Cojinete de fluido

La lubricación hidrodinámica (HD) , también conocida como lubricación por película fluida, tiene elementos esenciales:

1. Un lubricante , que debe ser un fluido viscoso .
2. Comportamiento del flujo hidrodinámico del fluido entre el cojinete y el muñón.
3. Las superficies entre las que se mueven las películas de fluido deben ser convergentes.

La lubricación hidrodinámica (de película completa) se obtiene cuando dos superficies de contacto están completamente separadas por una película cohesiva de lubricante.

El espesor de la película supera así la rugosidad combinada de las superficies. El coeficiente de fricción es menor que con la lubricación por capa límite. La lubricación hidrodinámica previene el desgaste de las piezas móviles y evita el contacto metal con metal.

La lubricación hidrodinámica requiere películas de fluido delgadas y convergentes. Estos fluidos pueden ser líquidos o gaseosos, siempre que presenten viscosidad. En los ventiladores de las computadoras y en dispositivos giratorios, como los discos duros , los cabezales se lubrican mediante lubricación hidrodinámica, donde la película de fluido es la atmósfera.

El tamaño de estas películas es del orden de micrómetros. Su convergencia crea presiones perpendiculares a las superficies con las que entran en contacto, lo que provoca que se separen.

Existen tres tipos de rodamientos:

• Autoactivas: La película existe debido al movimiento relativo. Por ejemplo, cojinetes de ranura en espiral .
• Película de compresión: La película existe debido al movimiento normal relativo.
• Presurizado externamente: La película existe debido a la presurización externa.

Conceptualmente, los cojinetes pueden considerarse como dos clases geométricas principales: cojinete-muñón (antifricción) y plano-deslizador (fricción).

Las ecuaciones de Reynolds pueden utilizarse para derivar los principios que rigen el comportamiento de los fluidos. Cabe destacar que, cuando se utilizan gases, su derivación es mucho más compleja.

Se puede considerar que las películas delgadas están sometidas a presiones y fuerzas viscosas. Debido a la diferencia de velocidad, habrá una diferencia en los vectores de tracción superficial. Gracias a la conservación de la masa, también podemos suponer un aumento de la presión, lo que provoca que las fuerzas volumétricas varíen.

• Lubricación hidrodinámica – características:
  1. La película de fluido en el punto de espesor mínimo disminuye de espesor a medida que aumenta la carga.
  2. La presión dentro de la masa de fluido aumenta a medida que disminuye el espesor de la película debido a la carga.
  3. La presión dentro de la masa de fluido es mayor en algún punto cercano a la holgura mínima y menor en el punto de holgura máxima (debido a la divergencia).
  4. La viscosidad aumenta a medida que aumenta la presión (mayor resistencia al corte).
  5. El espesor de la película en el punto de mínima separación aumenta con el uso de fluidos más viscosos.
  6. Con la misma carga, la presión aumenta a medida que aumenta la viscosidad del fluido.
  7. Con una carga y un fluido determinados, el espesor de la película aumentará a medida que aumente la velocidad.
  8. La fricción del fluido aumenta a medida que aumenta la viscosidad del lubricante.
• Condición hidrodinámica – Velocidad del fluido:
  1. La velocidad del fluido depende de la velocidad del cojinete o del rodillo.
  2. El aumento de la velocidad relativa tiende a disminuir la excentricidad de los centros de los cojinetes de deslizamiento.
  3. Esto va acompañado de un mayor espesor mínimo de la película.
• Condición hidrodinámica – carga:
  1. El aumento de la carga disminuye el espesor mínimo de la película.
  2. También aumenta la presión dentro de la masa de la película para proporcionar una fuerza contraria.
  3. La presión actúa en todas direcciones, por lo que tiende a expulsar el aceite por los extremos del cojinete.
  4. El aumento de presión aumenta la viscosidad del fluido.

Número característico del cojinete: Dado que la viscosidad, la velocidad y la carga determinan las características de una condición hidrodinámica, se desarrolló un número característico del cojinete basado en los efectos de estos factores sobre el espesor de la película.

El aumento de la velocidad aumenta el espesor mínimo de la película.

El aumento de la viscosidad aumenta el espesor mínimo de la película.

El aumento de la carga disminuye el espesor mínimo de la película.

Por lo tanto,

Viscosidad × velocidad/carga unitaria = un número adimensional = C

C se conoce como el número característico del rodamiento .

El valor de C , en cierta medida, indica si habrá lubricación hidrodinámica o no.

• Los cojinetes deben mantener la presión para evitar el desgaste, y los de tipo hidrostático pueden quedar completamente inmóviles cuando se despresurizan.
• El consumo energético total suele ser mayor en comparación con los rodamientos de bolas, ya que la menor fricción del sistema de fluidos puede verse contrarrestada por los requisitos energéticos del sistema de mantenimiento de fluidos.
• El consumo de energía y la rigidez o amortiguación varían considerablemente con la temperatura en comparación con otros cojinetes mecánicos, y los cojinetes hidráulicos no pueden funcionar a las temperaturas extremadamente bajas necesarias para algunas aplicaciones especializadas de investigación científica.
• Muchos tipos de cojinetes hidráulicos pueden atascarse de forma catastrófica en situaciones de impacto o pérdida inesperada de presión de suministro. Los cojinetes de bolas se deterioran más gradualmente y presentan síntomas acústicos.
• El giro de media frecuencia es una inestabilidad del rodamiento que genera una precesión excéntrica que puede provocar un rendimiento deficiente y una vida útil reducida, similar a la vibración de frecuencia de jaula en un rodamiento de bolas.
• Las fugas de fluidos pueden suponer un problema para los cojinetes de tipo líquido, y en algunas situaciones puede ser necesario recuperar el vacío y filtrar el fluido.
• Algunos tipos de fluidos, como el aceite o el mercurio, pueden provocar contaminación ambiental y requieren una remediación exhaustiva tras una fuga o la desactivación de los aparatos.
• Las almohadillas de los cojinetes hidráulicos a menudo deben utilizarse en pares o tríos para evitar que el cojinete se incline y pierda el fluido por un lado.

Los cojinetes de lámina son un tipo de cojinete neumático fluidodinámico que Garrett AiResearch introdujo en aplicaciones de turbinas de alta velocidad en la década de 1960. Utilizan un gas como fluido de trabajo, generalmente aire, y no requieren un sistema de presurización externo, pero necesitan un diseño cuidadoso para evitar el desgaste durante el arranque y la parada, cuando el cojinete entra en contacto físico.

Los cojinetes de caucho lubricados con agua tienen una carcasa metálica cilíndrica larga que aloja múltiples láminas de caucho separadas por ranuras axiales. El uso de este tipo de cojinete presenta tres ventajas principales: (i) el agua bombeada que circula por el cojinete se utiliza convenientemente como lubricante, lo que reduce el costo de operación de la bomba; (ii) el flujo de agua elimina el calor y las partículas finas a través de las ranuras del cojinete; y (iii) la elasticidad natural del caucho le confiere al cojinete buenas propiedades de absorción de impactos y vibraciones, así como resistencia al desgaste. Los cojinetes de caucho lubricados con agua funcionan bajo condiciones de lubricación mixta. ^{[ 5 ]}

A diferencia de los rodamientos de rodillos de contacto, un cojinete neumático (o cojinete de aire ) utiliza una fina película de aire a presión para proporcionar una interfaz de soporte de carga con una fricción extremadamente baja entre las superficies. Las dos superficies no entran en contacto. Al no tener contacto directo, los cojinetes neumáticos evitan los problemas tradicionales de fricción, desgaste, partículas y lubricación asociados a los rodamientos convencionales, y ofrecen claras ventajas en el posicionamiento de precisión, como la ausencia de holgura y adherencia, así como en aplicaciones de alta velocidad.

La película fluida del cojinete es aire que fluye a través del mismo hasta su superficie. El diseño del cojinete neumático permite que, si bien el aire escapa constantemente por el espacio entre las caras del cojinete, la presión sea suficiente para soportar las cargas de trabajo. Esta presión puede generarse externamente (aerostática) o internamente (aerodinámica).

Los cojinetes aerodinámicos solo pueden utilizarse en aplicaciones de alta velocidad, mientras que los cojinetes aerostáticos son necesarios para soportar cargas a baja velocidad. Ambos tipos requieren superficies con un acabado impecable y una fabricación precisa.

Los cojinetes de almohadilla basculante fluidodinámicos Michell/Kingsbury fueron inventados de forma independiente y casi simultánea por el británico-australiano Anthony George Maldon Michell y el tribólogo estadounidense Albert Kingsbury . Ambos diseños eran prácticamente idénticos, salvo por las diferencias en el método de pivoteo de las almohadillas. Michell derivó matemáticamente la distribución de presión donde se ubicaba un pivote lineal transversal, lo que permitía que la carga actuara a través del punto de máxima presión del fluido. La patente de Kingsbury carecía de este método matemático, y el punto de pivote de la almohadilla se ubicaba en el centro geométrico del cojinete. ^{[ 6 ]} La patente de Michell (en Gran Bretaña y Australia) se concedió en 1905, mientras que el primer intento de patente de Kingsbury fue en 1907. La patente estadounidense de Kingsbury se concedió finalmente en 1911, tras demostrar que llevaba muchos años trabajando en el concepto. Como afirmó Sydney Walker, antiguo empleado de Michell, la concesión de la patente de Kingsbury fue «un golpe que a Michell le costó aceptar».

El cojinete tiene zapatas seccionadas o almohadillas sobre pivotes. Cuando el cojinete está en funcionamiento, la parte giratoria transporta aceite nuevo a la zona de la almohadilla mediante fricción viscosa . La presión del fluido provoca una ligera inclinación de la almohadilla, creando una estrecha constricción entre la zapata y la otra superficie del cojinete. Detrás de esta constricción se forma una cuña de fluido a presión, separando las partes móviles. La inclinación de la almohadilla se adapta a la carga y la velocidad del cojinete. Diversos detalles de diseño garantizan la reposición continua del aceite para evitar el sobrecalentamiento y el daño de la almohadilla. ^{[ 7 ]}

Los cojinetes hidráulicos Michell/Kingsbury se utilizan en una amplia variedad de equipos rotativos de alta resistencia, incluyendo centrales hidroeléctricas para soportar turbinas y generadores que pesan cientos de toneladas. También se emplean en maquinaria muy pesada, como ejes de hélices marinas .

Es probable que el primer cojinete de almohadilla basculante en servicio fuera construido en 1907 por George Weymoth (Pty) Ltd (bajo la dirección de AGM Michell) para una bomba centrífuga en Cohuna, en el río Murray, Victoria, Australia, tan solo dos años después de que Michell publicara y patentara su solución tridimensional a la ecuación de Reynolds . Para 1913, las grandes ventajas del cojinete de almohadilla basculante ya se habían reconocido para aplicaciones marinas. El primer barco británico equipado con este cojinete fue el vapor Paris , que cruzaba el Canal de la Mancha , pero muchos buques de guerra fueron equipados de forma similar durante la Primera Guerra Mundial . Los resultados prácticos fueron espectaculares: el problemático bloque de empuje se volvió mucho más pequeño y ligero, significativamente más eficiente y prácticamente libre de problemas de mantenimiento. Se estima que la Marina Real ahorró carbón por un valor de 500.000 libras esterlinas solo en 1918 como resultado de la instalación de los cojinetes de almohadilla basculante de Michell.

Según la ASME , el primer cojinete hidráulico Michell/Kingsbury en Estados Unidos se instaló en la central hidroeléctrica de Holtwood (en el río Susquehanna , cerca de Lancaster , Pensilvania, EE. UU.) en 1912. Este cojinete de 2,25 toneladas soporta una turbina hidráulica y un generador eléctrico con una masa giratoria de aproximadamente 165 toneladas, a las que se suma la presión de la turbina hidráulica, que añade otras 40 toneladas. El cojinete ha estado en servicio casi continuo desde 1912, sin que se haya reemplazado ninguna pieza. La ASME informó que seguía en funcionamiento en el año 2000. En 2002, el fabricante estimó que los cojinetes de Holtwood tendrían una vida útil sin mantenimiento de aproximadamente 1300 años.

Hasta ahora, los cojinetes de almohadillas basculantes desempeñan un papel esencial en equipos rotativos como expansores, bombas, turbinas de gas o vapor o compresores. Además de los tradicionales cojinetes de babbitt, utilizados desde principios del siglo XX, fabricantes modernos como Miba también emplean otros materiales, como bronce o cobre-cromo, para mejorar el rendimiento de los cojinetes. ^{[ 8 ]}