajo coeficiente de fricción en combinación con numerosos materiales de contrarrotación
¬ Excelente resistencia química ¬ Apropiados para aplicaciones de agua potable
y alimentarias
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Capacidad de cargaPara la estimación de la vida útil se recurre a los llamados valores p*v. La capacidad de carga de los cojinetes deslizantes resulta de la presión de deslizamiento p y la velocidad de deslizamiento v. La presión de deslizamiento p en N/cm² se obtiene de la fuerza de apoyo F y las dimensiones geométricas del cojinete, siendo:
F = fuerza de apoyo (N); d = diámetro (cm); l = longitud (cm).
¬ Resistencia a temperaturas altas y bajas ¬ Elevada conductividad térmica ¬ Excelente comportamiento ante el choque térmico ¬ Extraordinaria resistencia a la deformación ¬ Elevada resistencia a la fatiga ¬ Su solidez es independiente a la temperatura
La velocidad de deslizamiento v en m/s se obtiene de las revoluciones del eje, siendo:
n = revoluciones (mín-1); d = diámetro (m)
p= (d*l)
F
v= d * ∏ * 60n
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COJINETES DESLIZANTES DE CARBÓN
Cojinetes deslizantes de funcionamiento en seco
El desgaste con el funcionamiento en seco aumenta con
la carga, es decir, cuanto mayores sean p o v. Con un
coeficiente de desgaste casi igual, el producto de ambos
valores (p/v) es prácticamente constante, y puede servir
como característica del material.
Como los cojinetes deslizantes de funcionamiento en seco
están sometidos a un cierto desgaste, para calcular las
curvas límite de carga del valor p*v se ha establecido un
valor límite de desgaste de 0,7 µm/h.
Schunk ha realizado amplias series de ensayos en bancos
de pruebas con los cojinetes deslizantes para aplicar estos
diagramas, variando velocidad y presión de deslizamiento.
En los ensayos, se daban las siguientes condiciones límite:
dimensiones del cojinete radial, ø18/12 x 10 mm; material
del eje, acero inoxidable 1.4104; superficie del eje con
rugosidad de Rt ≈ 0,7 µm; funcionamiento con aire a
temperatura ambiente.
En el diagrama p*v 1 se puede consultar la capacidad de
carga de los cojinetes deslizantes de funcionamiento en
seco del material no impregnado FH42 y de los materiales
All-Carbon FH44Y3 y FE45Y3.
Los cojinetes de grafito al carbono, calidad FH42, muy
dura y sólida, tienen menor capacidad de carga en
deslizamiento seco que los otros dos materiales. Debido
a la mayor proporción grafítica del grafito al carbono
FH44Y3, este material presenta una capacidad de carga
claramente mayor con el mismo coeficiente de desgaste.
El electrografito FE45Y3 muestra la mayor capacidad de
carga de los tres materiales.
Mediante distintas impregnaciones, por ejemplo, con resina
artificial, se pueden aumentar aún más las capacidades de
carga. Mediante impregnación con antimonio se consigue
un aumento solamente con velocidades de deslizamiento
bajas (< 0,5 m/s). En cambio, las impregnaciones
especiales con sales conllevan claras mejoras, como
muestra el diagrama 2 p*v.
En dicho diagrama p*v, la capacidad de carga del
electrografito FE45Y3 se compara con la del electrografito
FE65 con impregnación de sal.
De los diagramas p*v se puede deducir que el p*v del
producto para cada uno de los materiales es prácticamente
constante durante un amplio intervalo. Para cada material,
se han calculado los siguientes valores:
p*v de FH42 = 11 N/cm²*m/s
p*v de FH44Y3 = 30 N/cm²*m/s
p*v de FE45Y3 = 40 N/cm²*m/s
p*v de FE65 = 190 N/cm²*m/s
Las curvas de límite de carga indicadas en los diagramas p*v
van de 0,2 a 1,5 o 2 m/s. Con velocidades de deslizamiento
de v < 0,2 m/s, la máxima carga válida para v = 0,2 m/s
no debería superarse básicamente. Con velocidades de
deslizamiento de 1,5 o 2 m/s debe contarse con mayor
desgaste, a diferencia de la consideración de p*v = constante.
Las curvas de límite de carga calculadas para cojinetes
radiales de deslizamiento en seco también sirven para los
cojinetes axiales de funcionamiento en seco.
Diagrama 2 p*v: Capacidad de carga de cojinetes de carbón de deslizamiento en seco en dependencia de la velocidad de deslizamiento; comparación FE45Y3/FE65.
140
120
100
80
60
40
20
0,5 1,0 1,5 2,0
FH42
FH44Y3FE45Y3
Carga esp.N/cm²
Velocidad de deslizamientom/s
500
400
300
200
100
0,5 1,0 1,5 2,0
FE65
Carga esp.N/cm²
Velocidad de deslizamientom/s
FE45Y3
Diagrama 1 p*v: Capacidad de carga de cojinetes de carbón de deslizamiento en seco en dependencia de la velocidad de deslizamiento.
COJINETES DESLIZANTES DE CARBÓN
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Cojinetes deslizantes con lubricante
Los sistemas tribológicos con lubricante se pueden describir muy bien mediante curvas de Stribeck. En ellas, la resistencia a la fricción con carga constante resultante se transmite a la velocidad de deslizamiento creciente. Los distintos estados de la fricción se pueden apreciar en la trayectoria de la fricción. Al principio, en el intervalo de adherencia y fricción límite figura la fricción de sólidos, es decir, la fricción seca; sigue el intervalo de tránsito de la fricción mixta; y al final figura, a partir del mínimo de fricción, el punto de liberación, la fricción en líquidos.
En los intervalos de fricción seca y mixta existe fricción de sólidos, y ésta, además del aumento de la fricción, genera también desgaste. Con el uso de cojinetes deslizantes de carbón, la fricción y el desgaste se reducen considerablemente ya en presencia de pequeñas cantidades de líquidos o incluso solo de vapores. Dependiendo de la carga, el medio y la geometría, en los líquidos, a partir de determinada velocidad de deslizamiento, se produce una lubricación hidrodinámica; en ese estado, no se genera ningún desgaste por fricción.
Dado que, los materiales de carbono ya presentan sus ventajas especialmente en los intervalos de fricción límite y mixtos, se ha representado y comparado allí, en un pequeño intervalo de la curva de Stribeck, la capacidad de carga de distintos materiales con la ayuda de un diagrama p*v. Para ello, se ha establecido un desgaste límite de 0,1 µm/h. En general, la capacidad de carga de estos materiales es notablemente más elevada.
Curva de Stribeck y sus intervalos de fricción: 1 Intervalos de adherencia y fricción límite (sólidos/fricción seca) [CM1] | 2 Intervalo mixto | 3 Lubricación hidrodinámica (lubricación con líquidos).
Diagrama p*v 3: Capacidad de carga en función de la velocidad de deslizamiento de cojinetes de carbón en deslizamiento húmedo.
1000
800
600
400
200
0,5 1,0 1,5 2,0
FH42Z2
Carga esp.N/cm²
Velocidad de deslizamientom/s
FH42A
Fricción
Velocidad de deslizamiento
1 2 3
COJINETES DESLIZANTES DE CARBÓN
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Materiales de contracara
En principio, existen numerosos materiales apropiados como pares de fricción. Incluso pueden utilizarse como contracara materiales relativamente blandos, dependiendo de la carga y el material de carbono.
Han mostrado sus buenas propiedades, incluso bajo gran carga, los aceros cromados (13-17 % Cr). La causa de que los materiales de contracara duros sean más apropiados es, entre otras, que, con el aumento de la dureza, se facilita la formación de la película de transmisión de grafito (pátina) en la superficie de la contraparte. Se recomienda, especialmente con grandes cargas, una dureza de HRc ≥ 40. Los mejores resultados de deslizamiento se consiguen con una rugosidad del material de contracara de Rt ≤ 1 µm. Unas rugosidades mayores, de hasta Rt≈ 2 µm, causan aumento del desgaste en la fase de arranque. Se recomiendan ejes de pulido fino; son poco apropiados los ejes laminados. Se recomienda evitar el uso de clases de aceros inoxidables no endurecibles con níquel como material de contracara si se pueden usar materiales más apropiados. De lo contrario, especialmente en el deslizamiento seco, con lubricación líquida insuficiente o con líquidos muy sucios, pueden aparecer estrías no deseadas.
Materiales adecuados como contracara: ¬ Acero cromado ¬ Acero cromado fundido ¬ Acero nitrurado ¬ Fundición gris ¬ Materiales con cromado duro ¬ Acero no aleado ¬ Carburo de silicio ¬ Metal duro ¬ Cerámica sinterizada (Al2O3)
Materiales de uso limitado como contracara: ¬ Acero cromado con níquel ¬ Hierro austenítico fundido¬ Metal no ferroso
Materiales no adecuados como contracara:¬ Aluminio ¬ Aleaciones de aluminio
Cojinete axial
Cojinete deslizante con camisa metálica
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COJINETES DESLIZANTES DE CARBÓN
Construcción
Diseño de los cojinetes
Por norma general, los cojinetes deslizantes Schunk se fabrican de conformidad con las necesidades y los deseos de nuestros clientes. Asimismo, para los cojinetes radiales y los cojinetes con collar de materiales de carbono se puede consultar la norma DIN 1850, hoja 4 ("Casquillos de carbono artificial").
Además de una construcción apropiada para cerámica, de-ben observarse algunas directrices geométricas generales. En el caso de los cojinetes radiales cilíndricos sencillos, se pueden utilizar como valores orientativos las siguientes proporciones:
Los cojinetes lubricados también se pueden realizar con ranuras espirales o longitudinales para asegurar el suministro de lubricante en la cavidad del cojinete y bombear el medio por dicha hendidura. En los cojinetes axiales, debe comprobarse en cada caso si sería más conveniente producir las ranuras de lubricante en la contraparte. Generalmente, en este caso también son posibles prácticamente todas las geometrías de ranuras.
En los cojinetes con collar, deben mantenerse las siguientes dimensiones:
I= d1 hasta d2
Imáx= 2 x d2
S= 0,1 hasta 0,2 x d1
Smín= 3 mm
Especialmente en los cojinetes prensados o contraídos (ver capítulo "Construcción") es fundamental no desviarse de esta directriz, en referencia a un posible collar o saliente.
Ø IT 8
f x 45°d 2 d 1
f x 45°
1
s
s
u
S
b
u=<1/2 s
b=<1/2 s
COJINETES DESLIZANTES DE CARBÓN
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Construcción
En la construcción de los cojinetes deslizantes, debe tenerse en cuenta el coeficiente de dilatación térmica de los materiales de carbono y grafito, que es más bajo que el de los metales y plásticos.La cerámica de carbono tampoco debe someterse a tensión, y a ser posible, debe evitarse su utilización sin soportes estructurales. Para atender a estas dos peculiaridades, los cojinetes deslizantes pueden embutirse en camisas metálicas mediante prensado o contracción. Es fundamental atenerse a la directriz relativa a las proporciones, especialmente en el prensado o la contracción de cojinetes con collar. En caso contrario, pueden producirse picos de tensión en el material debido a la parte sobresaliente no encapsulada, pudiendo producirse rápidamente el fallo del material. Tras el encapsulado, el material de carbono está bajo presión de compresión, lo que representa la carga óptima, protegiendo por tanto apropiadamente el cojinete.
Prensado Para el prensado en frío de cojinetes deslizantes de carbón se recomienda un ajuste con apriete de H7/s6. Según el material de la carcasa, se puede aplicar para temperaturas de hasta 120 °C. Un bisel o chaflán en la carcasa de entre 15 y 30° facilita claramente el proceso de encapsulado. En caso de grandes solapamientos, los cojinetes deslizantes de carbono no deben comprimirse en frío, ya que en el encapsulado puede producirse desprendimiento del material.
Contracción La contracción directa en la envoltura o camisas metálicas se ha revelado como el mejor tipo de fijación para los cojinetes de carbón sometidos a elevadas cargas mecánicas o para temperaturas de aplicación superiores a 120 °C. Los ajustes por compresión dependen de los respectivos coeficientes de dilatación térmica y la posterior temperatura de trabajo. Generalmente, se aplica la norma ISO 286-2 para solapamientos hasta H7/zb8. Para la contracción, Schunk calienta las carcasas metálicas en un horno hasta que los casquillos fríos de los cojinetes se pueden introducir sin aplicar fuerza adicionalmente en el orificio de alojamiento. Dependiendo de la proporción del grosor de las paredes y de los módulos de elasticidad, se estrecha el alojamiento del casquillo debido al sobredimensionamiento del ajuste por compresión y aumenta el diámetro exterior de la carcasa.
Si se necesitan tolerancias estrechas en la pieza acabada, tras la contracción hay que realizar un mecanizado posterior. El casquillo del cojinete se puede mecanizar hasta grosores de pared muy pequeños que no serían posibles sin el soporte de la carcasa.
Juego de los cojinetes
También al determinar el juego de los cojinetes deben tomarse en consideración los distintos coeficientes de dilatación térmica. Si se escoge un juego demasiado estrecho, pueden atascarse los ejes con la temperatura de trabajo. Por lo tanto, debe distinguirse entre el juego en frío a temperatura ambiente y el juego en caliente a temperatura de trabajo.
En el caso de los cojinetes deslizantes de carbón comprimidos sometidos a suficiente tensión, no es necesario distinguir entre el juego en frío y en caliente. El casquillo del cojinete, con el calentamiento, se expandirá aproximadamente conforme al coeficiente de dilatación térmica de la carcasa metálica. Para el juego de los cojinetes a temperatura de trabajo, recomendamos, en deslizamiento seco, del 0,3 % al 0,5 % del diámetro del eje, mientras que en los cojinetes lubricados, del 0,1 % y 0,3 % del diámetro del eje.
Juego en frío a temperatura ambiente = juego en caliente a temperatura de trabajo +∆deje – ∆dcojinete
De forma aproximada:∆deje – ∆dcojinete = (α eje – α cojinete) * d * ∆T
Siendo: α eje = coeficiente de dilatación por temperatura del eje α cojinete = coeficiente de dilatación por temperatura del
cojinete deslizante∆T= diferencia de temperatura (temperatura de trabajo –
temperatura ambiente) en Kd= diámetro nominal de la cavidad del cojinete
Temperatura ambiente Temperatura de trabajo
Cojinete
Jueg
o
Eje
ø de
je
ø dc
ojin
ete
ø de
je
ø dc
ojin
ete
Jueg
o
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Tel. +34 913 940 900
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