Cómo optimizar el rendimiento y el costo del riel redondo con una selección de rodamiento lineal informada

Thomson Industries, Inc.
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Al diseñar sistemas de movimiento lineal, la decisión inicial entre rieles redondos o cuadrados puede tener un impacto importante en el costo, el rendimiento y la durabilidad.

Los rieles cuadrados, que suelen ser una opción más costosa, tienen una mayor precisión y capacidad de carga. Los rieles redondos ofrecen otro costo y ventajas de confiabilidad para ciertas aplicaciones, pero el hecho de maximizar esas ventajas depende de escoger el rodamiento correcto para minimizar la fricción en cada aplicación. A menudo, los diseñadores deben elegir entre rodamientos lisos, normalmente llamados cojinetes, y rodamientos redondos. Dentro de cada uno de estos tipos, hay varias opciones que tienen un impacto en el precio, el rendimiento, la mantención y la durabilidad. Entender las opciones entre rodamientos lisos, normalmente llamados cojinetes, y rodamientos de bolas en el ciclo de diseño optimizará el rendimiento y el costo de la aplicación de movimiento lineal.

Liso y simple

Dado que los rodamientos lisos no tienen elementos rodantes, como los rodamientos de bolas, son los más económicos de fabricar y, por ende, cuestan menos. También superan a los conjuntos con elementos rodantes en términos de suavidad y silencio y, dado que tienen menos partes que se mueven, son menos propensos a juntar polvo y suciedad.

Los rodamientos lisos con revestimiento de elastómero amplifican estos beneficios. Están disponibles con materiales de rodamiento de alto rendimiento aplicados a aluminio u otras superficies a fin de brindar una buena capacidad de carga (20 % de la capacidad de los rodamientos de bolas) y un coeficiente de fricción razonablemente bajo, normalmente entre 0.05 y 0.25.

Dado que el área de contacto de un rodamiento liso se distribuye en una gran superficie, los rodamientos lisos también se pueden usar con ejes redondos no endurecidos, lo cual les da a los diseñadores mayor flexibilidad para elegir los materiales que cumplan con otros requisitos del diseño, como protección contra la corrosión o peso.

Algunos fabricantes hacen rodamientos lisos con polímeros autolubricantes que minimizan la necesidad de mantenimiento. (Figura 1)

El ahorro en costos y la suave operación de los rodamientos lisos, sin embargo, son un costo si se trata de manipulación de carga, precisión y velocidad. Son los mejores para aplicación en las que la alineación y la carga de momento no son factores críticos o en aquellas que requieren ejes que no son compatibles con los rodamientos Ball Bushings® tradicionales, como los de aluminio o los de acero inoxidable 316. Normalmente, los rodamientos lineales manejan cargas estáticas de hasta 50 kN (11,000 lbf), cargas dinámicas de hasta 9 kN (2023 lbf) y velocidades de hasta 0.5 m/s (100 fpm). Cuando se cumplen esos parámetros, los rodamientos lisos, en especial los que usan polímeros, son convenientes en ambientes tanto limpios como hostiles. Las principales aplicaciones que implican cargas livianas, menor velocidad y precisión se encuentran en los ámbitos de envasado, automatización de fábricas, robótica, salud y bienestar, carpintería, alimentos y bebidas, y distribución. Las aplicaciones que también pueden involucrar ambientes ultralimpios, tóxicos u hostiles incluyen producción de semiconductores, automatización médica y producción de alimentos.

Incrementar el alcance

Las aplicaciones que requieren una manipulación de carga, velocidad o precisión superiores necesitarán rodamientos con elementos rodantes internos. El tipo de rodamiento indicado variará en función del número de bolas utilizadas, lo cual impacta directamente en la carga permitida y la velocidad.

El diseño de acero de precisión (Figura 2a) usa rodamientos de bolas lineales de acero endurecido, que tiene un contacte de punto a punto desde una ubicación fija. Esto permite el manejo de cargas dinámicas de hasta 22 kN (5000 lbf) y diámetros de 6 a 100 mm.

El siguiente nivel de rendimiento incorpora una pista de bolas simple en una ranura de conformación en una placa flotante. (Figura 2a) Este rodamiento tiene un coeficiente de fricción bajo, puede triplicar la capacidad de manejo de carga por sobre la placa fija y aumenta la vida útil del rodamiento hasta 27 veces más que los rodamientos de precisión. Esta configuración es óptima para rieles de 5 a 50 mm de diámetro y cargas dinámicas de hasta 13 kN (3000 lbf).

Cuantas más bolas de rodamiento para carga en la zona de carga, mayor será el manejo de carga y la durabilidad. Implementar dos pistas de bolas en una pista flotante de conformación, por ejemplo, puede aumentar la capacidad de carga hasta seis veces y la vida útil del rodamiento hasta 216 veces más que el rodamiento de precisión. (Figura 2c) Esta configuración también es óptima para rieles de 12 a 38 mm de diámetro y cargas dinámicas de hasta 17 kN (3880 lbf).

Vida útil extendida de los rodamientos con autoalineación

Cuando el manejo de cargas grandes, velocidad y precisión son prioridades, un rodamiento con autoalineación puede mantener un bajo coeficiente de fricción y maximizar la vida útil del rodamiento. Algunos fabricantes logran esto con el diseño de una placa de rodamiento, para que el radio de su superficie externa sea inferior al radio interno del anillo de precisión endurecido. Esto permite que la placa de rodamiento gire contra el anillo y que distribuya la carga en cada una de las dos pistas de bolas. Los diseños de rodamientos también permiten que las placas de rodamiento se muevan unos 0.5° por el anillo de precisión endurecido para asegurar una entrada suave de las bolas en la zona de carga y una salida también silenciosa de esta zona; además, permite una carga de bolas óptima de principio a fin.

La estructura con autoalineación compensa la falta de alineación torsional que podría resultar de imprecisiones en la mecanización de la base o en la deflexión de la máquina, con un pequeño aumento de carga en los componentes del rodamiento. Una vez que se monta el rodamiento con autoalineación en una carcasa ajustable, los diseñadores pueden lograr una precarga seleccionada. El diseño del rodamiento permite que las placas de rodamiento se muevan de forma radial, lo cual brinda la posibilidad de alcanzar ajustes de pistas de rodamientos cerrados/lineales para aplicaciones de alta precisión.

Además, si bien los rodamientos de bolas no son necesarios por ser resistentes al ambiente, como lo son los rodamientos lisos de polímeros, hay ciertas medidas que se pueden tomar para proteger su manejo de altas cargas y su durabilidad en ambientes hostiles. Entre ellas, se incluye indicar elementos rodantes de acero inoxidable, nailon, o recubiertos en nailon en ambientes hostiles.

Cierre

Si los requisitos de la aplicación en cuanto a bajo costo, funcionamiento suave y silencioso o rendimiento confiable en ambientes corrosivos son más importantes para la operación que el manejo de carga, la precisión o la velocidad, debe considerar un rodamiento liso. Si los requisitos de su eje son incompatibles con los materiales de los rodamientos de bolas tradicionales, como el aluminio o el acero inoxidable 316, se deben considerar los materiales de polímeros. Si la durabilidad y el mantenimiento son fundamentalmente importantes para su diseño, los rodamientos lisos autolubricados deberían satisfacer sus necesidades mejor que cualquier otra opción.

De lo contrario, necesitará un rodamiento de bolas, para el cual su precio, precisión y manejo de carga varían en función del número de bolas cargadas, si la pista de bolas es fija o flotante, o si el conjunto está autoalineado. Hemos presentados las pautas generales sobre la selección de rodamientos, pero claro, todo dependerá de los requisitos de su aplicación. Recursos como las herramientas de dimensionamiento y selección LinearMotioneering® en el sitio web de Thomson Industries (www.thomsonlinear.com) pueden ser de ayuda para optimizar la selección del rodamiento para sus aplicaciones con rieles redondos.

Rodamientos de polímero de Thomson
Rodamientos de polímero de Thomson

Figura 1: Como no tiene elementos rodantes en su construcción, los rodamientos lisos, como los rodamientos de polímero de Thomson, son una opción suave, silenciosa y económica para las aplicaciones de movimiento lineal con carga liviana.

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