Articulo 20

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LOS MEJORES ARTicULOS DEL CONGRESO

Y EXPOSICION LATINOAMERICANA DE

TURBOMAQUINARIA 1991-2007 ISBN 978-607-95044-1-0

CHUMACERAS HIDRODINAMICAS

(Extrafdo y editado de las memorias del VII Congreso y Exposlcion Latinoamericana de

Turbomaquinaria, Noviembre 1998)

Fernando Baquero Herrera,

Arturo Merino Tapia

CIATEQ AC

baquero@ciateq. mx

Queretaro, Qro.

RESUMEN

La industria usuaria de las maquinas rotativas

requiere disponer de equipos y partes de

repuesto can suficiente calidad para asegurar

una operaclon confiable. Las chumaceras

hldrodtnarnlcas son elementos importantes en

la operaclon de una maquina rotativa. Se

requiere contar can un canal de cornunlcaclon

entre Usuarios, Fabricantes y Centros de

Investlqaclon y manejar un lenguaje

tecnoloqlco similar para lograr la confiabilidad

en la operaclon de los equipos. En este

documsnto se han resumldo los factores mas

importantes que intervienen en el proceso de

aceptaclon y reparaclon de chumaceras

hldrodtnarnlcas. Se establece una base de

referencia y a partir de la misma motivar la

superaclon tecnoloqlca de los sectores

mencionados en beneficia de la planta

operativa de las maquinas rotativas. Seanalizan las caracterfsticas principales de las

chumaceras hldrodlnamlcas: adherencia,

apariencia del "babbitt", dimensiones

funcionales y no funcionales, ajuste, montaje,

interferencia, materiales utilizados y

temperaturas de operaclon. La repercusion de

los para metros anteriores en el

comportamiento de la maquina rotativa. Se

analizan las chumaceras cllfndrlcas y las de

tipo basculante ("tilting pad"). Se analizan las

principales normas de la ASTM e ISO

aplicables en la evaluaclon de chumaceras. Se

presentan casas hlstorlcos de chumacerashldrodtnarnlcas.

CLASIFICACION DE CHUMACERAS Y

COJINETES

- Por su tunclon y apllcacion.

Dada su funclon a locallzaclon en una rnaqulna

rotativa, las chumaceras reciben alqun nombre

espedfico. Normalmente se les designa sabre

la base de la dtrecclon en que se aplica la

carga, esto es: chumacera radial, axial y/ omixta.

Las chumaceras radiales ("Journal Bearings")

son cllfndrlcas (cilindros completos asegmentos de cilindros) y se utilizan cuando la

carga sabre la flecha (fuerza de reacclon) es

esencialmente perpendicular al eje de la

flecha.

Las chumaceras axiales ("Thrust Bearing"),

son discos completes €I seqmentados, se

emplean para contrarrestar las cargas

externas con dltecclon paralela al eje del

rnufion.

Las chumaceras mixtas ("Flange Bearings") es

una cornbtnaclon de los dos tipos anteriores y

se utilizan cuando la carga del rotor tiene

componentes perpendiculares radiales y

axiales.

Por su caracteristica estructural

Las chumaceras tarnblen se clasifican de

acuerdo a los materiales de construcclon,

como: solldas (un solo metal), blmetallcas y

trlmetallcas, Estas configuraciones son de

amplio usa comercial. EI usa de dos a tres

diferentes metales provee un media para

desarroliar combinaciones de propiedades que

no pueden obtenerse utilizando un solo metal.

- Por la mejora de la estabilidad.

La tabla N° 1, muestra algunos de los arreglos

qeornetrtcos utilizados en el dlsefio de

chumaceras radiales y se indican las

caracterfsticas de las mismas para la mejora

de la capacidad de carga, estabilidad del rotor,

coeficientes dina micas y capacidad de

bombeo.

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CRITERIOS GENERALES EN EL

DISENO DE CHUMACERAS

HIDRODINAMICAS.

Importancia de las chumaceras.

Las chumaceras constituyen uno de los

componentes mas critlcos en las maquinas

rotativas. Aunque muchos problemas se

detectan en las chumaceras, la fuente no

necesariamente se origina en elias. Las

chumaceras obedecen normal mente a un

dlsefio cuidadoso y en caso de mal

funcionamiento de la maquina retatlva, este

tiende a manifestarse a traves de elias. Por

esta razon es baslco entender como trabaja la

pelfcula lubricante y los principios baslcos que

describen su operaclon para hacer

diaqnostlcos certeros en las maquinas

rotativas.

Si la falla en una maquina es resultado de la

chumacera 0 de otro componente, la

rnodlftcaclon de los para metros de dlsefio de la

chumacera, ha sido y continua siendo, el

meeie mas eiFecte y eeenernlco de corregir el

mal funcionamiento.

- Parametros de diseiio recomendados.

EI usa de chumaceras hldrodtnarnlcas ha dado

como resultado algunas recomendaciones de

tipo practlco para los parametres baslcos de

dlsefio, que tienen un gran valor para ortentar

un primer dlsefio 0 tomar decisiones en-

campo durante la operaclon y mantenlmlento,

A contlnuaclon se dan recomendaciones de los

para metros baslcos de dlsefio.

- Capacidad de carga.

En una chumacera, la carga se debe

principal mente al peso de los elementos

rotativos en adlclon a la carga dinamica,

resultado del desbalanceo de los componentes

rotativos.

La capacidad de carga de una chumacera

radial se define como:

cc=_w__2* L* D

En donde:

CC = Capacidad de carga (psi)

W = Peso total del rotor (Ib)

L = Longitud de la chumacera (pulg)

D = Dlametro interno de la chumacera

(pulg)

Para una chumacera clllndrlca plana, los

Ifmites sugeridos son:

CC ~ 200 psi

CC.2:.100 psi

Generalmente, una chumacera cilfndrica se

debe dlsefiar con una capacidad de carga

entre los limites anteriores; Sin embargo el

limite superior puede ser excedido tomando

las precauciones necesarias para suministrar

un flujo de aceite mas alto. EI limite inferior

tarnblen se puede disminuir, siempre y cuando

se tomen las precauciones necesarias

utilizando una chumacera mas estable tal

como una de presa de presion 0 una

multilobulos.

La tabla N° 2, muestra las capacidad de carga

permisible para varios tipos de chumaceras

axiales.

- Temperatura permisible en el material

antifricci6n.

Los materiales tiplcos para chumaceras tales

como los metales blancos ("babbitts") tienen

relativamente un bajo punto de fusion. Si la

temperatura de la chumacera lIega a estar

cerca de este punto, puede ocurrir flujo

plastlco "creep" en la region de alta presion

hldrodlnamlca, Generalmente el "creep"

ocurre. En el rango de 130°C a 200° C.

Martfn y Garner recomiendan que la

temperatura de operaclon se mantenga abajo

de 130°C (266°F) para Babbitts.

Los limttes para la temperatura indicada por el

sensor embebido son:

T max ~ 185° F De dlsefio

T max ~2000 F Prueba de aceptaclon,

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T max 2. 2300 F AlarmaAdicionar 2 mlleslmas de pulgada al total

anterior.

T max .2 2500 F Disparo.

-Temperatura del aceite

Muchos lubricantes se degradan a altas

temperaturas. Los aceites minerales se usan

con frecuencia como lubricantes en

chumaceras y se limitan a tener picos locales

de temperatura en el rango de 1300C a 20UPC.

Arriba de estas temperaturas se presentara

excesiva oxldaclon del aceite.

En aplicaciones industriales la temperatura del

lubricante se mide en la linea de drenaje. Esta

es una medlclon indirecta de la temperatura

pico local. Garner y Martin, recomiendan una

temperatura maxima de aceite en el dren de75°C (16T F) a 800C (176°F)

- Espesor de la pared de respaldo.

Las chumaceras para Turbornaqulnas de alta

veloeldad, norrnalrnente se fabrican con un

respaldo de pared gruesa. EI espesor de la

pared generalmente es de 1/10 a 1/8 del

dtarnetro de la chumacera. Usualmente el

material es acero al carbon, fundlclon de

hierro 0 bronce. Las chumaceras de pared

gruesa pueden ser recuperadas mediante

rernetallzaclon (re-embabitado). Laschumaceras de pared delgada se usan

predominantemente en maquinas

reciprocantes tales como compresores y

motores de combustion interna. EI espesor de

la pared es del orden de 1/30 del dlarnetro de

la chumacera y la capa de babbitt! es

relativamente delgada, en el rango de 0.002 a

0.005 pulg.

-Claros.

Chumaceras Radiales:

EI claro diametral, es un importante para metro

en el funcionamiento de la chumacera.

Generalmente los claros diametrales

recomendados son los siguientes:

- Chumaceras cllindrtcas, con L/D< 1.0, de

1 1/2 a 2 rnlleslmas por pulgada de

dlarnetro de la flecha.

- Chumaceras cllindrlcas. con L/D > 1,

- Chumaceras de zapatas basculantes de 1

a 1 1/2 rnlleslmas por pulgada del

dlarnetro de la flecha.

- EI claro diametral final de la chumaceraesta influenciado por el contorno del

alojamiento donde se lnstalara y tarnblen

por la interferencia entre el dlarnetro

exterior de la chumacera y el dlametro del

alojamiento.

- Chumaceras Axiales:

En la Tabla N° 4 se indican los claros en el

montaje de chumaceras axiales,

recomendados por la Cornpafiia Westinghouse.

- Interferencia del dlametro exterior.

Una interferencia inapropiada puede causar

calentamiento de la chumacera 0 permitir el

deslizamiento de esta en su alojamiento,

contribuyendo a que se presente vlbraclon

sincrona subsleceona- Se recomienda

mantener una interferencia de 0.002 pulg. al

dlametro de la chumacera.

Este criterio aplica para la mayorfa de

espesores de chumaceras. Cuando se desea

incrementar la interferencia 0 cuando la

rigidez del soporte de la chumacera es muchomayor que el de esta ultima, es necesario

hacer un anallsls cuidadoso, ya que una

interferencia excesiva, podrla causar esfuerzos

de contacto que orlqlnarlan cadencia local del

material 0 perdida del claro diametral, que

colapsarfan final mente la chumacera.

-Precarga.

La precarga puede explicarse mediante la

representaclon grafica de la figura N° 1,

generalmente es positiva y en algunas

aplicaciones es igual a cero 0 negativa. Laprecarga es un para metro muy empleado en el

dlsefio cuando se desea alterar las

caracterfsticas dlnarnlcas de un sistema rotor -

chumacera.

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TURBOMAQUINARIA 1991-2007

ESPECIFICACIONES CHUMACERAS

MATERIALES DE

ISBN 978-607-95044-1-0

Dependiendo del servicio y la carga, los

materiales usados en la fabrlcaclon de

chumaceras cubren un amplio rango de

aleaciones metallcas, Los cambios en las

condiciones de operaclon y el desarrollo

tecnoloqlco han resultado en mejoras de los

materiales utilizados en la tabrlcaclon de

chumaceras. En aplicaciones de maquina

rotativaria, predominan las chumaceras de

pared gruesa de acero al carbon con una capa

relativamente gruesa de babbitt (20 a 50 mil).

EI babbitt mas utilizado es principalmente

base estafio, debido a sus excelentes

caracterfsticas antiarrastre, resistencia a la

corrosion, formabilidad y "embebilidad".

La resistencia a la fatiga en los "babbitt" base

estado es muy pobre, particularmente cuandose aplica en espesores mayores de 10

mlleslmas de pulgada, como se muestra en la

figura N° 2. Las chumaceras resisten el peso

constante del rotor; Sin embargo, el

desbalanceo presente en la mayorfa de los

rotores, junto con las altas velocidades de

rotacion generan una carga dina mica sobre las

chumaceras que puede ocasionar la falla par

fatiga del babbitt. EI desarrollo de mejores

sistemas de filtrado del aceite y los largos

periodos de operaclon entre paradas

programadas han reducido la importancia de

la "embebilidad" y han incrementado la

importancia de la resistencia a la fatiga. Esta

es la razon por la cual las chumaceras con

respaldo de acero estan siendo sustituidas por

chumaceras con respaldo de bronce, aluminio

o bronce y capas muy delgadas de "babbitt"

en el rango de 5 a 8 mils. Por otra parte, las

chumaceras empleadas en maq~inas

reciprocantes, trabajan normalmente a bajas

velocidades pero estan sometidas a muy altas

cargas dina micas. Estas cargas han

aumentado a 10 largo de los afios, y las

chumaceras requieren aun mas resistencia a la

fatiga que la que puede proveer el "babbitt"

par si solo. EI respaldo de acero, sin embargo,da suficiente resistencia para obtener una

buena interferencia entre la chumacera y su

aslento, la cual es crltlca para evitar el dafio

por frotamiento.

-Chumaceras trimetalicas.

Cuando el

chumaceras

material de respaldo de las

se hace de aleaciones de

aluminio, bronce 0 cobre de alta resistencia,

se aplica una capa delgada de material suave

confortable lIamada capa intermedia. La capa

intermedia es hecha de aleaciones de estafio-

plomo, cobre-estafio plomo 0 plomo-indio, las

cuales son generalmente mas ductlles que el

"babbitt" cornun. EI espesor de la capa

intermedia es del orden de 0.0004 pulgadas

para que su resistencia efectiva sea mayor que

la del "babbitt". La capa intermedia se aplica

generalmente mediante rnetodos galvanicos.

Recientemente la capa intermedia se ha

mantenido alrededor de 0.001 pulg. Para

incrementar la resistencia a la fatiga. Se

lIaman chumaceras trtrnetallcas cuando son

fabricadas con respaldo de acero, bronce,

aluminio 0 cobre y se aplican capas

intermedias.

- CARACTERISTICAS DE LOS MATERIALES

ANTIFRICCION.

La naturaleza de las condiciones bajo las

cuales debe operar una chumacera y el amplio

intervalo sobre el cual estas condiciones

pueden variar, hacen necesario dividir las

propiedades de las chumaceras en 2 grandes

clases.

a) Propiedades de superficie, asociadas con la

superficie de la chumacera y de las capas del

enmetalado.

b) Propiedades relacionadas con la resistencia

del material.

Los materiales de las chumaceras pueden ser

analizados en terrnlnos de las siguientes

caracterfsticas:

-Compatibilidad. Caracterfstica del material

de la superficie de ausencia de soldabilidad, ni

capacidad de adherencia sobre la superficie

del rnufion bajo la influencia de presion, calor

y aun en la ausencia de lubricante.

-Conformabilidad. Es la capacidad que tiene

un material para ceder y compensar pequefios

desalineamientos y conformarse de acuerdo

alas variaciones en la forma de la flecha y del

alojamiento de la chumacera en la carcaza.

-"Embebilidad". (Embedability). Es la

capacidad de un material de captar

("embeber") polvo y/ o partlculas extrafias y

por 10 tanto prevenir el escoreamiento y

desgaste de las superficies de las chumaceras

y del mufion,

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-Capacidad de Carga. Es la maxima presion

unitaria bajo la cual un material puede operar

sin rozamiento, desgaste excesivo a dafio par

fatiga.

-Resistencia a la Fatiga. Es la capacidad de

un material de funcionar a cargas dclicas par

abajo de su limite elastica, sin desarrollar

grietas a picado en su superficie.

-Resistencia a la Corrosion. Es la capacidad

de un material de resistir el ataque qufmico de

aceites lubricantes contaminados (Can aquel,

grasas, oxfgeno, etc.).

-Dureza. Es la capacidad de un material de

resistir flujo plastlco bajo cargas de

cornpreslon.

-Resistencia. Es la capacidad de resistir

deformaciones elastlcas y plastlcas bajo carga.

-Conductividad Termica. Capacidad del

material para transmitir a su soporte el calor

generado durante la operaclon (energfa

liberada par el rozamiento viscoso, par el

rozamiento entre el lubricante y las superficies

y en algtlj:Jos casas entre las superficies de la

chumacera y el mufion) ..

ESPECIFICACIONES DE MATERIALES

BASE Y ANTIROZAMIENTO

CHUMACERAS.

PARA

-Materiales Base para Chumaceras.

Todos los sistemas blmetallcos empleam un

resistente metal base al cual se Ie ad~iere

metalurqlcarnente una capa suave, blanda y

relativamente delgada de una aleaclon para

chumacera. EI acero de bajo carbon, es el

metal mas ampliamente usado como respaldo

para chumaceras, debido a que provee la

resistencia para soportar las cargas y perrnite

lograr buenos ajustes de interferencia entre la

chumacera y su alojamiento. Dentro del grupo

de aceros mas utilizados como materiales

base, se encuentran los aceros SAE 1018,

1020 Y 1045, algunos fabricantes

recomiendan, espedficamente para

chumaceras tipo zapata, placa ASTM-A36 y

para chumaceras tipo Manga, la forja ASTM-

A668, clase C ICH .

Los bronces y las aleaciones de aluminio son

ampliamente utilizados como material del

respaldo en la fabrtcaclon de chumaceras

blmetallcas, particularmente los bronces SAE

660 Y SAE 64. Algunas de las ventajas de

estos materiales, son su alta conductividad

terrnlca y la protecclon que ofrece al rnufion

can aprietes excesivos de la Chumacera,

contra desgastes severos a fatiga en el

recubri miento.

-Materiales Antifriccion.

La mayorfa de materiales para chumaceras

tiene dos a mas componentes aleantes para

producir efectos espedficos sabre las

propiedades de las chumaceras para una

apllcaclon particular.

-Aleaciones Base Estano.

ASTM B23, Grado 1, 2, 3,4 Y 5.

Son sustancialmente aleaciones de estafio,

antimonio y cobre, con contenidos limitados

de zinc, aluminio, arsenlco, acero y bismuto.

-Aleaciones Base Plomo.

ASiM

19.

12, 15, 16 Y

Es importante solicitar al proveedor respectivo

el certificado de anallsls qufmico y mecanlco

del material antlfrlcclon ("babbitt") para

asegurar que se cumple can la norma de

referencia y evitar sorpresas desagradables

par el no cumplimiento respectivo.

ASEGURAMIENTO DE LA CAUDAD

-tnspecclen Visual.

Coloracion de la capa de Babbitt.- La

coloracion obscura casi siempre es un

indicativa de problemas en el sistema de

lubrlcaclon, La presencia de humedad y altas

temperaturas relativas pueden producir

oxldaclon de la capa de estafio variando su

color de gris oscuro a cafe oscuro a a negro,

dependiendo del grado de sobrecalentamiento

y descornposlclon del aceite. La apariencia del

"babbitt" se hace brillante y su consistencia

muy dura pudiendo escorear el rnufion.

Cuando una chumacera usada a nueva se

desensambla par razones de lnspecclon a de

limpieza, se debe estar segura de no mezclar

sus partes, par ejemplo las zapatas en una

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chumacera del tipo basculante. Las partes

deben de estar marcadas para facilitar un

reensamble apropiado, de otra manera

podrian esperarse cambios indeseables en el

claro y la concentricidad.

- Verifique el desgaste y dureza del pivote de

la zapata y de las demas partes movlles,

- Verifique que las zapatas tengan un radio

uniforme a 10 largo de toda su longitud.

- Remueva el material en alto relieve causado

por las rayaduras.

Un problema tiplco e importante de las

chumaceras bipartidas, es que el dlametro

exterior este abajo de la dimension nominal,

permitiendo que la chumacera permanezca

suelta en su alojamiento. Las causas mas

comunes de esta falla son:

1. Excesivo maquinado de las caras de union

de las mitades superior e inferior en re-

embabitados previos 0en operaciones para

obtener el ajuste, por 10 que se

recomienda evitar maquinar esas caras en

tanto sea poslble-

2. Incorrecto montaje de las parejas. Esto es,

las mitades no fueron maquinadas juntas.

Desensamble la chumacera y verifique las

marcas de numero de golpe en busqueda

de la locallzaclon conecta de las mitades

en la unidad. Este tipo de inconvenientecon frecuencia solo puede ser corregido,

por un completo reacondicionamiento de

las chumaceras, incluyendo el maquinado

del dlametro exterior.

La lnspecclon del dlametro exterior en

chumaceras bipartidas requiere de experlencla

y cuidado. Las caras de la union deben estar

completamente limpias antes de ensamblarse.

Las mitades superior e inferior deber

atornillarse 0 ser atadas como se muestra en

la figura N° 3, de tal manera que una vez

unidas, permanezcan las caras metal conmetal y extremo con extremo.

Cuando las mitades de chumacera se miden

en forma libre, raramente son redondas en la

partlcton. Usualmente presentan una condlclon

de expansion libre, esto significa que el

dtarnetro externo medido en la partlclon es

mayor que la cota indicada en los dibujos de

maquinado.

Es conveniente lIevar a cabo una verltlcaclon

del contacto entre las caras de union de las

mitades, con azul de Prusia. EI area minima en

contacto recomendada es del 80 %.

Una chumacera nueva 0 usada, no debe

instalarse con una expansion libre negativa.

Las chumaceras de espesor de pared delgada

o media, pueden ser, MUY CUIDADOSAMENTE,

abiertas e instaladas antes de que se relajen

(se cierren). La presion de las caras en la

partlclon es suficiente para mantenerlas

ajustadas contra sus asientos. La chumacera

de pared gruesa, no puede corregirse

usualmente de esta manera y deben ser

reacondicionadas.

Si se utiliza la tecnlca de cinco mediciones

sobre el dlarnetro exterior, tal como se

muestra en la figura N° 4, el promedio de las

cinco lecturas provee una buena aproxlmactondel dlarnetro de maquinado y es 10

suficientemente precisa para proposltos de

verltlcaclon.

Si se compara la condlclon dimensional

reportada del dlarnetro exterior, contra las

dimensiones del dibujo, pueden ocurrir los

siguientes casos:

Si el dlarnetro exterior esta dentro de 0.001

pulg. de la dimension nominal de la

chumacera, puede considerarse aceptable. Si

esta fuera de dimension hasta 0.005 pulg., la

soluclon mas econornlca es un recubrimiento

electrolitlco sobre las caras. Para peores

condiciones, se utilizan recubrimientos con

soldadura 0 metalizado mediante aspersion

terrnlca y el remaquinado de la cara de union

para restaurar el dlametro exterior. En algunos

casos es necesario remaquinar el dtarnetro

exterior en adlclon a las caras de la union.

Estos procesos de reacondicionamiento lIegan

a ser progresivamente mas caros y no son

parte de un re-embabitado estandar; el cual

supone que el material base, esta en buenas

condiciones.

-PRUEBAS NO-DESTRUCTIV AS.

Para la medlclon de la adherencia del

embabitado, se utilizan dos metod os no-

destructivos cuyo proposlto es verificar la

adhesion entre el material anti rozamiento y el

material base:

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A) l.lquldos Penetrantes

B) Ultrasonido

Aunque de naturaleza y alcance diferente,

ambos rnetodos son complementarios. Los

lfquldos permiten inspeccionar las zonas

expuestas de la interfase como bordes y

esquinas hasta cierta profundidad, y el

ultrasonido cubre tad a la superficie restante

excepto los bordes y esquinas donde la

magnitud flslca de los sensores no 10

permiten.

- Uquidos penetrantes.

EI ensayo con liquldos penetrantes, es un

media no destruct iva de localizar y determinar

la severidad de las discontinuidades en los

materiales, esta basada en el tenorneno de la

capilaridad. Los materiales y procesos que se

emplean en la prueba de llquldos penetrantes

se dlsefian para facilitar la capilaridad y

exponer los resultados de esa acclon can

facilidad de interpretacion.

- Ultrasonido.

Es un metoda no-destructivo en el cual

emisiones de sonida compuesto de ondas de

alta frecuencia son introducidas en el material

que se esta inspeccionando, estas emisiones

se usan para detectar imperfecciones en la

superficie y en los substratos. Las ondas de

son ida viajan a traves del material can una

perdida de energfa inherente, reflejandose en

las interfases. La ernlslon reflejada se detecta

y analiza para definir la presencia y

locallzaclon de las fallas.

Can la lnspecclon can ultrasonido, pueden

detectarse fisuras, laminaciones, contracciones

de cavidades, burbujas, paras, fallas de uniony otras discontinuidades que actuan como

interfases metal-gas. Inclusiones y otras no-

homogeneidades en el metal inspeccionado

pueden tarnblen ser detectados (aun sabiendo

que no actuan como interfases metal-gas) parcausar reflex ion parcial a dispersion de las

ondas ultrasonlcas a par producir alqun otro

efecto detectable sabre las ondas ultrasonlcas.

Practlcamente el total de la lnspecclon can

ultrasonido se hace en frecuencias entre 1 y

25 MHz, muy par encima del rango del ofdo

humano.

-Verificaci6n de la interferencia del

dlametro exterior y el dlametro del

alojamiento.

Un procedimiento para verificar la

interferencia se ilustra en la fig. N° 5 (ref 6).

Se posicionan dos lainas de igual espesor (Ts)

a 10 largo de los dos lados de la linea de

partlclon de la carcaza y slmultanearnente se

coloca una tira de "plastigage" a alambre de

plomo sabre la parte convexa de la chumacera

superior. Se instala la tapa de la chumacera y

se atornilla completamente. EI "plastigage" a

alambre de plomo debe indicar un espesor

(Tf), igual a menor que el espesor de la laina

usada en la linea de partlclon. La interferencia

es igual a la diferencia entre el claro indicado

(Tf) y el espesor de la laina (Ts). Un valor

positivo de la interferencia indica una

chumacera suelta. EI problema se soluciona

remplazando la chumacera a usandotransitoriamente lainas alrededor de la

circunferencia para mantener el ajuste de

interferencia. Una vez que se ha obtenido la

interferencia deseada, se debe verificar

nueva mente el claro de la chumacera, para

asegurar que no existe una interferencia

excesiva hasta el punta de que el claro

diametral se vea significantemente reducido ..

-Verificaci6n del claro diametral en

chumaceras radiales

Una vez el ajuste de interferencia deseado del

dlametro exterior ha sido obtenido, se debe

medir el claro diametral para asegurar que el

ajuste no ha sido excesivo y se haya reducido

significativamente el claro diametral.

La mayor dificultad se presenta cuando se

desea verificar el claro de las chumaceras de

zapatas basculantes. Para tal efecto se

describen a conttnuaclon algunos rnetodos

desarrollados.

EI metoda de "Ievante", se muestra en la

figura N° 6 (ref 6). De este procedimiento

generalmente resultan valores mayores de

claro que los especificados, para ciertas

configuraciones de chumaceras. Este efecto se

debe al hecho de que bajo condiciones

estatlcas el mufion se hundlra entre las dos

zapatas inferiores, si el dlsefio de la

chumacera es de carga entre zapatas "LBP".

Similarmente para un cojlnete de 4 zapatas

basculantes y "LBP", si el rnufion se levanta

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completamente a traves del claro diametral,

este finalmente se hundlra entre las dos

zapatas superiores.

J. Nicholas (ref 6), presenta una descrlpclon

qraflca del mencionado hundimiento del

mufion entre las zapatas. Este hecho se

muestra en la figura N° 7. Se presenta

edemas. una gufa raplda para determinar el

levante y el hundimiento del rnufion para

diferentes condiciones de chumaceras

basculantes de amplio uso.

A partir de la tabla N° 3, se deduce la

siguiente relaclon con la cual se obtiene el

claro diametral instalado:

C d = 2X cos ()

1+ cos ()

Un metodo de verlflcaclon alternativo del clarodiametral es el rnetodo con mandril.

Solamente se puede obtener mediciones en el

plano vertical, Sin embargo es posible verificar

el claro alternativamente en todas las

direcciones, por 10 tanto puede utilizarse para

verificar la concentricidad. Este rnetodo se

muestra esquemattcarnente en la figura N°B.

FALLAS EN CHUMACERAS.

-Conceptos Generales.

EI Anallsls y la tnvestlqaclon de fallas es unproceso que requiere de una exarnlnaclon

cuidadosa de la evidencia y un ensamble

loqlco de los sucesos.

Se requiere tener mente abierta y analltlca,

una actitud para aceptar inicialmente todas las

teorfas propuestas y sentido como para

escoger la que loqlcarnente sea posible. Se

debe observar el escenario de la falla y las

partes falladas antes de limpiarlas y hablar

con el personal que ha estado antes, durante

y despues de la falla. Pregunte a cada uno a

que piensa que se deblo la falla, pero no 10

acepte como un hecho. Recolecte informacion

baslca y actual acerca de la maquina tal como

locallzaclon en la planta, informacion de

dlsefio, condiciones de operaclon, dafios

tiplcos, historia de operaclon. etc. Haga una

lnspecclon fislca (visual 0 al microscopio) de

las partes y tome fotograffas de los

componentes, tome nota de cualquier cosa

que luzca 0 parezca curiosa 0 inconsistente.

Haga un razonamiento deductivo a partir de

todos los hechos y especifique la(s) causa(s).

La clave esta en pensar sobre toda la serie de

eventos sugeridos por las observaciones y por

las teorfas de falla y un razonamiento

completo paso a paso acerca de las

posibilidades. Seguramente encontrara vados

loqlcos al prlnclplo y la tarea consiste en lIenar

esos vados. Recurra a la opinion de expertos y

a su experiencia previa. Finalmente elabore un

reporte formal de la lnvestlqaclon,

Las causas principales de falla en chumaceras

pueden darse en cualquiera de las etapas de la

vida de una chumacera. Esto es:

- Etapa de Dtsefio/Seleccton

- ManufacturajControl de calidad

- Ensamble

- Mantenimiento

- operacton

En la Tabla N° 5, se indican algunos problemas

tlplcos que se presentan en chumaceras

hldrodtnarnlcas. sus causas yefectos.

NORMAS

En la tabla N° 6 se anotan las principales

normas de referencia (ASTM e ISO) para el

anallsls y verlflcaclon de chumaceras. Se

recomienda que usuario y proveedor

establezcan las normas de referencia y los

niveles cuantitativos sobre las cuales seran

evaluadas las caracterfsticas de las

chumaceras hldrodlnarnlcas y muy

importantes que se establezcan con antelaclon

a una relaclon contractual.

REFERENCIAS

(I) "Hydrodinamics oil film bearing"

Fundamentals, limits and applications,

Waukesha Bearings Corporation.

(2) "Tilting Pad Bearings Limits of Operation",

AJ. LEOPARD, Glacier Marketing and Project

Engineering Manager.

(3) "Centrigugal Compressor for General

Refinery Services", API Standard 617.

(4) "Tilting Pad Bearing Design", John C.

Nicholas, Tutorial, 23rd Turbomachinery

Symposium, Dallas Texas, September 13-

15,1994.

pag. -8-






(5) "Chumaceras Hldrodlnarnlcas", 1.

Fernando Baquero H. y Arturo Merino Tapia.

QUinto, Sexto y septtrno Curso Seminario

Internacional de Turbomaquinaria. CIATEQ.

2327 junio 1996.23-27 junio 1997,22-26 junio

1998.

(6) "Application of High Speed and High

Performance Fluid Film Bearings in Rotating

Machinery", Fouad Y . Zeidan, Donald J.

Paquette, Tutorial, 23rd Turbomachinery

Symposium, Dallas Texas, September 13-15,

1994.

pag. - 9-






~PG; ioo~E~laMi;k i ; : l

R i g i i l m t , c m o r l i [ l ! ! l u n i e r . l ( l !li~~d~~! 'Ji'! I f O O l b~m~

\i'~rW! ~ ~ l I f l i J J l Il\g oocils

ii

0 a 000Q) 0 0 0 0

0I) 0 0 Q)

0 (J) 0 0 0E

~

0 0 0 Q) 0

w :~ O C W O O l / i , M S O T N i J 5C O O O O M I D S

0

Ranurado circunferencialDe

Propenso a completo 0 parcia I, algunasconAguraci6n Manufactura

veces se util iza parasimple prob l emas de

rillnnrirRrpmninn (1i1rhirll incrementar las

c aracter ist i ca s d eestabilidad

(])De

conAguraci6n Buena rigidez y Baja rig idez yen fOrma de amortiguamiento amortiguamiento

limon hnri7nntAI

0e mitades Muy buenas Pos ib il idad de

desfasadas caracterlsticas rotaci6n

de operaci6 n a solamente en

a Ita ve locidad una direcci6n

0Buenas No dispo nible pa ra

De 3 lobu los caracterlsticasusarse en Caracteristicas

sirnetricos de operaci6 n a chumaceras dinamicas rapidamente

altas bipartidas a menos a I teradas por la

velocidades que se utilioe una co nAqu ra ci6n d el 16 bu 1 0

pared muy g r uesa

0De 4 I6bu los

La capaci dad de Requiere grandes claros en

sirnetricos carga no se afectaBaja capacidad de

los 16bulos los cuales en

grande mente por funcionamiento pueden

la dlrecclon de lacarga

causar turbu lencias a

carga relativamente bajas

velo cida des

TABLA 1: CARACTERISTICAS DE CHUMACERAS RADIALES

FUENT E "FIXED PROFILES J OURNAL AND T RUST BEARINGS" GLACER,L B4 46 -79 PAGA

pag. -10 -






La precarga se define como:

Donde:

m = l-CbjCp = l-(Dp-Ds)j(Dp-Ds) = (Dp-Db)j(DP-Ds)

Cb= Claro de ensamble de la chumacera = Db - Ds

Cp= Claro referido a las zapatas = Dp - Ds

Ds= Dlarnetro del rnufion

Db= Dlarnetro de ensamble de la chumacera

Dp= Dlarnetro de maquinado de la zapata

Los valores Tlplcos de la precarga varian entre 0.2 y 0.6

Fig. 1.-Precarga en Chumaceras

pag. -11-






TIPO CARGA UNITARIA PERMISIBLE

Cara plana 50 psi

Cara Plana con Ranuras Axiales de Aceite 75 psi

De Cara Inclinada r- 125 -150 psi

Zapatas Basculantes I 150 - 250 psi

. . ~250 - 450 psiapatas Basculantes Tipo Kingsbury

Tabla 2.- Capacidad de Carga para Chumaceras Axia/es

~

4.~-.

4

III·-

"c.3.5

i! I.

~ 3; ;::

Iii . .C ,

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I · · · : '.~:(I --_ .•. .:

, -" '- . ~ I

11.0~

Figura 2.- Fatiga de Chumaceras Htdrodinemtces

pag. -12-






Fig. 3.- Sistema alterno para la sujecion de mitades de chumaceras.

Fig. 4 .- Planas de medicion sugeridos en la verlttcecton del diemetro exterior.

pag. -13-






/ I J ~ ~ 1 i I ! d ~ p { o m o 0 p l ~ 9 J a ! J S, l H J l S l I l l l l f l l ! d r l l ! l ' 1 t r e lo s M I ( C d 'C S

! IntO' \ 'e~fic,!)I ij)IQormtl)

Fig. 5Verificaci6n del Ajuste de Interferencia entre Chumacera y Carcaza.

Use el indicador

para veri ficar el

claro sin

plastigage

Nota: La chumacera

debe estar fija cuando

levante el rotor

Levante el rotor con

un gato del lado del

indicador unicarnente

Cerrar perfecta mente

lachumacera .

zapatas.

Nota: EIc laro medido en el indicador es mayor que el claro real en la chumacera.

EI claro en la chumacera puede obtenerse con la siguiente formula:

X =X L2chul L 4 + L2

Fig. 6. - Metoda de Levante para verificar el claro Diametral de chumaceras.

pag. -14-






--;<,<

. . . . . . ,

0: Posici6n centrada dentro del circulo generado por el claro.

X: Viaje total de la flecha (Levante)

Sc: Hundimiento de la flecha por debajo de la posici6n centrada.

Sci: Hundimiento de la flecha por abajo del circulo generado por el claro.

Cr: Claro radial de ensamble

Cd: Claro diametral de ensamble.

8: Angulo entre la vertical y el pivote O.

Sc= Crl 'CosEl =CdJ2cos ( j

Scl= Sc - Cr=Sc ~CdJ2

X", Se+Cr =Sci + Cd

Fig. 7. - Descripcton Gretice del Hundimiento del Mufion.

pag. -15-






Juego zapatasn:-:u=m=-=e=r=a=da=s=:---

de

Pan a el lndlcador en

cera despues de que el

espesor de pared se

obtiene en la primera

zapata.

'-o·cQ)

. . . . . .> <UJ

e. . . . . .Q)

E: ! : ! 2Cl

1 Dim. A Verifique

can Gage blocks

!o. . . ,'I

.Q'-

2cMandril 0.030/0.04.

abajo "del diametro d I

rnufion.c o

EC i

Esp. de pared

requertdo

C'

Dimension "A" = Dlarnetro Ext. - Dimension "B"

Espesor de pared requerido = (Diarnetro Ext. - Dlametro Int.)/2

Diemetro interior +0.001 (para chumaceras mayores de 2.000 pulg.)

-0.000

Fig. 8Verificaci6n del claro diametral de chumaceras par el metoda del mandril.

pag. -16-






Hundimiento EstaticoHundimiento Estatico de

Viaje totalla Flecha por abajo del

#de ConflquraclonTeta

de la Flecha por abajocirculo generado por el

de la Flecha

Zapatas de Carga de la Posicion centradaclaro

(Levante)

s, = c, I 2 Cos eSci = Sc - CdI 2

X = Sci + Cd

3 LBP 60 Cd 0.5Cd 1.5 Cd

--- ---- - - - ------ --------- -----3 LOP 0 0.5 Cd 0 1.5 Cd

4 LBP 45 0.7071 Cd 0.2071 Cd 1.4142 Cd

--- - - - - - - - ------ --------- -----4 LOP 0 o. s Cd 0 Cd

5 LBP 36 0.6180 Cd 0.118Cd 1.1180 Cd

--- - - - - - - - ------ --------- -----5 LOP 0 0.5 Cd 0 1.1180 Cd

6 LBP 30 0.5774 Cd 0.0774 Cd 1.1547 Cd

--- ---- - - - ------ --------- -----6 LOP 0 0.5 Cd

"0 Cd

7 LBP 25.71 0.5550 Cd

\0.0550 Cd 1.0550 Cd

--- - - - - - - - ------ --------- -------..:7 -OP 0 0.5 Cd Q - - 1.0550 Cd

8 LBP ~ 22.5 0.5412 Cd 0.0412 Cd 1.0824 cd

--- - - - - - - - ------ --------- -----8 LOP 0 0.5 Cd 0 0

LBP = Carga entre Zapatas

LOP= Carga sobre Zapatas

Nota: Para un Nurnero par de Zapatas y la conftquraclon LBP el valor total del levante es igual

Cdmas 2 veces el valor de Sci. (SE hunde en la parte inferior y en la superior).

Para un nurnero impar de zapatas y para la conflquraclon de LOP,el hundimiento ocurrlra en la

parte superior. Lo mencionado, se han tomado en cuenta en la reallzaclon de tabla # 3.

Tabla 3. Hundimiento Estetico y Levante Total del Mufion.

pag. - 17-






DIAMETRO DE FLECHA (TOLERANCIA HORIZONTAL)

MINIMA NORMAL MAXIMA

,Hasta 5/8" Inc lus ive. 0.001" 0.0015" 0.002"

5/8" A 1" 0.002" 0.003" 0.004"

1" A 1-1/2" 0.003" 0.004" 0.006"

1-112" A 2-1/2" 0.004" 0.006" 0.008"

2-1/2" A 4" 0.005" 0.008" 0.011"

4" A 3-1/2" 0.006" 0.009" 0.012"

3-1/2" A 5" 0.007" 0.010" 0.013"

5" A 5-1/2" 0.008" 0.011" 0.014"

5-1/2" A 6" 0.009" 0.012" 0.015"

6" - " A , 7" 0.011"-

0.014" 0.017"

7" A 8" 0.012" 0.015" 0.018"

8" A 9" 0.013" 0.016" 0.019"

9" A 10" 0.014" 0.017" 0.020"

10" A 15" 0.015" 0.018" 0.021"

Tabla 4 Claros AKiales Recomendados (Westinghouse)

pag. -18-






PROBLEMAS CAUSAS EFECTOS

Contacto entre superficies Arranques y paros. Operaci6n inestable Desgaste 0darios en la

deslizantesa altas velocidades.

superficie

Desalineamiento.

Cargas de impacto.

Acabo superficial pobre.

Particulas abrasivas en el Degradaci6n dellubricante. Amarre, desgaste 0 dartos en la

lubricante Desgaste de otros componentes. superficie. (Escoramiento)

Ambiente sucio 0 contaminado

Corrosi6n~

Remocion de material 0 perdidaLubricante contaminado 0 insuficiente.

de claros.Agotamiento de los aditivos protectores.

Picado de las superficies.Temperaturas excesivas.

Condensacion de humedad.

Fatiga

Condiciones de carga ciclica.

Perdida del material antifricci6n

Pobre selecci6n de materiales 0de la chumacera.

fabricaci6n

Perdida del ClaroDiferencia de expansi6n terrnica entre la

Amarre 0 desgaste y darios de

chumacera y su carcaza 0 entre losla superficie.

materiales de la f lecha., Inestabilidad dimensional de los I

materiales de la chumacera.

Excesiva temperatura de operaci6n.

Distorsion del diametro interior debido a

excesiva interferencia.

Temperaturas excesivas en la Particulas 0 basura. Amarre 0 desgaste , y dana de

chumacera Excesivo deslizamiento. la superficie. AgrietamientoConductividao terrnica pobre.

Perdida ruelclaro de la chumacera.

Lubricaci6n inadecuada.

Alto torque P Fallas en la transmisi6n de la

Basura. carga. Amarre.

Pobre selecci6n del material.

Perdida ruelubricante.

Dane en las superficies de la chumacera.,~

Tabla 5. Problemas, causas y efectos en chumaceras ntdrodinsmtces.

pag. -19-






01. A5TM E 8-81

02. A5TM E 317-79

03. A5TM E 165-80E2

04. A5TM E 797-81

05. A5TM E 114-75

06. A5TM E 384-73

07. 150 4384/1-1982 ( E )

08. 150 4384/2-1982 ( E )

09. 150 4386/1-1982 ( E )

10. 150 4386/2-1982 ( E )

11. 150 4386/3-1992

12.1502177-1972 ( E)

13.1501457-1974 ( E)

14.1501458-1974 ( E)

15.1501463-1982 ( E)

16. 150 2064-1980 ( E )

17. 1502093-1973 ( E )

18. 150 2360-1982 ( E )

19.1502361-1982 ( E)

20.1502819-1980 (E)

21. 150 3882-1976 ( E )

22. 150 6524-1983 ( E )

23. 150 4385-1981 ( E )

Tabla 6. Principales normas para el analisis de Chumaceras Hidrodinarnicas====

pag. - 20-

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