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La formación de cráteres es quizá el efecto más común del daño por este tipo de acción

Prevención de daños en rodamientos por erosión eléctrica en los motores de electrodomésticos

Daniel R. Snyder, director de Ingeniería de Aplicaciones de la División Industrial de SKF EE UU10/03/2009

10 de marzo de 2009

Cuando una corriente parásita presente en una máquina utiliza un rodamiento como camino de descarga a tierra, el daño resultante se denomina 'daño del rodamiento por erosión eléctrica'. Entre las causas más comunes del daño de los rodamientos por erosión eléctrica se encuentran: la asimetría en el circuito magnético del motor, cables sin blindaje y los variadores de frecuencia (VFD) de conmutación rápida para los motores de velocidad variable.
Una vez iniciado el daño por erosión eléctrica, diversos factores como el exceso de vibración, el aumento de la temperatura y de los niveles de ruido, y la reducción de la eficacia del lubricante presente en el rodamiento del motor, contribuirán a acortar su vida útil. El alcance del daño en los rodamientos dependerá de la cantidad de energía y su duración. Sin embargo, el efecto que tendrá sobre ellos será normalmente el mismo: daños por picaduras en los elementos rodantes y caminos de rodadura, rápida degradación del lubricante y averías prematuras de los rodamientos del motor (y de la aplicación).
Por qué ocurre la erosión eléctrica:

La formación de arcos eléctricos tiene lugar si existe diferencia de potencial entre el eje del motor y el soporte del rodamiento. (Hasta una diferencia de potencial de tan solo unos voltios puede producir el efecto). El nivel de tensión cuando tiene lugar la formación del arco depende del tamaño de las bolas, la velocidad de funcionamiento, la frecuencia de la corriente y la geometría del rodamiento.

Otro signo perceptible e indicador del daño en el rodamiento por erosión eléctrica es la formación de estrías (u ondulaciones) en los caminos de rodadura

Así se produce el daño:

Cuando una corriente eléctrica atraviesa la zona de contacto de los elementos rodantes y el camino de rodadura de un rodamiento, la energía de la descarga eléctrica genera calor, lo que provoca una fusión localizada de la superficie. El efecto que esto tiene en un rodamiento es similar al de una serie de pequeños 'relámpagos', que funden y vuelven a templar las superficies internas del rodamiento. Como resultado, parte del material superficial se desconcha y descascarilla, provocando una picadura muy pequeña que contribuye a aumentar el ruido en el rodamiento y a acortar potencialmente su vida útil. La formación de cráteres es quizá el efecto más común del daño por erosión eléctrica. Se caracteriza por deposiciones de metal fundido invisibles a simple vista. Cuando la superficie del elemento rodante es gris mate, se trata de una señal visual de formación de cráteres que advierte del deterioro del rodamiento.

Otro signo perceptible e indicador del daño en el rodamiento por erosión eléctrica es la formación de estrías (u ondulaciones) en los caminos de rodadura. Las estrías se forman debido al efecto dinámico que provoca el movimiento continuo de los elementos rodantes sobre los microcráteres, que graban un patrón rítmico en las superficies de los caminos de rodadura de los rodamientos. El ruido y la vibración en el rodamiento aumentan y su deterioro conducirá, en última instancia, a la avería total del rodamiento.

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Los rodamientos híbridos poseen una alta capacidad de velocidad de giro y pueden alcanzar, por diversas razones, una vida útil más larga que los rodamientos totalmente de acero en la mayoría de aplicaciones.
Una solución: los rodamientos de bolas híbridos

En la búsqueda por 'aislarse' contra el problema, los avances recientes en tecnología y materiales han demostrado ser de utilidad. Una solución consiste en utilizar rodamientos de bolas híbridos, que sustituyen las bolas de acero por elementos rodantes cerámicos.

Estas alternativas a los rodamientos totalmente de acero cuentan con aros hechos de acero para rodamientos, mientras que los elementos rodantes están fabricados con nitruro de silicio. Debido a la alta resistividad del nitruro de silicio, los rodamientos híbridos ofrecen un aislamiento idóneo contra las corrientes eléctricas, tanto en motores de CA como de CC. Además, los rodamientos híbridos poseen una alta capacidad de velocidad de giro y pueden alcanzar, por diversas razones, una vida útil más larga que los rodamientos totalmente de acero en la mayoría de aplicaciones.

Entre las características principales de los rodamientos híbridos comparados con los rodamientos totalmente de acero tradicionales, se encuentran:

  • Menor densidad. Las bolas de nitruro de silicio son un 40% menos densas que las bolas de acero del mismo tamaño, lo que reduce la fuerza centrífuga y la fricción. Esto significa velocidades más altas, menos peso, menor inercia y arranques y paradas más rápidas. En resumen, los rodamientos pueden funcionar a más velocidad y con menor temperatura, por lo que ahorran energía.
  • Mayor dureza. Las bolas cerámicas son más duras que el acero y que la mayoría de las partículas contaminantes. Esto significa que los rodamientos pueden eliminar las partículas contaminantes triturándolas o presionándolas hasta los aros de acero (más blandos), donde resultan menos dañinas.
  • Menor fricción. El bajo coeficiente de rozamiento del nitruro de silicio mejora la resistencia al desgaste, que permite un funcionamiento del rodamiento a menor temperatura incluso bajo condiciones de lubricación escasa. Esto significa una mejor lubricación, menos ruido y menor temperatura de funcionamiento.
  • Módulo de elasticidad más alto. Los elementos rodantes cerámicos tienen un módulo de elasticidad un 50% más alto que el acero. Esto significa mayor rigidez del rodamiento y menor deformación bajo carga, lo que promueve un rendimiento fiable.
  • Menor coeficiente de dilatación térmica. Los elementos rodantes cerámicos tienen una dilatación de tan solo el 29% de la de los elementos rodantes de acero. Esto significa menos sensibilidad a los gradientes de temperatura, lo que facilita una distribución más precisa de la carga.

En lo referente al rendimiento y la fiabilidad de los electrodomésticos, los rodamientos híbridos pueden:

  • Aumentar la vida útil. Las propiedades de la cerámica se combinan para cumplir la promesa de una vida útil de hasta 10 veces la de los rodamientos de acero estándar.
  • Reducir las temperaturas de funcionamiento. El calor generado en los rodamientos se atribuye a la fricción viscosa entre las bolas y los caminos de rodadura. El origen de la carga es tanto externo como interno, y poco se puede hacer para reducir las cargas externas. Sin embargo, puesto que las bolas cerámicas solo tienen el 40% de la densidad de las bolas de acero, las bolas generan menos carga centrífuga y la fricción interna es menor. Esto se traduce en un funcionamiento a menor temperatura con las mismas condiciones operativas (o, si le corresponde, una velocidad de giro más alta, manteniendo la misma temperatura).
  • Reducir el desgaste producido por vibraciones. Los electrodomésticos expuestos a vibración estática tienen riesgo de sufrir vibrocorrosión (desgaste de las superficies de contacto entre las bolas y los caminos de rodadura), que puede resultar en descascarillado y averías prematuras. Las bolas cerámicas más ligeras reducen al mínimo la posibilidad de sufrir vibrocorrosión.
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Los rodamientos de bolas híbridos sustituyen las bolas de acero por elementos rodantes cerámicos.