Engranaje interno de rodamiento giratorio en maquinaria pesada

Autor:Iker Heras

Nacido en Barakaldo en 1986, obtuvo el título de Ingeniero Industrial por la Escuela de Ingenieros de Bilbao. Tras trabajar como investigador en la empresa privada durante cuatro años (ITP e IK4-Ikerlan), regresó a su alma mater para realizar los estudios de doctorado.

Desde entonces forma parte del Grupo ADM, donde trabaja en el modelado del comportamiento estructural de componentes de máquinas, siendo experto en rodamientos giratorios. También trabaja como conferenciante, impartiendo clases en temas relacionados con el cálculo y diseño de máquinas y el estudio de sus componentes.

¿Qué es un engranaje interno giratorio?

Como todos sabemos, el rodamiento giratorio es un componente de transmisión clave para realizar la rotación entre dos partes móviles relativas y soportar diversas cargas (fuerza axial, fuerza radial, momento de vuelco). El "rodamiento giratorio de engranaje interno", como su nombre indica, consiste en que su corona dentada se encuentra dentro del anillo interior.

Desde el punto de vista estructural, se compone principalmente de anillos interior y exterior, elementos rodantes (que pueden ser bolas de acero o rodillos), soportes espaciadores, juntas y la corona dentada interior del núcleo. Usted se preguntará, ¿qué tiene esto de especial? La diferencia es esta corona dentada interna. Cuando engrana con la corona dentada exterior, la entrada de potencia se consigue a través de la corona dentada interior, impulsando así la rotación de la estructura o máquina exterior.

Comparado con el rodamiento giratorio de tipo diente externo, la mayor ventaja del diseño de tipo diente interno es que su estructura es más compacta. Imagínese que si la corona dentada es externa, las dimensiones externas de toda la máquina aumentarán por vueltas, lo cual es un desastre para los diseños con limitaciones de espacio. Aunque la estructura del rodamiento giratorio sin dentado es más concisa, requiere métodos de accionamiento adicionales, como el accionamiento por fricción, que es insuficiente cuando se requiere una sincronización precisa y una transmisión de gran par.

Por lo tanto, la ventaja única del rodamiento giratorio de engranaje interno es que tiene perfectamente en cuenta la capacidad de carga y la función de transmisión, y oculta el mecanismo de accionamiento dentro del soporte, lo que ahorra en gran medida el espacio de instalación. Esto es especialmente importante en maquinaria portuaria, maquinaria de ingeniería, energía eólica y otros campos.

Principio de diseño y ventajas estructurales del rodamiento giratorio de dentado interno

Estructura del núcleo y mecanismo de funcionamiento

En los muchos proyectos en los que he trabajado, siempre me ha impresionado la estructura central de la corona giratoria de dientes internos. En términos sencillos, es como un gran rodamiento, pero no del todo.

En primer lugar, hablemos del tipo de cuerpo rodante. Normalmente utiliza bolas o rodillos como cuerpos rodantes. El rodamiento giratorio de bolas funciona bien en ocasiones con carga ligera o media y ciertos requisitos de velocidad. Sus características de contacto puntual hacen que la fricción sea relativamente pequeña, pero la capacidad de carga será limitada. El tipo rodillo, ya sea un rodillo cilíndrico o un rodillo cruzado, debido al contacto de línea, su capacidad de carga es mucho mayor que la del tipo bola, especialmente adecuado para aquellas aplicaciones que necesitan soportar enormes cargas radiales y axiales.

Personalmente, prefiero elegir rodillos cruzados en maquinaria pesada de construcción, porque pueden soportar cargas multidireccionales al mismo tiempo, y pueden proporcionar una mayor rigidez.

La selección del material es otro aspecto que me hace deliberar. Material del anillo interior y exterior, por lo general elegimos como 42CrMo o 50Mn acero de aleación de alta resistencia. Debido a sus excelentes propiedades mecánicas integrales y buena templabilidad, 42CrMo tiene un buen rendimiento en condiciones de carga pesada e impacto. Y el 50Mn tiene sus particularidades en cuanto a dureza y resistencia al desgaste. Una vez seleccionado el material, el siguiente proceso de tratamiento térmico es muy importante. El temple y revenido pueden mejorar significativamente la dureza y la resistencia al desgaste de la superficie, al tiempo que garantizan una tenacidad suficiente del núcleo para evitar la fractura frágil.

Me he encontrado con un caso, es debido a que los parámetros del tratamiento térmico no están debidamente controlados, lo que provoca un fallo prematuro, por lo que esta pieza no tolera el más mínimo descuido.

Por último, el diseño de la junta. Es como la "piel" del rodamiento giratorio, especialmente en el duro entorno de trabajo al que a menudo se enfrenta la maquinaria de ingeniería, como medios polvorientos, húmedos e incluso corrosivos. Las juntas laberínticas se basan en huecos de varias capas para impedir la entrada de contaminantes mediante métodos sin contacto, y son adecuadas para aplicaciones de alta velocidad o sensibles a la fricción.

El sellado de contacto, como el sellado de labios, el efecto de sellado es más fiable, puede prevenir eficazmente la fuga de grasa y la intrusión de contaminantes externos, aunque la fricción se incrementará ligeramente, pero en mi opinión, para la protección de la vida del rodamiento, este sacrificio vale completamente la pena.

Ventajas exclusivas de la corona dentada interna

La razón por la que creo que el rodamiento giratorio dentado interno es un diseño ingenioso radica en gran medida en las múltiples ventajas que conlleva su corona dentada interna.

Aprovechamiento del espacio: esa es mi principal consideración. La corona dentada está diseñada en el interior del rodamiento giratorio, lo que hace que todo el mecanismo de transmisión sea más compacto. Imagínese que si la corona dentada estuviera en el exterior, las dimensiones totales de todo el dispositivo serían una vuelta más grandes, lo que sin duda añadiría un insulto a un diseño mecánico con limitaciones de espacio. La corona dentada interna resuelve perfectamente este inconveniente, logrando una transmisión compacta en un espacio limitado.

Protección del engranaje: El engranaje externo es susceptible de sufrir daños por arena, polvo, piedras o incluso impactos accidentales, mientras que el engranaje interno está inteligentemente "escondido" dentro de la estructura y es menos susceptible a la contaminación y los daños físicos del entorno externo. Esto prolonga enormemente la vida útil del engranaje y reduce la frecuencia de mantenimiento, lo que supone una ventaja evidente desde el punto de vista de los costes de mantenimiento.

Precisión de la transmisión: en mi opinión, la precisión de la transmisión es un indicador fundamental para evaluar cualquier tren de engranajes. La precisión de mecanizado del engranaje interno afecta directamente a la suavidad de la rotación y a la precisión de posicionamiento final. Los engranajes internos de alta precisión pueden reducir eficazmente la holgura de la transmisión y reducir la vibración y el ruido, lo que es crucial para algunos equipos que requieren un control preciso, como las plataformas de trabajo aéreo o las grúas de precisión.

Capacidad de carga: El diseño integrado de engranajes y rodamientos no es un simple apilamiento, sino una optimización de la estructura. Esta integración permite que la carga se distribuya más uniformemente por toda la estructura, lo que eleva la resistencia estructural global y la capacidad de carga.

Parámetros comunes de los engranajes y consideraciones de diseño geométrico

Al diseñar la corona dentada interna, siempre tengo muy en cuenta el principio de selección de los parámetros básicos, como el módulo, el número de dientes, el ángulo de presión, etc. El módulo determina el tamaño y la capacidad de carga del engranaje, el número de dientes está estrechamente relacionado con la relación de transmisión, y el ángulo de presión afecta al rendimiento de engrane y a la resistencia de la raíz del diente del engranaje. Estos parámetros no existen de forma aislada, sino que están interrelacionados y deben optimizarse exhaustivamente bajo la premisa de cumplir las limitaciones de resistencia, rigidez y espacio.

Además, la modificación de la forma del diente y el diseño del desplazamiento son "habilidades avanzadas" para mejorar el rendimiento del engranaje ". Mediante una corrección razonable de la forma del diente, se puede mejorar el impacto de engrane del engranaje, reducir el ruido y prolongar la vida útil.

El diseño de desplazamiento puede ajustar la fuerza y la resistencia al desgaste del engranaje sin cambiar la distancia entre ejes, o evitar la socavación, y optimizar el rendimiento de engrane y la estabilidad de transmisión del engranaje. Suelo utilizar software profesional de diseño de engranajes para realizar análisis de simulación y asegurarme de que estas correcciones y cambios pueden conseguir el efecto deseado.

Análisis de casos de aplicación de rodamientos de giro de diente interno en ingeniería práctica

Maquinaria de construcción

En el campo de la maquinaria de construcción, los rodamientos giratorios dentados internos son "articulaciones" casi indispensables para equipos pesados como excavadoras y grúas ". Recuerdo que una vez, cuando nuestro equipo estaba diseñando una gran excavadora, el mayor reto era cómo mantener la fiabilidad del mecanismo de giro bajo frecuentes arranques y paradas y altas cargas de impacto. Después de todo, el cubo de la excavadora una excavación una descarga, el impacto del momento es enorme.

Las ventajas de diseño de la corona giratoria de engranaje interno se reflejan en este momento: el engranaje de anillo se encuentra en el interior, que puede ser mejor protegido, reduciendo el desgaste y los daños del medio ambiente externo, y el engranaje interno puede lograr una mayor relación de transmisión, haciendo que el par de accionamiento se transmite de manera más eficiente. Para hacer frente a cargas de impacto elevadas, solemos utilizar coronas dentadas y pistas de rodadura que han sido sometidas a un tratamiento térmico especial y a procesos de refuerzo superficial, y calculamos cuidadosamente la vida a fatiga y la carga límite de los rodamientos durante el diseño.

Los arranques y paradas frecuentes plantean mayores exigencias al sistema de lubricación, por lo que también nos centraremos en la selección de la grasa y el diseño de la estructura de sellado para garantizar que la lubricación pueda mantenerse incluso en trabajos intermitentes.

Maquinaria portuaria y equipos eólicos

La maquinaria portuaria, como esas enormes grúas portacontenedores de muelle y los equipos de generación de energía eólica parados junto al mar, se encuentran sin duda en un entorno de trabajo duro. He participado en el proyecto de una grúa portuaria, y el mayor quebradero de cabeza es la corrosión causada por el entorno marino. El aire salino y húmedo, la erosión de la brisa marina, estas pruebas sobre las piezas metálicas son continuas y severas.

Por lo tanto, en estas aplicaciones, el diseño anticorrosión del rodamiento giratorio de dentado interior es lo más importante. Elegiremos materiales con mejor resistencia a la corrosión, como el acero inoxidable o el acero aleado con revestimiento superficial especial, y la estructura de sellado también debe ser extrema para evitar que el agua de mar y la niebla salina invadan el rodamiento.

Además, el rodamiento giratorio de los equipos de generación de energía eólica también debe soportar la compleja tensión alterna causada por la carga del viento, lo que exige que el soporte tenga una excelente resistencia a la fatiga. Durante la fase de diseño, se realizan exhaustivos análisis de elementos finitos y pruebas de fatiga para garantizar que el soporte permanezca estable durante varias décadas.

Sistema de seguimiento solar y robot industrial

Cuando se trata de precisión de posicionamiento y ausencia de mantenimiento a largo plazo, los sistemas de seguimiento solar y los robots industriales son dos escenarios de aplicación típicos. Personalmente, creo que estas dos áreas de la corona giratoria requieren un mayor refinamiento. Los paneles solares deben realizar un seguimiento preciso del sol las 24 horas del día, e incluso la más mínima desviación angular puede afectar a la eficiencia de la generación de energía.

Esto significa que la precisión de rotación del rodamiento giratorio debe ser muy alta, y esta precisión debe mantenerse durante mucho tiempo. Normalmente utilizamos un diseño de apriete previo para reducir la holgura, y elegimos elementos rodantes de alta precisión y tecnología de procesamiento de pistas de rodadura.

Del mismo modo, los robots industriales tienen requisitos extremadamente altos de precisión de posicionamiento repetitivo, y necesitan realizar cada acción con exactitud. En estos casos, la estabilidad del par de fricción, la rigidez y el funcionamiento a largo plazo de las características sin mantenimiento del rodamiento giratorio son las consideraciones clave. Reducir el mantenimiento puede reducir significativamente los costes operativos, lo que es especialmente importante en las líneas de producción automatizadas. Por lo tanto, daremos prioridad al rodamiento giratorio sellado con función autolubricante o grasa de larga duración, y ampliaremos su vida útil optimizando el diseño estructural.