Cojinete fluido

Los cojinetes fluidos son cojinetes en los que la carga está soportada por una fina capa de líquido o gas presurizado que se mueve rápidamente entre las superficies de los cojinetes. Dado que no hay contacto entre las partes móviles, no hay fricción por deslizamiento, lo que permite que los rodamientos fluidos tengan menor fricción, desgaste y vibración que muchos otros tipos de rodamientos. Por lo tanto, es posible que algunos cojinetes de fluidos tengan un desgaste cercano a cero si se operan correctamente.

En términos generales, se pueden clasificar en dos tipos: cojinetes fluidodinámicos (también conocidos como cojinetes hidrodinámicos) y cojinetes hidrostáticos. Los cojinetes hidrostáticos son cojinetes de fluido presurizados externamente, donde el fluido suele ser aceite, agua o aire, y se presuriza mediante una bomba. Los cojinetes hidrodinámicos se basan en la alta velocidad del muñón (la parte del eje que descansa sobre el fluido) para presurizar el fluido en una cuña entre las caras. Los rodamientos fluidos se utilizan con frecuencia en aplicaciones de alta carga, alta velocidad o alta precisión en las que los rodamientos de bolas ordinarios habrían acortado la vida útil o causado mucho ruido y vibración. También se utilizan cada vez más para reducir costes. Por ejemplo, los cojinetes de fluidos del motor de la unidad de disco duro son más silenciosos y económicos que los cojinetes de bolas a los que reemplazan. Las aplicaciones son muy versátiles e incluso se pueden utilizar en geometrías complejas como husillos.

El cojinete fluido puede haber sido inventado por el ingeniero civil francés L. D. Girard, quien en 1852 propuso un sistema de propulsión ferroviaria que incorporaba cojinetes hidráulicos alimentados por agua.

Operación

Los cojinetes de fluido son cojinetes sin contacto que usan una capa delgada de fluido líquido o gas presurizado que se mueve rápidamente entre las caras del cojinete en movimiento, generalmente selladas alrededor o debajo del eje giratorio. Las partes móviles no entran en contacto, por lo que no hay fricción por deslizamiento; la fuerza de carga es soportada únicamente por la presión del fluido en movimiento. Hay dos formas principales de introducir el fluido en el cojinete:

• In líquido estático, hidrostática y muchos gas o rodamientos de aire, el líquido se bombea a través de un orificio o a través de un material poroso. Estos rodamientos deben estar equipados con el sistema de control de posición del eje, que ajusta la presión del fluido y el consumo según la velocidad de rotación y la carga del eje.
• In rodamientos dinamicos líquidos, la rotación del rodamiento chupa el líquido en la superficie interior del rodamiento, formando una cuña lubricante debajo o alrededor del eje.

Los cojinetes hidrostáticos dependen de una bomba externa. La potencia requerida por esa bomba contribuye a la pérdida de energía del sistema, tal como lo haría la fricción del cojinete. Mejores sellos pueden reducir las tasas de fuga y la potencia de bombeo, pero pueden aumentar la fricción.

Los cojinetes hidrodinámicos se basan en el movimiento del cojinete para aspirar fluido hacia el cojinete y pueden tener una alta fricción y una vida útil corta a velocidades inferiores a las del diseño, o durante arranques y paradas. Se puede utilizar una bomba externa o un cojinete secundario para el arranque y el apagado para evitar daños en el cojinete hidrodinámico. Un cojinete secundario puede tener una alta fricción y una vida útil corta, pero una buena vida útil general si los arranques y paradas del cojinete son poco frecuentes.

Lubricación hidrodinámica

La lubricación hidrodinámica (HDi>lubricación, también conocida como lubricación de película fluida tiene elementos esenciales:

1. Un lubricante, que debe ser un líquido viscoso.
2. Comportamiento de flujo hidrodinámico de fluido entre rodamiento y diario.
3. Las superficies entre las que se mueven las películas de fluidos deben ser convergentes.

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

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

La lubricación hidrodinámica requiere películas fluidas delgadas y convergentes. Estos fluidos pueden ser líquidos o gaseosos, siempre que presenten viscosidad. En el ventilador de la computadora y el dispositivo giratorio, como una unidad de disco duro, las cabezas están respaldadas por lubricación hidrodinámica en la que la película fluida es la atmósfera.

La escala de estas películas es del orden de micrómetros. Su convergencia crea presiones normales a las superficies con las que entran en contacto, forzándolas a separarse.

Tres tipos de rodamientos incluyen:

• Autoactuación: La película existe debido al movimiento relativo. Por ejemplo, rodamientos de ranura espiral.
• Película Squeeze: La película existe debido al movimiento normal relativo.
• Externamente presurizada: La película existe debido a la presión externa.

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

Las ecuaciones de Reynolds se pueden utilizar para derivar los principios rectores de los fluidos. Tenga en cuenta que cuando se utilizan gases, su derivación es mucho más complicada.

Se puede pensar que las películas delgadas tienen presión y fuerzas viscosas que actúan sobre ellas. Debido a que hay una diferencia en la velocidad, habrá una diferencia en los vectores de tracción de la superficie. Debido a la conservación de la masa, también podemos suponer un aumento en la presión, lo que hace que las fuerzas del cuerpo sean diferentes.

• Lubricación hidrodinámica – características:
  1. Película fluida en el punto del espesor mínimo disminuye en el espesor a medida que aumenta la carga
  2. La presión dentro de la masa del fluido aumenta a medida que el espesor de la película disminuye debido a la carga
  3. La presión dentro de la masa de fluidos es mayor en algún momento acercando la limpieza mínima y menor en el punto de máxima limpieza (debido a la divergencia)
  4. La viscosidad aumenta a medida que aumenta la presión (más resistencia al tirón)
  5. El espesor de la película en el punto de la limpieza mínima aumenta con el uso de fluidos más viscosos
  6. Con la misma carga, la presión aumenta a medida que aumenta la viscosidad del líquido
  7. Con una carga y líquido dados, el espesor de la película aumentará a medida que aumenta la velocidad
  8. La fricción fluida aumenta a medida que la viscosidad del lubricante se hace mayor
• Afección hidrodinámica – Velocidad fluida:
  1. Velocidad fluida depende de la velocidad del diario o del jinete
  2. El aumento de la velocidad relativa tiende a disminuir la excentricidad de los centros de rodamientos de revistas
  3. Esto va acompañado de mayor espesor mínimo de película
• Afección hidrodinámica – carga:
  1. Aumento de la carga disminuye el espesor mínimo de la película
  2. También aumenta la presión dentro de la masa cinematográfica para proporcionar una fuerza de contrarrestación
  3. La presión actúa en todas las direcciones, por lo tanto tiende a exprimir el aceite de los extremos del rodamiento
  4. El aumento de la presión aumenta la viscosidad del líquido

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

Aumento de velocidad aumenta min. espesor de película

El aumento de la viscosidad aumenta min. espesor de película

Aumento de las disminuciones de carga min. espesor de película

Por lo tanto,

Viscosidad × velocidad/carga de unidad = número sin dimensión = C

C se conoce como el número característico del rodamiento.

El valor de C, hasta cierto punto, da una indicación de si habrá lubricación hidrodinámica o no

Características de funcionamiento

Los cojinetes de fluido pueden ser relativamente económicos en comparación con otros cojinetes con una clasificación de carga similar. El rodamiento puede ser tan simple como dos superficies lisas con sellos para mantener el fluido de trabajo. Por el contrario, un rodamiento de elementos rodantes convencional puede requerir muchos rodillos de alta precisión con formas complicadas. Los cojinetes hidrostáticos y muchos de gas tienen la complicación y el costo de las bombas externas.

La mayoría de los cojinetes de fluidos requieren poco o ningún mantenimiento y tienen una vida útil casi ilimitada. Los rodamientos de elementos rodantes convencionales suelen tener una vida más corta y requieren un mantenimiento regular. Los diseños de cojinetes hidrostáticos y aerostáticos (gas) bombeados retienen baja fricción hasta velocidad cero y no necesitan sufrir desgaste de arranque/parada, siempre que la bomba no falle.

Los cojinetes fluidos generalmente tienen una fricción muy baja, mucho mejor que los cojinetes mecánicos. Una fuente de fricción en un cojinete de fluido es la viscosidad del fluido que conduce a una fricción dinámica que aumenta con la velocidad, pero la fricción estática suele ser insignificante. Los cojinetes de gas hidrostático se encuentran entre los cojinetes de menor fricción, incluso a velocidades muy altas. Sin embargo, una viscosidad más baja del fluido también suele significar que el fluido se escapa más rápido de las superficies de apoyo, lo que requiere una mayor potencia para las bombas o la fricción de los sellos.

Cuando un rodillo o una bola están muy cargados, los cojinetes de fluido tienen holguras que cambian menos bajo carga (son "más rígidos") que los cojinetes mecánicos. Podría parecer que la rigidez del rodamiento, como con la carga máxima de diseño, sería una función simple de la presión promedio del fluido y el área de la superficie del rodamiento. En la práctica, cuando las superficies de los cojinetes se presionan entre sí, se restringe el flujo de salida del fluido. Esto aumenta significativamente la presión del fluido entre las caras de los cojinetes. Dado que las superficies de apoyo del fluido pueden ser comparativamente más grandes que las superficies de rodadura, incluso las pequeñas diferencias de presión del fluido provocan grandes fuerzas de restauración, lo que mantiene el espacio.

Sin embargo, en los rodamientos con carga ligera, como las unidades de disco, las rigideces típicas de los rodamientos de bolas son ~10^7 MN/m. Los cojinetes fluidos comparables tienen una rigidez de ~10^6 MN/m. Debido a esto, algunos cojinetes fluidos, particularmente los cojinetes hidrostáticos, están diseñados deliberadamente para precargar el cojinete para aumentar la rigidez.

Los cojinetes fluidos a menudo agregan inherentemente una amortiguación significativa. Esto ayuda a atenuar las resonancias en las frecuencias giroscópicas de los cojinetes lisos (a veces llamados modos cónicos o oscilantes).

Es muy difícil hacer un cojinete mecánico que sea atómicamente liso y redondo; y los cojinetes mecánicos se deforman en funcionamiento a alta velocidad debido a la fuerza centrípeta. Por el contrario, los cojinetes fluidos se corrigen por sí mismos en busca de imperfecciones menores y deformaciones leves.

Los cojinetes de fluido suelen ser más silenciosos y suaves (fricción más constante) que los cojinetes de elementos rodantes. Por ejemplo, las unidades de disco duro fabricadas con cojinetes fluidos tienen índices de ruido para cojinetes/motores del orden de 20 a 24 dB, que es un poco más que el ruido de fondo de una habitación silenciosa. Las unidades basadas en rodamientos de elementos rodantes suelen ser al menos 4 dB más ruidosas.

Los rodamientos de fluido se pueden fabricar con un NRRO (desviación no repetible) más bajo que un rodamiento de bolas o de elementos rodantes. Esto puede ser crítico en la unidad de disco duro moderna y en los husillos de ultra precisión.

Los cojinetes de almohadilla basculante se utilizan como cojinetes radiales para soportar y ubicar ejes en compresores.

Desventajas

• Los rodamientos deben mantener presión para prevenir el desgaste y los tipos hidrostáticos pueden ser completamente inmóviles cuando se deprime.
• El consumo total de energía es generalmente mayor en comparación con los rodamientos de bolas.
• El consumo de energía y la rigidez o amortiguación varían mucho con la temperatura, lo que complica el diseño y funcionamiento de un rodamientos de fluidos en situaciones de amplio rango de temperatura.
• Muchos tipos de rodamientos de líquidos pueden aprovecharse catastróficamente bajo situaciones de shock o pérdida inesperada de presión de suministro. Los rodamientos de bolas se deterioran más gradualmente y proporcionan síntomas acústicos.
• Como vibración de frecuencia de jaula en un rodamiento de bolas, el látigo de media frecuencia es una inestabilidad de rodamiento que genera precesión excéntrica que puede llevar a un rendimiento deficiente y una vida reducida.
• La fuga de líquidos; mantener el líquido en el rodamiento puede ser un reto para los tipos líquidos, la recuperación del vacío y la filtración pueden ser necesarias en algunas situaciones.
• Los rodamientos de fluidos de aceite son poco prácticos en entornos donde la fuga de petróleo puede ser destructiva o donde el mantenimiento no es económico.
• Los "pads" de rodamientos fluidos a menudo tienen que ser utilizados en pares o triples para evitar la inclinación del rodamiento y perder el líquido de un lado.
• A diferencia de los rodamientos mecánicos sin grasa, los rodamientos de fluidos no pueden funcionar a las temperaturas extremadamente bajas necesarias para algunas aplicaciones especializadas de investigación científica.

Algunos cojinetes fluidos

Los patines de hielo forman un fluido hidrodinámico donde el patín y el hielo están separados por una capa de agua.

Cojinetes de láminas

Los cojinetes de lámina son un tipo de cojinete de aire fluidodinámico que Garrett AiResearch introdujo en aplicaciones de turbinas de alta velocidad en la década de 1960. Usan 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 giro hacia arriba y hacia abajo cuando el rodamiento hace contacto físico.

Cojinetes de caucho lubricados con agua

Los cojinetes de goma lubricados con agua tienen una carcasa de metal cilíndrica larga que aloja varias duelas de goma separadas por ranuras axiales. El uso del cojinete tiene tres ventajas principales: (i) el agua bombeada que pasa por el cojinete se usa 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 de los cojinetes; y (iii) la resiliencia natural del caucho otorga al rodamiento buenas propiedades de absorción de impactos y vibraciones y resistencia al desgaste. Los cojinetes de caucho lubricados con agua funcionan en condiciones de lubricación mixta.

Cojinetes de aire

A diferencia de los cojinetes de rodillos de contacto, un cojinete de aire (o rueda de aire) utiliza una película delgada de aire presurizado para proporcionar una interfaz de carga de fricción extremadamente baja entre las superficies. Las dos superficies no se tocan. Al no tener contacto, los cojinetes de aire evitan los problemas tradicionales relacionados con los cojinetes de fricción, desgaste, partículas y manejo de lubricantes, y ofrecen claras ventajas en el posicionamiento de precisión, como la falta de contragolpe y fricción estática, así como en aplicaciones de alta velocidad.

La película de fluido del cojinete es aire que fluye a través del propio cojinete hacia la superficie del cojinete. El diseño del cojinete de aire es tal que, aunque el aire escapa constantemente del entrehierro del cojinete, la presión entre las caras del cojinete es suficiente para soportar las cargas de trabajo. Esta presión puede generarse externamente (aerostática) o internamente (aerodinámica).

Los cojinetes aerodinámicos solo se pueden operar en aplicaciones de alta velocidad, se requieren cojinetes aerostáticos para soportar cargas a baja velocidad. Ambos tipos requieren superficies muy acabadas y una fabricación precisa.

Ejemplos

El air hockey es un juego basado en un cojinete aerostático que suspende el disco y los jugadores ' paletas para proporcionar baja fricción y así mantener altas velocidades de disco. El cojinete utiliza un plano plano con orificios periódicos que suministran aire justo por encima de la presión ambiental. El disco y las paletas descansan en el aire.

Cojinetes de fluido de almohadilla basculante Michell/Kingsbury/Miba

Los cojinetes de almohadilla basculante dinámicos de fluidos Michell/Kingsbury fueron inventados de forma independiente y casi simultánea por el australiano nacido en Gran Bretaña, Anthony George Maldon Michell, y el tribólogo estadounidense Albert Kingsbury. Ambos diseños eran casi idénticos excepto por las diferencias en el enfoque utilizado para girar las almohadillas. Michell derivó matemáticamente la distribución de presión donde se colocó un pivote de línea en el sentido del tramo, lo que permitió que la carga actuara a través del punto de máxima presión del fluido. La patente de Kingsbury carecía de este enfoque matemático y el punto de pivote de la almohadilla se colocó en el centro geométrico del cojinete. 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 finalmente se concedió en 1911 después de que demostrara que había estado trabajando en el concepto durante muchos años. Como afirmó Sydney Walker, un antiguo empleado de Michell's, la concesión de la patente de Kingsbury fue 'un golpe que a Michell le resultó difícil de aceptar'.

El rodamiento tiene zapatas seccionales o almohadillas en los pivotes. Cuando el cojinete está en funcionamiento, la parte giratoria del cojinete transporta aceite nuevo al área de la almohadilla a través de un arrastre viscoso. La presión del fluido hace que la almohadilla se incline ligeramente, creando una estrecha constricción entre la zapata y la otra superficie de apoyo. Una cuña de fluido presurizado se acumula detrás de esta constricción, separando las partes móviles. La inclinación de la almohadilla cambia de forma adaptativa con la carga y la velocidad del cojinete. Varios detalles de diseño aseguran la reposición continua del aceite para evitar el sobrecalentamiento y el daño de la almohadilla.

Los cojinetes de fluidos Michell/Kingsbury se utilizan en una variedad más amplia de equipos rotativos de servicio pesado, incluso en plantas hidroeléctricas para soportar turbinas y generadores que pesan cientos de toneladas. También se utilizan en maquinaria muy pesada, como ejes de hélice marinos.

Es probable que George Weymoth (Pty) Ltd (bajo la dirección de A.G.M. Michell's) construyó en 1907 el primer rodamiento basculante en servicio para una bomba centrífuga en Cohuna en el río Murray, Victoria, Australia, justo dos años después de que Michell publicara y patentara su solución tridimensional a la ecuación de Reynold. En 1913, se reconocieron los grandes méritos de los cojinetes de almohadilla basculante para aplicaciones marinas. El primer barco británico que se equipó con el cojinete fue el barco de vapor que cruza el canal Paris, pero muchos barcos de guerra estaban equipados de manera similar durante la Primera Guerra Mundial. Los resultados prácticos fueron espectaculares: el problemático bloque de empuje se volvió mucho más pequeño y liviano, significativamente más eficiente y notablemente libre de problemas de mantenimiento. Se estimó que la Royal Navy ahorró carbón por un valor de £ 500,000 solo en 1918 como resultado de la instalación de los cojinetes de las almohadillas basculantes de Michell.

Según ASME (ver enlace de referencia), el primer cojinete de fluido Michell/Kingsbury en los EE. UU. se instaló en la central hidroeléctrica de Holtwood (en el río Susquehanna, cerca de Lancaster, Pensilvania, EE. UU.) en 1912. El 2,25- El cojinete de toneladas soporta una turbina de agua y un generador eléctrico con una masa giratoria de alrededor de 165 toneladas y la presión de la turbina de agua agrega otras 40 toneladas. El rodamiento ha estado en servicio casi continuo desde 1912, sin reemplazo de piezas. ASME informó que todavía estaba en servicio a partir de 2000. A partir de 2002, el fabricante estimó que los rodamientos en Holtwood deberían tener una vida útil libre de mantenimiento de aproximadamente 1300 años.

Hasta ahora, los cojinetes de apoyo basculante desempeñan un papel esencial para equipos rotativos como expansores, bombas, turbinas de gas o vapor o compresores. Además de los cojinetes antifricción tradicionales que se utilizaron desde principios del siglo XX, los fabricantes modernos como Miba también utilizan otros materiales, por ejemplo, bronce o cobre-cromo, para mejorar los cojinetes. actuación.