Estudio de caso: Optimización del montaje y desmontaje de rodamientos mediante la tecnología de calentamiento por inducción
Resumen ejecutivo
Este estudio de caso examina cómo la planta de fabricación de Volvo Construction Equipment en Eskilstuna, Suecia, implantó un sistema de calentamiento por inducción para optimizar sus procesos de montaje y desmontaje de rodamientos. La transición de los métodos tradicionales de calentamiento por llama a la tecnología de inducción de precisión dio como resultado una reducción de 68% en el tiempo de montaje, un ahorro de energía de 42% y la eliminación virtual de daños en los rodamientos durante la instalación. El proyecto alcanzó el ROI en 9,3 meses y mejoró significativamente las métricas de calidad de la producción.
Fondo
Perfil de la empresa
Volvo Construction Equipment (Volvo CE) fabrica componentes de maquinaria pesada que requieren un ajuste preciso de los cojinetes para obtener un rendimiento y una durabilidad óptimos. Su planta de Eskilstuna está especializada en conjuntos de transmisión para cargadoras de ruedas y dúmperes articulados.
Desafío
Antes de la implantación, Volvo CE utilizaba los siguientes métodos de instalación de rodamientos:
- Calefacción por llama de gas para grandes rodamientos
- Baños de aceite para rodamientos medios
- Prensado mecánico para componentes pequeños
Estos métodos presentaban varios retos:
- Calentamiento incoherente que provoca variaciones dimensionales
- Peligros para la seguridad en el trabajo derivados de las llamas y el aceite caliente
- Preocupación medioambiental por el vertido de petróleo
- Daños frecuentes en los rodamientos durante la instalación
- Ciclos de calentamiento prolongados que afectan al flujo de producción
Aplicación del sistema de calentamiento por inducción
Selección del sistema y especificaciones
Tras evaluar a varios proveedores, Volvo CE seleccionó un sistema EFD Induction MINAC 18/25 con las siguientes especificaciones:
Tabla 1: Especificaciones del sistema de calentamiento por inducción
| Parámetro | Especificación | Notas |
|---|---|---|
| Modelo | MINAC 18/25 | Calentador de inducción móvil |
| Potencia de salida | 18 kW | Frecuencia variable |
| Tensión de entrada | 400 V, trifásico | Compatible con el suministro de fábrica |
| Gama de frecuencias | 10-40 kHz | Optimización automática |
| Ciclo de trabajo | 100% @ 18 kW | Capacidad de funcionamiento continuo |
| Sistema de refrigeración | Refrigeración por agua | Refrigerador de circuito cerrado |
| Interfaz de control | PLC con pantalla táctil | Control de temperatura y tiempo |
| Temperatura | 20-350°C | Control de precisión ±3°C |
| Serpentines de calefacción | 5 intercambiables | Dimensionado para la gama de rodamientos |
| Control de la temperatura | Pirómetro de infrarrojos | Medición sin contacto |
Aplicación del proceso
La aplicación se centró en los rodamientos utilizados en conjuntos de cajas de cambios con las siguientes características:
Tabla 2: Especificaciones de los rodamientos en la aplicación
| Tipo de rodamiento | Diámetro interior (mm) | Diámetro exterior (mm) | Peso (kg) | Ajuste de interferencia (μm) | Expansión requerida (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Rodillos cilíndricos | 110 | 170 | 4.2 | 40-60 | 0.12-0.18 |
| Rodillo esférico | 150 | 225 | 8.7 | 50-75 | 0.15-0.23 |
| Contacto angular | 85 | 130 | 2.1 | 30-45 | 0.09-0.14 |
| Rodillos cónicos | 120 | 180 | 5.3 | 45-65 | 0.14-0.20 |
| Bola de ranura profunda | 95 | 145 | 2.8 | 25-40 | 0.08-0.12 |
Recogida y análisis de datos
Análisis del perfil de calefacción
Los ingenieros desarrollaron perfiles de calentamiento optimizados para cada tipo de rodamiento:
Tabla 3: Perfiles de calefacción optimizados
| Tipo de rodamiento | Temperatura objetivo (°C) | Velocidad de rampa (°C/s) | Tiempo de espera (s) | Ciclo total (s) | Ajuste de potencia (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| Rodillos cilíndricos | 120 | 4.0 | 15 | 45 | 65 |
| Rodillo esférico | 130 | 3.5 | 25 | 62 | 80 |
| Contacto angular | 110 | 4.5 | 10 | 35 | 55 |
| Rodillos cónicos | 125 | 3.8 | 20 | 53 | 70 |
| Bola de ranura profunda | 105 | 5.0 | 8 | 29 | 50 |
Análisis comparativo de procesos
Se realizó una comparación directa entre los métodos tradicionales y calentamiento por inducción:
Cuadro 4: Resultados de la comparación de procesos
| Métrica | Calefacción de llama | Baño de aceite | Calentamiento por inducción | Mejora vs. Llama | Mejora vs. Baño de aceite |
|---|---|---|---|---|---|
| Tiempo medio de calentamiento (min) | 12.5 | 18.2 | 4.0 | 68% | 78% |
| Variación de la temperatura (°C) | ±15 | ±8 | ±3 | 80% | 63% |
| Consumo de energía (kWh/rodamiento) | 3.8 | 5.2 | 2.2 | 42% | 58% |
| Índice de daños en los rodamientos (%) | 4.2% | 2.1% | 0.3% | 93% | 86% |
| Horas de trabajo (por 100 rodamientos) | 25 | 30 | 12 | 52% | 60% |
| Tiempo de configuración/cambio (min) | 35 | 45 | 8 | 77% | 82% |
Análisis del impacto de la calidad
La aplicación mejoró significativamente las métricas de calidad del montaje:
Cuadro 5: Métricas de calidad antes y después de la aplicación
| Métrica de calidad | Antes de la aplicación | Después de la aplicación | Mejora |
|---|---|---|---|
| Precisión dimensional Desviación (μm) | 22 | 7 | 68% |
| Desviación del rodamiento (μm) | 18 | 6 | 67% |
| Fallos prematuros de los rodamientos (por 1000) | 5.8 | 1.2 | 79% |
| Tasa de trabajo de montaje (%) | 3.2% | 0.7% | 78% |
| Rendimiento de la primera pasada (%) | 94.3% | 99.1% | 5.1% |
Análisis del ROI
Cuadro 6: Análisis del impacto financiero
| Factor coste/beneficio | Valor anual (USD) |
|---|---|
| Inversión en equipos | $87.500 (una sola vez) |
| Instalación y formación | $12.300 (una sola vez) |
| Reducción de costes energéticos | $18,400 |
| Ahorro de costes laborales | $42,600 |
| Reducción de desechos/trabajos | $31,200 |
| Costes de mantenimiento | $4,800 |
| Beneficio neto anual | $87,400 |
| Periodo de amortización | 9,3 meses |
| Retorno de la inversión a 5 años | 432% |
Detalles técnicos de la aplicación
Optimización del diseño de la bobina
Se diseñaron bobinas a medida para diferentes familias de rodamientos:
Tabla 7: Especificaciones de diseño de la bobina
| Tipo de bobina | Diámetro interior (mm) | Longitud (mm) | Gira | Calibre del cable (mm) | Alcance del objetivo (mm) |
|---|---|---|---|---|---|
| Tipo A | 180 | 50 | 6 | 8 | 140-190 OD |
| Tipo B | 230 | 60 | 8 | 10 | 190-240 OD |
| Tipo C | 140 | 40 | 5 | 6 | 110-150 OD |
| Tipo D | 290 | 75 | 10 | 12 | 240-300 OD |
| Universal (ajustable) | 180-320 | 60 | 8 | 10 | Urgencias/especialidades |
Parámetros de control de la temperatura
El sistema utilizaba algoritmos avanzados de control de la temperatura:
Tabla 8: Parámetros de control de temperatura
| Parámetro de control | Configuración | Función |
|---|---|---|
| Banda proporcional PID | 12% | Sensibilidad de respuesta |
| Tiempo integral PID | 0.8s | Tasa de corrección de errores |
| Tiempo derivativo PID | 0.15s | Respuesta al tipo de cambio |
| Limitación de potencia | 85% | Evita el sobrecalentamiento |
| Frecuencia de muestreo de temperatura | 10 Hz | Frecuencia de medición |
| Distancia del pirómetro | 150 mm | Posición óptima de medición |
| Ajuste de la emisividad | 0.82 | Calibrado para acero para rodamientos |
| Umbral de alarma de temperatura | +15°C | Protección contra sobretemperatura |
| Precisión del control | ±3°C | Dentro del rango operativo |
Optimización del proceso de desmontaje
El sistema también se utilizó para la eliminación de rodamientos con estos parámetros:
Tabla 9: Parámetros del proceso de desmontaje
| Tipo de rodamiento | Temperatura objetivo (°C) | Duración del ciclo (s) | Ajuste de potencia (%) | Se requiere utillaje especial |
|---|---|---|---|---|
| Rodillos cilíndricos | 130 | 50 | 75 | Placa de extracción |
| Rodillo esférico | 140 | 70 | 85 | Extractor hidráulico |
| Contacto angular | 120 | 40 | 65 | Extractor estándar |
| Rodillos cónicos | 135 | 60 | 80 | Adaptadores cónicos |
| Bola de ranura profunda | 115 | 35 | 60 | Extractor estándar |
Lecciones aprendidas y buenas prácticas
- Control de la temperatura: La medición por infrarrojos sin contacto resultó más fiable que los termopares de contacto.
- Diseño de la bobina: Las bobinas específicas para cada rodamiento mejoran la eficiencia respecto a los diseños universales.
- Formación de operadores: La formación integral redujo la variación del proceso en 67%.
- Manipulación de materiales: Las fijaciones personalizadas reducen la manipulación de los rodamientos y mejoran la seguridad.
- Documentación de procesos: Las instrucciones de trabajo detalladas con guías visuales mejoran la coherencia.
Conclusión
La aplicación de tecnología de calentamiento por inducción en las instalaciones de Volvo CE en Eskilstuna transformó sus procesos de montaje y desmontaje de rodamientos. El control preciso de la temperatura, la reducción de los tiempos de ciclo y la mejora de la seguridad se tradujeron en importantes mejoras de la calidad y ahorros de costes. Desde entonces, la tecnología se ha implantado en múltiples instalaciones de Volvo CE en todo el mundo, con resultados positivos similares.
Los datos demuestran claramente que la tecnología de calentamiento por inducción ofrece un rendimiento superior para la instalación y retirada de rodamientos en comparación con los métodos tradicionales, con mejoras cuantificables en el control del proceso, la eficiencia energética y la calidad del producto.