Interpretación de la norma EN 13001-3-4:2018 «Verificación del estado límite y la vida útil de los rodamientos de grúas»
📋 Resumen de la norma:EN 13001-3-4:2018 «Grúas. Diseño general. Partes 3 y 4: Estados límite de los cojinetes y verificación de la capacidad» es una norma específica de la serie EN 13001 de la Unión Europea sobre el diseño de grúas, dedicada a los cojinetes, que establece los estados límite (fallo por fatiga, fallo por resistencia estática) de los cojinetes de rodamiento y de deslizamiento utilizados en grúas , así como los métodos de verificación de la capacidad basados en la fórmula de cálculo de la vida útil modificada según la norma ISO 281. Esta norma es aplicable a todos los productos de grúas incluidos en el ámbito de aplicación del marcado CE.
Cada punto de giro de la grúa —desde los rodamientos del tambor de elevación hasta los rodamientos de las ruedas del carro— funciona bajo cargas alternas. Una grúa puente de clase de trabajo M6, a lo largo de su vida útil prevista de 20 años, puede alcanzar un número acumulado de rotaciones de los rodamientos de las ruedas del carro del orden de 10⁸, lo que supera con creces los criterios de diseño de los rodamientos de los equipos industriales convencionales. La norma EN 13001-3-4, al introducir coeficientes de espectro de carga y factores de corrección de condiciones de trabajo específicos para grúas, ha permitido que el cálculo de la vida útil de los rodamientos pase de ser una ”estimación genérica” a una ”diseño preciso específico para grúas”.
I. Definición del estado límite de los rodamientos
La norma EN 13001-3-4 define dos estados límite de los rodamientos. Estado límite de fatiga (ULS-F): la aparición de la primera mancha de desprendimiento por fatiga (área de corrosión puntual ≥ 1 mm²) en las pistas de rodadura o en los cuerpos rodantes del rodamiento indica que este ha alcanzado el final de su vida útil por fatiga. Para los rodamientos situados en posiciones críticas de las grúas (como los soportes de los tambores), la probabilidad de fallo por fatiga debe ser ≤ 10¹ TP3T (es decir, la vida útil nominal corregida L₁₀mh).
Estado límite de resistencia estática (ULS-S): la deformación permanente que se produce en el punto de contacto entre los elementos rodantes y las pistas del rodamiento, bajo la carga estática máxima (condiciones de ensayo de carga estática equivalentes a 1,25 veces la carga nominal más el coeficiente de carga dinámica), es ≤ 1/10 000 del diámetro de los elementos rodantes. Este requisito se aplica principalmente a condiciones de baja velocidad y carga pesada, como en el caso de los rodamientos de la viga del gancho de una grúa de fundición, donde la velocidad es prácticamente nula pero la carga es extremadamente elevada cuando el crisol de acero de 320 t está a plena carga.
II. Corrección del cálculo de la vida útil nominal (L₁₀mh)
La fórmula de vida útil de los rodamientos utilizada en la norma EN 13001-3-4 se basa en el algoritmo de corrección de la norma ISO 281: L₁₀mh = a₁ × a_ISO × a_crane × L₁₀. Donde: a₁ es el coeficiente de corrección de fiabilidad (para una fiabilidad de 90%, a₁ = 1; para 95%, a₁ = 0,62); a_ISO es el coeficiente de corrección combinado de lubricación y contaminación recomendado por la norma ISO 281 (que se consulta en una tabla en función de los parámetros reales de la película lubricante κ y del coeficiente de limpieza ηc) ; a_crane es el coeficiente de corrección específico para condiciones de trabajo de grúas de la norma EN 13001, cuyo valor depende del nivel de servicio del mecanismo: M5 = 1,0; M6 = 0,85; M7 = 0,7; M8 = 0,5. Este coeficiente refleja el hecho de que, en las grúas de alto nivel de trabajo, las frecuentes arranques y paradas, así como las cargas de impacto, aceleran la fatiga de los rodamientos.
Tomemos como ejemplo el cálculo de un rodamiento de tambor (modelo 22220E) de una grúa puente de doble viga de 32 t de clase M5: vida útil nominal básica L₁₀ = 1,2 × 10⁶ revoluciones, a₁ = 1, a_ISO = 1,2 (entorno limpio y con buena lubricación), a_crane = 1,0, se obtiene L₁₀mh = 1,44 × 10⁶ revoluciones, lo que equivale a una vida útil de aproximadamente 25 años con un funcionamiento diario de 8 horas y un índice de carga continua de 40%, cumpliendo así los requisitos de vida útil previstos en el diseño.
III. Cálculo específico de la carga dinámica equivalente para grúas
La norma EN 13001-3-4 establece unas reglas de cálculo para la carga dinámica equivalente P de los rodamientos de grúas que difieren de las aplicables a la maquinaria general. En la maquinaria general se puede tomar la carga media, pero en las grúas, debido a las fuertes variaciones de carga (ciclos repetidos de carga nula → carga máxima → carga nula), se utiliza el coeficiente del espectro de carga k_P. P = k_P × P_max, donde P_max es la carga equivalente del rodamiento bajo la carga máxima de trabajo, y k_P toma los valores indicados en la tabla: M5 = 0,63; M6 = 0,71; M7 = 0,80; M8 = 0,90. Este coeficiente significa que, en el caso de las grúas de clase M5, la carga de fatiga equivalente del rodamiento a lo largo de su ciclo de vida es solo del 63% de la carga máxima, lo que refleja que los estados de carga nula o ligera ocupan la mayor parte del tiempo de funcionamiento.
En el caso de los rodamientos que soportan simultáneamente una fuerza radial Fr y una fuerza axial Fa (como los rodamientos de rodillos cónicos, los rodamientos de bolas de contacto angular), la carga dinámica equivalente P = X × Fr + Y × Fa, donde los coeficientes X e Y se toman según los valores indicados en el catálogo del fabricante del rodamiento; sin embargo, al calcular la carga, Fr y Fa deben multiplicarse por el coeficiente de carga dinámica φ correspondiente a la combinación de cargas de la grúa antes de ser sustituidos en la fórmula.
IV. Requisitos de montaje y mantenimiento de los rodamientos
La norma EN 13001-3-4 establece requisitos normativos sobre las tolerancias de montaje y los regímenes de lubricación de los rodamientos. Ajuste entre el rodamiento de agujero cilíndrico y el eje: para los grados M5 a M6 se utiliza js6 (ajuste de transición); para los grados M7 a M8, m6 (ajuste con ligero exceso de ajuste) . Tolerancia del orificio del soporte del rodamiento: H7. Durante el montaje, el rodamiento debe calentarse a una temperatura de entre 80 y 100 ℃ (en baño de aceite o mediante calentamiento por inducción); queda terminantemente prohibido calentarlo directamente con llama o golpearlo con un martillo durante el montaje. La temperatura de calentamiento no debe superar los 120 ℃, ya que, por encima de esta temperatura, la dureza del acero del rodamiento comienza a disminuir.
Régimen de lubricación: en los rodamientos lubricados con grasa, se debe reponer la grasa una vez cada 2.000 horas de funcionamiento (clase M5), cada 1.000 horas (M6) y cada 500 horas (M7-M8). La cantidad de reabastecimiento debe ser del 30% al 50% del volumen del espacio libre del rodamiento. En los rodamientos lubricados por baño de aceite, el aceite debe cambiarse cada 2.000 horas o cada 6 meses. Al cambiar el aceite, se debe limpiar la caja de rodamientos con queroseno antes de verter el aceite nuevo. La mezcla de grasas de diferentes marcas o con diferentes viscosidades puede provocar la incompatibilidad de los aglutinantes y la pérdida de la función lubricante; esta es una de las causas más comunes de fallo de los rodamientos en la práctica.
| Nivel de trabajo | a_crane | Coeficiente del espectro de carga k_P | Ciclo de lubricación (h) | Ajuste de los rodamientos |
|---|---|---|---|---|
| M5 | 1.0 | 0.63 | 2000 | js6 |
| M6 | 0.85 | 0.71 | 1000 | m6 |
| M7 | 0.7 | 0.80 | 500 | m6 |
Preguntas frecuentes
Pregunta: ¿Por qué la vida útil de los rodamientos de las grúas es más corta que la de los de la maquinaria general?
Respuesta: Tres razones: ① Espectro de carga adverso: frecuentes alternancias entre carga y sin carga, así como impactos por arranque y parada; la carga equivalente es entre 2 y 3 veces superior a la de equipos con carga estable, como las máquinas herramienta con control numérico; ② Carga pesada a baja velocidad: la velocidad de rotación de los rodamientos de las ruedas del carro principal suele ser de tan solo 10 a 50 rpm, lo que dificulta la formación de una película de aceite y hace que una gran parte del funcionamiento se produzca en condiciones de lubricación límite; ③ Contaminación exterior: en entornos con polvo, como las fábricas de cemento o las acerías, incluso con dispositivos de sellado, las partículas finas pueden filtrarse a través de los labios de sellado y penetrar en los rodamientos, lo que acelera el desgaste por abrasión. Solución: Reponer periódicamente la grasa nueva para expulsar la grasa contaminada de la cámara del rodamiento (lo que se denomina ”lubricación por lavado”), al tiempo que se eleva el grado de estanqueidad a IP66.
Pregunta: ¿A qué temperatura se considera normal que se caliente un rodamiento? ¿Cuándo hay que detener la máquina?
Respuesta: En condiciones normales de funcionamiento, la temperatura del anillo exterior del rodamiento debe ser ≤ a la temperatura ambiente +40 ℃; es decir, en un entorno de 35 ℃ en verano, la temperatura del rodamiento debe ser ≤ a 75 ℃. Cuando la temperatura del rodamiento supere los 85 ℃, es necesario reforzar la supervisión y aumentar la frecuencia de lubricación. Si se superan los 95 °C, se debe detener inmediatamente la máquina para determinar la causa; entre las causas más comunes se incluyen el exceso de grasa lubricante (calor por fricción), la falta de grasa lubricante (fricción en seco), un juego del rodamiento demasiado pequeño (precarga de montaje excesiva) o un ajuste de interferencia demasiado grande en las juntas. Para la monitorización continua se puede utilizar una pistola de temperatura por infrarrojos o un sensor de temperatura en línea, que active automáticamente una alarma y registre los datos de tendencia cuando la temperatura del rodamiento supere el umbral establecido.
Pregunta: ¿Por qué se utilizan tanto los rodamientos de rodillos autoalineables en las grúas?
Respuesta: Los rodamientos de rodillos autoalineables (como las series 22200 y 22300) representan más del 70% del mercado del sector de las grúas, debido a que reúnen tres características clave: ① Autocompensación: permiten una desviación angular de entre 1° y 2,5° entre el eje y el soporte del rodamiento, lo que se adapta a la deformación por soldadura de la estructura de acero de las grúas y a los errores de montaje; ② Alta capacidad de carga: gracias a su diseño de rodillos esféricos de doble hilera, su carga dinámica nominal es entre 3 y 5 veces superior a la de los rodamientos de bolas de ranura profunda del mismo tamaño; ③ Montaje y desmontaje separables: se instalan con manguito de extracción (tipo K) o manguito de fijación (tipo H), lo que facilita el montaje y desmontaje in situ de rodamientos de gran tamaño. La norma EN 13001-3-4 establece valores recomendados específicos de holgura de montaje para los rodamientos de rodillos autocompensadores: la holgura C3 se utiliza en condiciones de temperatura ambiente, mientras que la holgura C4 se emplea en grúas pórtico al aire libre con grandes variaciones de temperatura.
Pregunta: ¿Qué tipo de ruido es exactamente el ”ruido extraño” de un rodamiento? ¿Cómo se puede identificar?
Respuesta: El sonido de un rodamiento que funciona correctamente es un ”zumbido” uniforme y suave (sonido continuo producido por el desplazamiento de los rodillos por la pista de rodadura). Los ruidos anómalos corresponden a diferentes tipos de averías: un ”tac-tac” periódico: hay picaduras en la pista de rodadura o en los elementos rodantes; un chirrido metálico agudo: lubricación deficiente o jaula dañada; un ”clic” intermitente: presencia de partículas extrañas duras en la grasa lubricante. Para evaluar de forma sencilla el estado de funcionamiento del rodamiento, se puede apoyar el mango de un destornillador de mango largo contra la tapa del rodamiento y colocar el mango junto al oído (método de auscultación sencillo). Para un diagnóstico preciso, se debe utilizar un analizador de espectro de vibraciones. Las frecuencias características de los fallos de los rodamientos —f_bpfo (anillo exterior), f_bpfi (anillo interior), f_bsf (rodillos) y f_ftf (jaula)— presentan patrones de vibración específicos; mediante la comparación de los espectros se puede localizar con precisión el componente defectuoso.
