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Introducción
Sistema de Pruebas de Vida de Rodamientos a Ultra Alta Velocidad con Carga Combinada
En los sistemas críticos, los rodamientos suelen ser el punto más débil capaz de detener por completo una máquina. Un rodamiento gripado en un motor aeronáutico, un rodamiento fallado en una caja de engranajes de alta velocidad o un sobrecalentamiento en un turbocompresor pueden significar la cancelación de una misión, una parada no programada o daños catastróficos. Sin embargo, en la mayoría de los programas, la vida del rodamiento aún se predice basándose principalmente en datos de catálogo, factores de seguridad y suposiciones.

El Banco de Pruebas de Resistencia para Rodamientos de Alta Velocidad existe para eliminar esas suposiciones.

Este equipo permite recrear el castigo real que experimentan los rodamientos en servicio: velocidades extremas de hasta 70.000 rpm, cargas combinadas radiales y axiales, lubricación controlada y temperaturas elevadas, y observar luego, en un entorno controlado e instrumentado, cómo el rodamiento realmente se comporta y falla. En lugar de confiar en valores teóricos L10, se obtiene evidencia real: cómo deriva el par, cuándo aumenta la vibración, cómo se eleva la temperatura y bajo qué combinación exacta de carga, velocidad y condición del aceite el rodamiento alcanza el final de su vida útil.

Para organizaciones que trabajan en los sectores aeroespacial, defensa, automoción y maquinaria rotativa avanzada, esto no es simplemente un “equipo de laboratorio agradable de tener”. Es una herramienta de reducción de riesgos: valida diseños antes de su entrada en servicio, revela proveedores débiles, reduce riesgos en nuevos lubricantes y recubrimientos, y proporciona a los equipos de certificación y fiabilidad datos que resisten cualquier escrutinio.

Objetivo Funcional y Capacidades de Prueba
El propósito central de este banco es responder a una pregunta fundamental:
“¿Cómo se comportan realmente los rodamientos de alta velocidad a lo largo de su vida bajo mis condiciones específicas de operación?”

Para cumplir este propósito, el banco está diseñado para:
• Medir la vida útil de rodamientos de rodadura bajo:
  ▹ Carga radial variable
  ▹ Carga axial (de empuje) variable
  ▹ Velocidades desde bajas rpm hasta ~70.000 rpm
  ▹ Caudal y presión de lubricación controlados
  ▹ Temperatura del aceite controlada, incluyendo ensayos a alta temperatura

• Capturar y registrar indicadores clave de rendimiento a lo largo de la prueba:
  ▹ Evolución del par / fricción
  ▹ Velocidad y estabilidad de velocidad
  ▹ Niveles de carga radial y axial
  ▹ Presión, temperatura y caudal de aceite
  ▹ Niveles de vibración (mediante analizador externo)

• Permitir escenarios de prueba realistas, como:
  ▹ Ensayos de resistencia a carga y velocidad constantes
  ▹ Cargas escalonadas o en rampa a velocidad fija
  ▹ Pruebas de vida acelerada por temperatura
  ▹ Comparaciones entre diferentes rodamientos, lubricantes o recubrimientos
El sistema está diseñado para pruebas de larga duración, parcialmente desatendidas, con interbloqueos y monitoreo adecuados para proteger tanto al operador como al equipo.

Aplicaciones Típicas
Esta máquina es ideal para organizaciones que deben calificar, validar o comparar rodamientos para aplicaciones exigentes:
• Rodamientos de ejes de motores aeronáuticos y cajas de accesorios
• Cajas de engranajes de alta velocidad y turbomaquinaria (defensa, aviación, industrial)
• Turbocompresores, supercargadores y rodamientos automotrices de alto rendimiento
• Centros de I+D enfocados en fatiga, lubricación y modos de fallo
• Laboratorios de cualificación para nuevos diseños de rodamientos, proveedores o lotes de producción
En muchos programas, se utiliza como banco de calificación y pruebas tipo antes de autorizar rodamientos para sistemas críticos.

Arquitectura del Sistema – Descripción General
El Banco de Pruebas de Resistencia para Rodamientos de Alta Velocidad está construido alrededor de un tren de accionamiento de alta potencia, una caja de engranajes de alta velocidad de precisión, un dispositivo de carga del rodamiento y sistemas de lubricación independientes, todo integrado con un sistema de control y adquisición de datos basado en PC.

Los principales subsistemas son:
• Motor de accionamiento de alta potencia con control vectorial
• Caja de engranajes monohelicoidal de dos etapas para alcanzar 70.000 rpm
• Dispositivo de carga de rodamientos con husillo y carcasa de precisión
• Carga radial mediante fuelle neumático y célula de carga
• Carga axial mediante cilindros neumáticos compactos y células de carga
• Sistema de lubricación del rodamiento con calefacción y control de caudal
• Sistema de lubricación de la caja de engranajes
• Instrumentación y DAQ para par, velocidad, cargas, presión, temperatura y caudal
• Bastidor base de hierro fundido para rigidez y amortiguación de vibraciones
Cada subsistema está diseñado para ser robusto, mantenible y adecuado para operación continua a alta velocidad.

Sistema de Accionamiento y Caja de Engranajes de Alta Velocidad
En el corazón del banco se encuentra un potente sistema de accionamiento controlado en velocidad que proporciona las condiciones mecánicas requeridas para las pruebas de resistencia.

Motor de Accionamiento y Control Vectorial
El banco emplea un motor eléctrico trifásico de aproximadamente 113 kW, junto con un variador industrial de control vectorial:
• Potencia aproximada: 113 kW
• Alimentación: 415 V, CA trifásica
• Velocidad nominal: ~2900 rpm, con capacidad hasta ~5000 rpm
• Realimentación mediante codificador para control de velocidad en lazo cerrado
• Rampas configurables de aceleración/desaceleración para minimizar golpes mecánicos

Esta configuración garantiza que la velocidad de prueba pueda fijarse, mantenerse y limitarse con precisión, con monitoreo y limitación de par incorporados en la lógica del variador.

Caja de Engranajes de Alta Velocidad
Para alcanzar velocidades de husillo de hasta 70.000 rpm, el motor acciona una caja de engranajes de alto rendimiento:
• Velocidad de entrada (máx.): 5000 rpm
• Velocidad de salida (máx.): 70.000 rpm
• Relación de engranajes: 14 : 1
• Diseño: dos etapas, engranaje monohelicoidal, ejes paralelos
• Norma de diseño: AGMA 6011 I-03 (engranajes de alta velocidad)
• Rodamientos: cojinetes hidrodinámicos con respaldo de acero y recubrimiento de metal blanco
La caja está diseñada para operación continua a alta velocidad, con fuerte énfasis en baja vibración y alta fiabilidad.

Acoplamiento y Limitación de Par
Entre los elementos giratorios:
• Se instala un acoplamiento de seguridad limitador de par entre el motor y la caja de engranajes:
  ▹ Normalmente ajustado para deslizar alrededor de 300 N•m y evitar daños ante sobrecargas repentinas (p. ej., agarrotamiento del rodamiento o bloqueo del eje).
• Se emplean acoplamientos flexibles de alta velocidad entre la salida de la caja de engranajes, el sensor de par y el husillo de prueba:
  ▹ Capaces de operar de forma segura a 70.000 rpm
  ▹ Compensan desalineamientos menores y reducen la vibración transmitida
Esta disposición proporciona protección mecánica e integridad de medición incluso a altas velocidades.

Carcasa del Rodamiento, Husillo y Estructura Mecánica
El rodamiento bajo prueba se monta en un dispositivo dedicado que garantiza un ajuste correcto, alineación adecuada e introducción precisa de carga.

Bancada y Bastidor de Hierro Fundido
Todo el conjunto (motor, caja de engranajes, soporte de rodamiento) está montado sobre una bancada de hierro fundido:
• Alta rigidez a la flexión para mantener la alineación del eje bajo carga  
• Excelente amortiguación de vibraciones gracias a las propiedades inherentes del hierro fundido  
• Reducción de la transmisión de vibraciones del accionamiento y engranajes hacia los componentes de medición  
Este diseño de base es esencial para obtener resultados repetibles y una larga vida útil de los componentes.

Husillo y Carcasa del Rodamiento
El dispositivo de carga del rodamiento consta de:
• Un husillo rectificado de precisión que soporta:
  ▹ El rodamiento bajo prueba  
  ▹ Los rodamientos de soporte y los discos según sea necesario  
• Discos y espaciadores de rodamiento personalizables para adaptarse a la geometría del rodamiento en prueba (p. ej., 20 × 47 × 14 mm u otros tamaños especificados por el usuario)  
• Una carcasa de dos piezas:
  ▹ La carcasa inferior sostiene los discos del rodamiento y los fija a la bancada.  
  ▹ La carcasa superior recibe las fuerzas radiales y axiales provenientes de los mecanismos de carga y las transmite al rodamiento de prueba.  
La carcasa está diseñada con canales de lubricación y puertos para sensores, de modo que el aceite pueda suministrarse y monitorearse con precisión en los puntos del rodamiento.

Montaje y Desmontaje
Para evitar daños durante las operaciones de montaje y desmontaje, se utiliza un dispositivo dedicado de acoplamiento y extracción del rodamiento, asegurando:
• Alineación correcta durante la instalación  
• Fuerzas de prensado controladas  
• Cambios de rodamientos rápidos y eficientes entre pruebas  

Aplicación de Carga Radial y Axial
Para reproducir condiciones reales de operación, el banco ofrece control independiente de las cargas radiales y axiales.

Carga Radial
La carga radial se genera mediante un fuelle neumático:
• El aire comprimido actúa sobre el fuelle, produciendo una fuerza vertical controlable.  
• Esta fuerza se aplica a la carcasa superior mediante un pasador de carga radial, produciendo la carga sobre el rodamiento en ensayo.  
• Una célula de carga radial instalada en la trayectoria de la fuerza mide la carga aplicada.

Características clave:
• Capacidad de carga radial: hasta aprox. 25 kN (≈2,5 toneladas), según configuración  
• Ajuste suave de la carga variando la presión del aire  
• Verificación continua de la carga mediante la señal de la célula de carga y el indicador digital  

Carga Axial
La carga axial (de empuje) se aplica mediante cilindros neumáticos compactos:
• Varios cilindros se disponen de modo que su fuerza combinada actúe en dirección axial pura sobre el disco del rodamiento.  
• Una o más células de carga axial miden con precisión la fuerza aplicada.

Capacidades típicas:
• Capacidad de carga axial: hasta aprox. 2,5 kN, según el número y tamaño de los cilindros  
• Configurable para escenarios de carga radial pura, axial pura o combinada  

Control Neumático
El sistema neumático incluye:
• Unidades filtro-regulador para asegurar aire limpio y seco a presión estable  
• Reguladores electro-neumáticos (E/P) que convierten señales eléctricas en niveles de presión precisos para los actuadores radial y axial  
• Válvulas solenoides (5/2 y 3/2, 24 V CC) para aplicar o descargar presión y extender o retraer los cilindros  
Esto permite crear perfiles de carga bien definidos y posibilita tanto el control manual como el semiautomático.

Gestión de Lubricación y Temperatura
La lubricación y el control térmico son críticos en las pruebas de vida de rodamientos, y el banco los trata como variables de control de primera importancia.

Unidad de Lubricación del Rodamiento
El sistema de lubricación suministra aceite al rodamiento bajo prueba y a los rodamientos de soporte con:
• Presión controlada  
• Caudal controlado  
• Temperatura controlada  

Características principales:
• Depósito de aceite, bomba, filtración y líneas de retorno diseñadas para operación continua  
• Calentador eléctrico capaz de elevar la temperatura del aceite desde ambiente (~35 °C) hasta aproximadamente 200 °C  
• Válvula proporcional de control de caudal para ajustar el flujo de aceite mediante comando eléctrico  

Los parámetros monitoreados incluyen:
• Presión del aceite del rodamiento (mediante transmisor de presión, 4–20 mA)  
• Temperatura del aceite del rodamiento (mediante transmisor de temperatura, típicamente PT100 + transmisor, 4–20 mA)  
• Caudal de aceite (L/min), mostrado localmente y adquirido por el sistema DAQ  
Esto permite condiciones de prueba que van desde ensayos acelerados de alto calor con bajo caudal hasta pruebas de resistencia con temperaturas moderadas y buena lubricación.

Sistema de Lubricación de la Caja de Engranajes
Una unidad de lubricación independiente se utiliza para:
• Suministrar aceite a engranajes y cojinetes hidrodinámicos con la presión y caudal requeridos  
• Mantener una película de aceite hidrodinámica estable a alta velocidad  
• Proteger los componentes de la caja frente a desgaste y degradación térmica  
El procedimiento operativo garantiza que la lubricación de la caja esté siempre establecida antes de permitir el funcionamiento a alta velocidad.

Refrigeración y Rechazo de Calor
Según las instalaciones del usuario, los sistemas de lubricación pueden conectarse a:
• Un enfriador externo, o  
• Un circuito de agua de refrigeración  
para eliminar el calor generado y mantener la temperatura deseada del aceite durante pruebas prolongadas.

Instrumentación, Monitoreo y Adquisición de Datos
El banco está ampliamente instrumentado para que cada prueba sea completamente documentada y trazable.  
Variables medidas:

La instrumentación típica incluye:
• Par: sensor de par sin contacto (0–50 N•m típico)  
• Velocidad: integrada en el sensor de par o captador dedicado (capacidad hasta 80.000 rpm)  
• Carga radial: mediante célula de carga radial (hasta ~25 kN)  
• Carga axial: mediante células de carga axial (hasta ~2,5 kN en total, según configuración)  
• Presión de aceite (bar): para la lubricación del rodamiento y, cuando corresponda, de la caja de engranajes  
• Temperatura del aceite (°C): temperatura de entrada del rodamiento (y opcionalmente salida), temperatura de la caja  
• Caudal (L/min): flujo de lubricación del rodamiento  
• Señales digitales de estado: bomba ON/OFF, calentador ON/OFF, interruptores de nivel, finales de carrera, paradas de emergencia e interbloqueos  

Indicadores Locales
En el panel frontal o de control, los indicadores digitales muestran:
• Par, velocidad, carga radial y carga axial en tiempo real  
• Presión, temperatura y caudal de aceite  
• Puntos de alarma configurables, permitiendo lógica local de disparo en condiciones inseguras  

Adquisición de Datos Basada en PC
Un PC o IPC con hardware DAQ dedicado:
• Recoge señales analógicas y digitales de todos los transmisores y sensores  
• Muestra valores en tiempo real y tendencias en la HMI  
• Registra todos los datos relevantes en archivos con marcas de tiempo e identificación de prueba  

Esto genera un registro digital completo de cada prueba, útil para:
• Análisis estadístico de vida  
• Investigaciones de fallos  
• Comparaciones entre proveedores  
• Informes para equipos internos o agencias externas  

Spécifications techniques (typiques)
Le tableau ci-dessous résume les spécifications techniques typiques du banc d’endurance pour roulements à haute vitesse. Les valeurs peuvent être personnalisées selon les exigences de l’utilisateur, mais cette configuration représente un cas standard.

  

    

      
Paramètre
      
Spécification (Typique)
    

    

      
Application
      
Tests d’endurance et de performance des roulements à grande vitesse
    

    

      
Plage de vitesse du roulement testé
      
0 à 70 000 tr/min (entièrement contrôlable)
    

    

      
Puissance du moteur d’entraînement
      
~113 kW, AC triphasé, 415 V
    

    

      
Vitesse nominale du moteur
      
~2900 tr/min (jusqu’à env. 5000 tr/min)
    

    

      
Commande de vitesse
      
Variateur à contrôle vectoriel avec retour codeur
    

    

      
Type de boîte de vitesses
      
Deux étages, engrenages hélicoïdaux, arbres parallèles
    

    

      
Rapport de réduction
      
Environ 14 : 1
    

    

      
Vitesse d’entrée max. de la boîte
      
5000 tr/min
    

    

      
Vitesse de sortie max. de la boîte
      
70 000 tr/min
    

    

      
Norme de conception de la boîte
      
AGMA 6011 I-03
    

    

      
Roulements de la boîte
      
Paliers lisses hydrodynamiques avec support acier et chemisage en métal blanc
    

    

      
Capacité de charge radiale
      
Jusqu’à ~25 kN (≈2,5 tonnes), via soufflet pneumatique + cellule de charge
    

    

      
Capacité de charge axiale
      
Jusqu’à ~2,5 kN, via vérins pneumatiques compacts + cellules de charge
    

    

      
Actionnement de charge radiale
      
Soufflet pneumatique simple convoluté avec régulateur E/P
    

    

      
Actionnement de charge axiale
      
Vérins pneumatiques compacts multiples avec régulateur E/P
    

    

      
Température d’huile de lubrification du roulement
      
Env. 35 °C à 200 °C (réglable)
    

    

      
Débit de lubrification du roulement
      
Réglable via valve proportionnelle (plage en L/min selon spécification)
    

    

      
Lubrification de la boîte de vitesses
      
Groupe séparé avec pompe, filtration et refroidissement
    

    

      
Plage de mesure du couple
      
Env. 0–50 N·m, capteur de couple sans contact
    

    

      
Plage de mesure de la vitesse
      
0–80 000 tr/min (capacité du capteur)
    

    

      
Variables mesurées
      
Couple, vitesse, charge radiale, charge axiale, pression d’huile, température d’huile, débit
    

    

      
Structure de base
      
Bâti en fonte pour haute rigidité et amortissement des vibrations
    

    

      
Acquisition de données
      
DAQ sur PC/IPC avec entrées analogiques et numériques multicanaux
    

    

      
Enregistrement des données
      
Enregistrement continu avec horodatage et identification d’essai
    

    

      
Alimentation principale
      
415 V, triphasé pour variateur et pompes
    

    

      
Alimentation auxiliaire
      
230 V AC monophasé pour commandes, auxiliaires, indicateurs
    

    

      
Alimentation pneumatique
      
Air comprimé propre et sec (pression selon exigences des actionneurs)
    
  


Philosophie de sécurité et d’exploitation
En raison des vitesses élevées et de l’énergie accumulée, le banc est conçu avec un concept de sécurité multicouche :
• Protection mécanique autour de tous les composants rotatifs et des pièces en mouvement  
• Circuits d’arrêt d’urgence :  
  ▹ Arrêt d’urgence du moteur pour couper l’alimentation et décélérer le système  
  ▹ Arrêt d’urgence du système pour arrêter en toute sécurité la lubrification et les systèmes auxiliaires si nécessaire  

• Verrous de sécurité empêchant le démarrage du test si :  
  ▹ La pression ou le débit de lubrification est insuffisant  
  ▹ Les températures d’huile dépassent les limites autorisées  
  ▹ La pression pneumatique nécessaire au chargement n’est pas disponible  
  ▹ Une alarme critique est active  

Les procédures d’exploitation exigent :  
• Le démarrage et la stabilisation des systèmes de lubrification avant l’application de la vitesse/charge  
• Le respect des temps d’échauffement définis  
• L’absence de toute intervention manuelle pendant le fonctionnement ou lorsque les pièces sont en rotation  
Le principe fondamental est qu’aucune opération à haute vitesse n’est autorisée tant que les conditions de lubrification, de chargement et de sécurité ne sont pas confirmées comme étant correctes.

Avantages clés  
Du point de vue de l’utilisateur, le banc d’endurance pour roulements à haute vitesse offre :  
• Des données d’endurance réalistes et de haute fidélité sous des conditions combinées de vitesse, de charge et de température  
• Une forte répétabilité grâce à une structure mécanique rigide et un contrôle précis de la lubrification et des charges  
• Une compréhension approfondie du comportement des roulements, permettant de meilleures décisions de conception et une gestion optimisée des fournisseurs  
• Des enregistrements numériques complets facilitant la qualification, la certification et le diagnostic  
• Une flexibilité permettant d’adapter le banc à différentes tailles de roulements, niveaux de charge et concepts d’essais