Prueba y equilibrado de sellos rotativos de alta velocidad para garantizar su fiabilidad

He trabajado con sellos rotativos de alta velocidad durante muchos años, y en este artículo resumo los métodos que utilizo para probar y equilibrar sellos y asegurar un funcionamiento confiable en equipos rotativos exigentes. Me centro en indicadores mensurables (tasa de fuga, par de fricción, aumento de temperatura, vibración/excentricidad y compatibilidad de materiales) y en procedimientos de equilibrado y prueba probados que reducen el riesgo de fallos y prolongan la vida útil. Las recomendaciones a continuación se basan en referencias de la industria, incluyendo normas y proveedores técnicos, para facilitar la verificación y la implementación. Para conocer los conceptos básicos sobre sellos mecánicos y rotativos, consulte la descripción general enSello mecánico (Wikipedia)y los antecedentes sobre los sellos de eje radiales/rotativos enSello de eje radial (Wikipedia).

Por qué son importantes las pruebas dinámicas para los equipos rotatorios

Modos de falla de los sellos rotativos de alta velocidad

En mi experiencia, los modos de falla más comunes para los sellos rotativos de alta velocidad son:

• Acumulación excesiva de calor en el labio de sellado que provoca endurecimiento, extrusión o pérdida de propiedades elastoméricas.
• Fugas debido al desgaste del labio, desgaste de la ranura o pérdida de precarga debido al descentramiento del eje.
• Abrasión y transferencia de material por polvo/contaminantes o fluidos incompatibles.
• Fretting inducido por vibración o pérdida catastrófica cuando el desequilibrio excita la resonancia.

La comprensión de estos modos deja en claro que las pruebas dinámicas in situ y en banco (bajo condiciones de velocidad, presión y temperatura del eje representativas) son esenciales para validar una solución de sellado.

Impacto en la confiabilidad y el ciclo de vida

Las pruebas dinámicas conectan los resultados de laboratorio con la fiabilidad en campo. Las métricas que siempre registro son las fugas (ml/min o gotas/min), el par de fricción en estado estacionario (N·m), el aumento de temperatura en el labio (°C) y la amplitud de vibración (mm o g). Estas se correlacionan estrechamente con la vida útil del sello. En maquinaria rotativa, un sello que mantiene un nivel aceptable de fugas y un par de fricción estable en el rango de RPM y presión requeridos generalmente ofrecerá una vida útil predecible.

Métodos de prueba clave para sellos rotativos de alta velocidad

Pruebas de fugas y tribología

Las pruebas de fugas deben realizarse con velocidad del eje, presión y temperatura del fluido controladas. Realizo pruebas escalonadas donde la presión y la velocidad se incrementan gradualmente y se registra la fuga en cada paso una vez alcanzado el estado estacionario (normalmente de 10 a 30 minutos, dependiendo de la inercia térmica del sistema). Las pruebas tribológicas consisten en medir el par estacionario y de arranque mediante un transductor de par calibrado en la carcasa del sello.

Las referencias estándar para las dimensiones y tolerancias de juntas tóricas y sellos incluyen la norma ISO 3601; para obtener información general sobre sellos, consulte los manuales técnicos de los proveedores, como el Manual de Juntas Tóricas de Parker. Consulte el resumen de la norma ISO:ISO 3601 - Energía fluida — Juntas tóricas.

Medición térmica y de fricción

Utilizo termopares integrados cerca del labio y termografía infrarroja de superficie para mapear los puntos calientes mientras el eje gira a las RPM objetivo. Un gráfico de temperatura vs. tiempo a velocidad constante revela el comportamiento de rodaje y ayuda a detectar lubricación insuficiente o fricción excesiva. La instrumentación típica incluye:

• Transductor de par de alta resolución (calibrado).
• Termopares o RTD tipo K de respuesta rápida.
• Cámara infrarroja para mapeo térmico visual.

La velocidad periférica (velocidad superficial) es crítica; utilice la fórmula V = π·D·n/60 (V en m/s, D en metros, n en RPM). Por ejemplo, un eje de 50 mm (D = 0,05 m) a 20 000 RPM tiene V = π·0,05·20 000/60 ≈ 52,36 m/s. Este cálculo ayuda a determinar si una junta de labio elastomérica es adecuada o si se requiere una junta de cara de PTFE/compuesto o mecánica.

Análisis de vibraciones y descentramiento

El balanceo y el control del descentramiento son vitales. Un descentramiento excesivo del eje en la cara del sello genera fuerzas de contacto cíclicas y acelera el desgaste. Recomiendo medir el descentramiento radial y axial con un comparador de carátula o sensores de desplazamiento y registrar los espectros de vibración con un acelerómetro. Se utilizan estándares de desequilibrio comoISO 1940Guía de calidad de equilibrio aceptable para componentes rotatorios; la corrección del desequilibrio reduce drásticamente las cargas dinámicas del sello.

Técnicas de equilibrio y configuración práctica

Equilibrio estático vs. dinámico

El equilibrado estático elimina la excentricidad de masa en un solo plano; el equilibrado dinámico corrige el desequilibrio en dos planos y es esencial para conjuntos que operan a altas velocidades. Para muchos conjuntos de sellos rotativos de alta velocidad, utilizo un enfoque de dos pasos:

1. Comprobación estática y corrección gruesa (pesos o mecanizado).
2. Equilibrado dinámico en una máquina equilibradora a la velocidad de operación o cerca de ella, siguiendo las correcciones según las tolerancias ISO 1940.

El equilibrio dinámico es especialmente importante cuando el conjunto del sello incluye adaptadores de metal, portadores de PTFE o carcasas rígidas que pueden amplificar las fuerzas de desequilibrio.

Procedimiento de instrumentación y equilibrado

Un flujo de trabajo de equilibrio práctico que utilizo:

1. Instrumente el rotor con dos acelerómetros o un captador de referencia monofásico.
2. Gire a velocidades incrementales hasta las RPM de operación y registre la amplitud y fase de la vibración.
3. Calcule las masas de corrección necesarias y sus posiciones angulares utilizando el software de la máquina equilibradora o la matemática de equilibrado de dos planos estándar.
4. Aplique correcciones, vuelva a probar e itere hasta que la vibración y el desequilibrio caigan por debajo de los valores objetivo especificados para la aplicación.

Para validar el sello, realice el balanceo con el sello instalado cuando sea posible (conjunto representativo), porque la propia geometría y distribución de masa del sello pueden influir en el balance y el descentramiento del rotor.

Estudio de caso: equilibrio de un conjunto de sello rotatorio de PTFE

En una ocasión, equilibré un conjunto de sello de eje rotatorio revestido de PTFE para un compresor de 25 000 RPM. Utilizando la fórmula V = π·D·n/60, calculamos una velocidad periférica superior a 50 m/s, por lo que seleccionamos un material de labio relleno de PTFE. En un equilibrador dinámico, detectamos un desequilibrio en dos planos equivalente a 0,35 g·mm; tras añadir masas de corrección y remecanizar una pequeña excentricidad en el soporte de PTFE, la vibración a velocidad de funcionamiento se redujo en un 78 % y la temperatura del sello en 12 °C, lo que prolongó la vida útil prevista en más de tres veces, según los índices de desgaste de rodaje medidos en las pruebas iniciales.

Selección de materiales, consejos de diseño y capacidades de Polypac

Comparación e idoneidad de materiales

La elección del material es un factor determinante para el rendimiento a alta velocidad. Comparo materiales según su rango de temperatura, compatibilidad química, dureza y velocidad periférica admisible. La siguiente tabla resume las propiedades representativas y los casos de uso adecuados; los valores son una guía típica de la industria y deben validarse para su fluido y condiciones de operación.

Fuentes: hojas de datos del fabricante y literatura técnica de la industria (consulte las páginas técnicas de los proveedores, comoSellos rotativos Trelleborgy orientación general sobre sellos mecánicosWikipedia).

Mejores prácticas de diseño e instalación

De mis proyectos destaco estos pasos prácticos:

• Acabado de la superficie del eje de control: se recomienda un Ra típicamente de 0,2 a 0,8 μm para sellos basados ​​en PTFE y de 0,4 a 1,6 μm para labios elastoméricos para equilibrar el asentamiento y las fugas.
• Especifique las holguras radiales y axiales correctas y el soporte del anillo de respaldo para evitar la extrusión en picos de presión.
• Asegúrese de que la carcasa esté bien alineada y retenida para evitar la distorsión del sello durante el montaje.
• Utilice protocolos de rodaje: comience a velocidad y presión reducidas durante las primeras horas para estabilizar las superficies de contacto antes de pasar a las condiciones de servicio.

Polypac: fabricación, I+D y gama de productos

Polypac es un fabricante científico-técnico de sellos hidráulicos y proveedor de sellos de aceite, especializado en la producción de sellos, el desarrollo de materiales de sellado y soluciones de sellado personalizadas para condiciones de trabajo especiales. Fundada en 2008, Polypac comenzó con sellos de PTFE rellenos (PTFE relleno de bronce, PTFE relleno de carbono, PTFE relleno de grafito, PTFE relleno de MoS₂ y PTFE relleno de vidrio) y ahora también produce juntas tóricas de NBR, FKM, silicona, EPDM y FFKM.

La fábrica de anillos de caucho y juntas tóricas personalizadas de Polypac abarca más de 10.000 m², con 8.000 m² de espacio de fabricación. Nuestros equipos de producción y pruebas se encuentran entre los más avanzados del sector, y mantenemos una colaboración a largo plazo con universidades e instituciones de investigación nacionales e internacionales. Nuestros productos principales incluyen juntas tóricas, sellos de vástago, sellos de pistón, sellos de resorte de cara final, sellos de rascador, sellos rotativos, anillos de respaldo y anillos antipolvo. Estas capacidades respaldan mi enfoque recomendado de validar materiales y diseños en bancos de pruebas representativos antes de su implementación en campo.

Las ventajas de Polypac son: amplia experiencia en compuestos de PTFE, amplia gama de elastómeros, moldeo y mecanizado internos, y un laboratorio de pruebas avanzado capaz de realizar pruebas dinámicas de fugas, fricción, térmicas y de resistencia, lo que nos permite vincular las métricas de laboratorio directamente con la vida útil esperada en campo. Para aplicaciones complejas de alta velocidad, suelo confiar en proveedores con este nivel de capacidad vertical para crear sistemas de sellado optimizados, en lugar de solo piezas estándar.

Lista de verificación práctica y ejemplo de cálculo

Lista de verificación previa a la prueba

• Recopile datos sobre la geometría del eje, el acabado de la superficie, el descentramiento y el material.
• Seleccione los materiales y geometrías del sello candidato (tipo de labio, precarga del resorte, características de respaldo).
• Preparar instrumentación: sensor de par, termopares, cámara IR, acelerómetros.
• Definir matriz de prueba: pasos de velocidad, pasos de presión, puntos de ajuste de temperatura, duración por paso.
• Incluya criterios de aceptación: fuga máxima, aumento máximo de temperatura, vibración permitida.

Ejemplo: cálculo de la velocidad periférica

Utilice V = π·D·n/60. Para un eje de 40 mm a 18.000 RPM:

V = π × 0,04 m × 18000 / 60 ≈ π × 0,04 × 300 = π × 12 ≈ 37,7 m/s.

Esta velocidad periférica determina si es más apropiado un labio elastomérico o un sello de PTFE/compuesto. A ~38 m/s, generalmente especificaría un labio de PTFE relleno o un compuesto de labio especializado de alta velocidad, y planificaría un equilibrado dinámico y un rodaje conservador.

Preguntas frecuentes sobre sellos rotativos de alta velocidad

1. ¿Qué define un sello rotatorio de alta velocidad?

La alta velocidad depende de la aplicación, pero generalmente se refiere a escenarios donde las velocidades periféricas superan los 20–30 m/s. A estas velocidades, los efectos térmicos, el calentamiento por fricción y el desequilibrio dinámico se convierten en factores críticos de diseño.

2. ¿Cómo sé si mi sello necesita equilibrado dinámico?

Si el conjunto funciona a altas RPM (donde la velocidad periférica es elevada), o si la vibración o el descentramiento superan los límites aceptables, se recomienda el equilibrado dinámico del rotor y el conjunto de sellos representativo. La norma ISO 1940 proporciona orientación sobre las expectativas de calidad del equilibrado.ISO 1940).

3. ¿Se pueden utilizar sellos elastoméricos a velocidades muy altas?

Los sellos elastoméricos presentan limitaciones debido a la acumulación de calor y el desgaste. Para velocidades periféricas muy altas (>30–40 m/s), los sellos de PTFE o de PTFE relleno, o los sellos mecánicos de cara, suelen ser mejores opciones, dependiendo de la presión y la compatibilidad del fluido.

4. ¿Qué pruebas predicen mejor el rendimiento en campo?

Las pruebas combinadas de fugas, par de fricción en estado estacionario, mapeo de temperatura y vibración/desplazamiento a velocidades y presiones representativas son las más predictivas. Las pruebas de rodaje controladas ofrecen información adicional sobre las tasas de desgaste a largo plazo.

5. ¿Cómo debo seleccionar el material de sellado para fluidos específicos?

Consulte las tablas de compatibilidad química y las fichas técnicas de los proveedores, y valide con pruebas de banco a temperatura y presión de funcionamiento. Para fluidos críticos o agresivos, se suelen utilizar opciones de FFKM o PTFE reforzado; para sistemas de aceite hidráulico, las variantes de FKM o NBR suelen ser adecuadas según la temperatura.

Contacto y próximos pasos

Si necesita ayuda para especificar o validar sellos rotativos de alta velocidad, le recomiendo realizar un breve programa de pruebas de calificación que incluya mediciones de fugas, torque, temperatura y vibración según sus criterios de aceptación. Para soluciones personalizadas, Polypac ofrece desarrollo de materiales, prototipos y servicios de pruebas dinámicas. Contacte con Polypac para hablar sobre la selección de productos, los protocolos de rodaje y la validación in situ, o para solicitar hojas de datos y capacidades de prueba adaptadas a su aplicación.

Llamada a la acción: Para realizar una consulta o ver las especificaciones del producto (juntas tóricas, sellos de varilla, sellos de pistón, sellos de resorte de cara final, sellos raspadores, sellos rotativos, anillos de respaldo, anillos antipolvo), comuníquese con el equipo técnico de Polypac para organizar una revisión técnica y un plan de prueba personalizado.