Cojinete de fluido

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Los cojinetes de fluido 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 del cojinete. ^[1] Dado que no hay contacto entre las partes móviles, no hay fricción por deslizamiento , lo que permite que los cojinetes de fluido tengan una fricción, desgaste y vibración menores que muchos otros tipos de cojinetes. Por lo tanto, es posible que algunos cojinetes de fluido tengan un desgaste casi nulo si se utilizan correctamente. ^[1]

Se pueden clasificar ampliamente 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 cojinetes de fluido se utilizan con frecuencia en aplicaciones de alta carga, alta velocidad o alta precisión en las que los cojinetes de bolas ordinarios habrían acortado la vida útil o causado mucho ruido y vibración. También se utilizan cada vez más para reducir los costos. Por ejemplo, los cojinetes de fluido del motor de la unidad de disco duro son más silenciosos y más baratos que los cojinetes de bolas que reemplazan. Las aplicaciones son muy versátiles e incluso pueden usarse en geometrías complejas como husillos . ^[2]

El cojinete de fluido puede haber sido inventado por el ingeniero civil francés LD Girard, quien en 1852 propuso un sistema de propulsión ferroviaria que incorporaba cojinetes hidráulicos alimentados por agua. ^{[3] [1]}

Los cojinetes de fluido son cojinetes sin contacto que utilizan una fina capa de fluido líquido o gas presurizado que se mueve rápidamente entre las caras móviles del cojinete, normalmente selladas alrededor o debajo del eje giratorio. ^[1] Las partes móviles no entran en contacto, por lo que no hay fricción deslizante ; la fuerza de carga se sustenta únicamente en la presión del fluido en movimiento. Hay dos formas principales de introducir el fluido en el cojinete:

• En los cojinetes estáticos , hidrostáticos y muchos cojinetes de gas o aire , el fluido se bombea a través de un orificio o de un material poroso. Dichos cojinetes deben estar equipados con un sistema de control de posición del eje, que ajusta la presión y el consumo del fluido según la velocidad de rotación y la carga del eje. ^[4]
• En los cojinetes fluidodinámicos , la rotación del cojinete succiona el fluido hacia la superficie interna del cojinete, formando una cuña lubricante debajo o alrededor del eje.

Los cojinetes hidrostáticos dependen de una bomba externa. La potencia que requiere esa bomba contribuye a la pérdida de energía del sistema, al igual que lo haría la fricción de los cojinetes. Unos sellos mejores pueden reducir las tasas de fugas y la potencia de bombeo, pero pueden aumentar la fricción.

Los cojinetes hidrodinámicos dependen del movimiento del cojinete para succionar el fluido hacia el cojinete y pueden tener una alta fricción y una vida útil corta a velocidades inferiores a las diseñadas o durante los arranques y paradas. Se puede utilizar una bomba externa o un cojinete secundario para el arranque y el apagado a fin de 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.

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

De esta forma, el espesor de la película supera la rugosidad combinada de las superficies. El coeficiente de fricción es menor que con la lubricación por capa límite. La lubricación hidrodinámica evita el desgaste de las piezas móviles y el contacto entre metales.

La lubricación hidrodinámica requiere películas de fluidos delgadas y convergentes. Estos fluidos pueden ser líquidos o gases, siempre que presenten viscosidad. En los ventiladores de ordenador y en los dispositivos giratorios, como una unidad de disco duro , los cabezales se sostienen mediante lubricación hidrodinámica en la que la película de fluido 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, lo que las obliga a separarse.

Los tres tipos de rodamientos incluyen:

• Autoactuante: la película existe debido al movimiento relativo, por ejemplo, cojinetes de ranura en espiral .
• Película comprimida: 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-cojinete (antifricción) y cojinete-deslizante (fricción).

Las ecuaciones de Reynolds se pueden utilizar para derivar los principios que rigen los fluidos. Hay que tener en cuenta que, cuando se utilizan gases, su derivación es mucho más compleja.

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

• Lubricación hidrodinámica – características:
  1. La película de fluido en el punto de espesor mínimo disminuye su 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 fluido es mayor en algún punto cercano al espacio libre mínimo y menor en el punto de espacio libre máximo (debido a la divergencia).
  4. La viscosidad aumenta a medida que aumenta la presión (más resistencia al corte)
  5. El espesor de la película en el punto de holgura mínima 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 aumenta la velocidad.
  8. La fricción del fluido aumenta a medida que la viscosidad del lubricante se hace mayor.
• Condición hidrodinámica – Velocidad del fluido:
  1. La velocidad del fluido depende de la velocidad del muñón o del jinete.
  2. El aumento de la velocidad relativa tiende a una disminución de la excentricidad de los centros de los cojinetes.
  3. Esto va acompañado de un mayor espesor mínimo de 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 contrarrestante.
  3. La presión actúa en todas las direcciones, por lo que tiende a expulsar el aceite de 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 sobre el espesor de la película.

El aumento de 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/unidad de carga = un número adimensional = 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.

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

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

Los cojinetes de fluido 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 genera una fricción dinámica que aumenta con la velocidad, pero la fricción estática es generalmente insignificante. Los cojinetes de gas hidrostáticos se encuentran entre los cojinetes con menor fricción incluso a velocidades muy altas. Sin embargo, una viscosidad más baja del fluido también suele significar que el fluido se filtra más rápido de las superficies del cojinete, por lo que se requiere mayor potencia para las bombas o fricción de los sellos.

Cuando un rodillo o una bola se someten a una carga elevada, los cojinetes de fluido tienen holguras que cambian menos bajo carga (son "más rígidos") que los cojinetes mecánicos. Podría parecer que la rigidez del cojinete, al igual que con la carga máxima de diseño, sería una función simple de la presión media del fluido y del área de la superficie del cojinete. En la práctica, cuando las superficies del cojinete se presionan entre sí, se restringe el flujo de salida del fluido. Esto aumenta significativamente la presión del fluido entre las caras del cojinete. Como las caras de los cojinetes de fluido pueden ser comparativamente más grandes que las superficies de rodadura, incluso pequeñas diferencias de presión del fluido provocan grandes fuerzas de recuperación, manteniendo la holgura.

Sin embargo, en cojinetes con cargas ligeras, como las unidades de disco, la rigidez típica de los cojinetes de bolas es de ~10^7 MN/m. Los cojinetes de fluido comparables tienen una rigidez de ~10^6 MN/m. ^{[ cita requerida ]} Debido a esto, algunos cojinetes de fluido, en particular los cojinetes hidrostáticos, están diseñados deliberadamente para precargar el cojinete para aumentar la rigidez.

Los cojinetes de fluido suelen añadir de forma inherente una amortiguación significativa, lo que ayuda a atenuar las resonancias en las frecuencias giroscópicas de los cojinetes de deslizamiento (a veces denominados modos cónicos o de balanceo).

Es muy difícil fabricar un cojinete mecánico que sea atómicamente liso y redondo; además, los cojinetes mecánicos se deforman en funcionamiento a alta velocidad debido a la fuerza centrípeta . Por el contrario, los cojinetes de fluido se autocorrigen ante pequeñas imperfecciones y ligeras deformaciones.

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 de fluido tienen índices de ruido para cojinetes/motores del orden de 20–24 dB , que es un poco más que el ruido de fondo de una habitación silenciosa. Las unidades basadas en cojinetes de elementos rodantes suelen ser al menos 4 dB más ruidosas.

Los cojinetes de fluido se pueden fabricar con un NRRO (desplazamiento no repetible) menor que un cojinete de bolas o de elementos rodantes. Esto puede ser fundamental en los discos duros modernos y en los husillos de ultraprecisión.

Los cojinetes basculantes se utilizan como cojinetes radiales para sostener y ubicar los ejes en los compresores.

• Los cojinetes deben mantener la presión para evitar el desgaste y los tipos hidrostáticos pueden quedar completamente inmóviles cuando están despresurizados.
• El consumo total de energía suele ser mayor en comparación con los rodamientos de bolas.
• El consumo de energía y la rigidez o amortiguación varían en gran medida con la temperatura, lo que complica el diseño y el funcionamiento de un cojinete de fluido en situaciones de un amplio rango de temperaturas.
• Muchos tipos de cojinetes hidráulicos pueden agarrotarse de forma catastrófica en situaciones de choque o pérdida inesperada de la presión de suministro. Los cojinetes de bolas se deterioran de forma más gradual y producen síntomas acústicos.
• Al igual que la vibración de frecuencia de la jaula en un rodamiento de bolas, el remolino de media frecuencia es una inestabilidad del rodamiento que genera una precesión excéntrica que puede provocar un rendimiento deficiente y una vida útil reducida.
• Fuga de fluidos: mantener el fluido en el cojinete puede ser un desafío para los distintos tipos de líquidos; en algunas situaciones puede ser necesaria la recuperación de vacío y la filtración.
• Los cojinetes con fluido de aceite no son prácticos en entornos donde las fugas de aceite pueden ser destructivas o donde el mantenimiento no es económico.
• Las "almohadillas" de cojinetes de fluido a menudo se deben utilizar en pares o triples para evitar que el cojinete se incline y pierda el fluido por un lado.
• A diferencia de los cojinetes mecánicos sin grasa, los cojinetes de fluido no pueden funcionar a las temperaturas extremadamente bajas necesarias para algunas aplicaciones de investigación científica especializadas.

Los cojinetes de láminas son un tipo de cojinete de aire dinámico de fluidos 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 giro ascendente y descendente cuando el cojinete hace contacto físico.

Los cojinetes de caucho lubricados con agua tienen una carcasa metálica cilíndrica larga que alberga múltiples láminas de caucho separadas por ranuras axiales. El uso de este cojinete tiene tres ventajas principales: (i) el agua bombeada que pasa 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 resiliencia natural del caucho le otorga al cojinete buenas propiedades para la absorción de impactos y vibraciones y resistencia al desgaste. Los cojinetes de caucho lubricados con agua funcionan bajo condiciones de lubricación mixta. ^[5]

A diferencia de los cojinetes de rodillos de contacto, un cojinete de aire (o cojinete 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 manipulación de lubricante, y ofrecen ventajas distintivas en el posicionamiento de precisión, como la falta de juego 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 hasta la superficie del cojinete. El diseño del cojinete de aire es tal que, aunque el aire escapa constantemente por el hueco 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 utilizar 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 excelente y una fabricación precisa.

El hockey aéreo es un juego basado en un cojinete aerostático que suspende el disco y las paletas de los jugadores para proporcionar una fricción baja y, por lo tanto, mantener altas velocidades del disco. El cojinete utiliza una superficie plana con orificios periódicos que suministran aire justo por encima de la presión ambiental. El disco y las paletas descansan sobre el aire.

Los cojinetes de dinámica de fluidos con zapatas basculantes 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, salvo por las diferencias en el enfoque utilizado para hacer pivotar las zapatas. Michell derivó matemáticamente la distribución de la presión donde se colocaba un pivote lineal a lo largo del tramo, lo que permitía 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 zapata se colocaba 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 finalmente se concedió en 1911 después de que demostrara que había estado trabajando en el concepto durante muchos años. Como afirmó Sydney Walker, un empleado de Michell durante mucho tiempo, la concesión de la patente de Kingsbury fue "un golpe que a Michell le resultó difícil aceptar".

El cojinete tiene zapatas seccionales o almohadillas sobre pivotes. Cuando el cojinete está en funcionamiento, la parte giratoria del cojinete lleva 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 del cojinete. 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 garantizan la reposición continua del aceite para evitar el sobrecalentamiento y el daño de la almohadilla. ^[7]

Los cojinetes de fluido 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 hélices marinas .

Es probable que el primer cojinete 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, solo dos años después de que Michell publicara y patentara su solución tridimensional a la ecuación de Reynolds . En 1913, se habían reconocido los grandes méritos del cojinete basculante para aplicaciones marinas. El primer barco británico en ser equipado con el cojinete fue el barco de vapor Paris , pero muchos buques de guerra fueron equipados de manera similar durante la Primera Guerra Mundial . Los resultados prácticos fueron espectaculares: el problemático bloque de empuje se volvió drásticamente más pequeño y liviano, significativamente más eficiente y notablemente libre de problemas de mantenimiento. Se estimó que la Marina Real ahorró carbón por un valor de £ 500,000 solo en 1918 como resultado de la instalación de los cojinetes basculantes de Michell.

Según la ASME (ver enlace de referencia), el primer cojinete de fluido Michell/Kingsbury en los EE. UU. se instaló en la planta de energía hidroeléctrica de Holtwood (en el río Susquehanna , cerca de Lancaster, Pensilvania , EE. UU.) en 1912. El cojinete de 2,25 toneladas sostiene una turbina de agua y un generador eléctrico con una masa rotatoria de aproximadamente 165 toneladas y la presión de la turbina de agua agrega otras 40 toneladas. El cojinete ha estado en servicio casi continuamente desde 1912, sin piezas reemplazadas. La ASME informó que todavía estaba en servicio en 2000. En 2002, el fabricante estimó que los cojinetes en Holtwood deberían tener una vida útil sin mantenimiento de aproximadamente 1300 años.

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

• Cojinete liso
• Fuente de Kugel
• Número de Sommerfeld

• Folleto histórico de ASME sobre el rodamiento Susquehanna de Kingsbury
• Un manual técnico de la NASA de 91 páginas y 10,6 MB Lubricación de elementos de máquinas , NASA-RP-1126 por BJHamrock, 1984 enlace muerto enlace nuevo.
• Biblioteca digital de modelos cinemáticos para el diseño (KMODDL): películas y fotografías de cientos de modelos de sistemas mecánicos en funcionamiento en la Universidad de Cornell. También incluye una biblioteca de libros electrónicos con textos clásicos sobre diseño mecánico e ingeniería.
• [2] – Una discusión técnica que presenta los cojinetes de aire y sus múltiples aplicaciones en Specialty Components Inc.
• [3] – Una demostración en vídeo de un cojinete de aire esférico.