Un cojinete liso , o más comúnmente cojinete de contacto deslizante y cojinete de deslizamiento (en el ámbito ferroviario a veces llamado cojinete sólido , cojinete liso o cojinete de fricción [2] ), es el tipo más simple de cojinete , que comprende solo una superficie de apoyo y ningún elemento rodante. Por lo tanto, la parte del eje en contacto con el cojinete se desliza sobre la superficie del cojinete. El ejemplo más simple de un cojinete liso es un eje que gira en un orificio. Un cojinete lineal simple puede ser un par de superficies planas diseñadas para permitir el movimiento; por ejemplo, un cajón y las correderas sobre las que descansa [3] o las guías en la bancada de un torno .
Los cojinetes lisos, en general, son el tipo de cojinete más económico. También son compactos y livianos, y tienen una gran capacidad de carga. [4]
El diseño de un cojinete liso depende del tipo de movimiento que debe proporcionar el cojinete. Los tres tipos de movimientos posibles son:
Los cojinetes lisos integrales se construyen en el objeto de uso como un orificio preparado en la superficie del cojinete. Los cojinetes integrales industriales suelen estar hechos de hierro fundido o babbitt , y se utiliza un eje de acero endurecido en el cojinete. [7]
Los cojinetes integrales no son tan comunes porque los bujes son más fáciles de acomodar y se pueden reemplazar si es necesario. [3] Dependiendo del material, un cojinete integral puede ser menos costoso pero no se puede reemplazar. Si un cojinete integral se desgasta, el elemento se puede reemplazar o rehacer para aceptar un buje. Los cojinetes integrales eran muy comunes en la maquinaria del siglo XIX, pero se volvieron progresivamente menos comunes a medida que se popularizó la fabricación intercambiable .
Por ejemplo, un cojinete liso integral común es la bisagra , que es a la vez un cojinete de empuje y un cojinete de deslizamiento.
Un buje , también conocido como casquillo , es un cojinete liso independiente que se inserta en una carcasa para proporcionar una superficie de apoyo para aplicaciones rotativas; esta es la forma más común de un cojinete liso. [8] Los diseños comunes incluyen bujes sólidos ( de manguito y con brida ), partidos y apretados . Un buje de manguito, partido o apretado es solo un "manguito" de material con un diámetro interior (DI), un diámetro exterior (DE) y una longitud. La diferencia entre los tres tipos es que un buje de manguito sólido es sólido en todo su perímetro, un buje partido tiene un corte a lo largo de su longitud y un cojinete apretado es similar a un buje partido pero con un apriete (o remache) a lo largo del corte que conecta las piezas. Un buje con brida es un buje de manguito con una brida en un extremo que se extiende radialmente hacia afuera desde el OD. La brida se utiliza para ubicar positivamente el buje cuando se instala o para proporcionar una superficie de apoyo de empuje. [9]
Los cojinetes de deslizamiento con dimensiones en pulgadas se dimensionan casi exclusivamente utilizando el sistema de numeración SAE . El sistema de numeración utiliza el formato -XXYY-ZZ, donde XX es el diámetro interior en dieciseisavos de pulgada, YY es el diámetro exterior en dieciseisavos de pulgada y ZZ es la longitud en octavos de pulgada. [10] También existen tamaños métricos. [11]
Un buje lineal no suele estar presionado en una carcasa, sino que se asegura con una característica radial. Dos ejemplos de esto incluyen dos anillos de retención o un anillo que se moldea sobre el diámetro exterior del buje que coincide con una ranura en la carcasa. Esta suele ser una forma más duradera de retener el buje, porque las fuerzas que actúan sobre él podrían presionarlo hacia afuera. Los bujes con brida están diseñados para una resistencia mejorada a las cargas radiales y axiales. [12]
La forma de empuje de un buje se denomina convencionalmentearandela de empuje
Los cojinetes lisos de dos piezas , conocidos como cojinetes completos en la maquinaria industrial, [13] se utilizan comúnmente para diámetros mayores, como los cojinetes del cigüeñal . Las dos mitades se denominan carcasas . [14] Existen varios sistemas utilizados para mantener las carcasas ubicadas. El método más común es una pestaña en el borde de la línea de separación que se correlaciona con una muesca en la carcasa para evitar el movimiento axial después de la instalación. Para carcasas grandes y gruesas se utiliza un tope de botón o un pasador de espiga . El tope de botón se atornilla a la carcasa, mientras que el pasador de espiga une las dos carcasas. Otro método menos común utiliza un pasador de espiga que une la carcasa a la carcasa a través de un orificio o ranura en la carcasa. [15]
La distancia entre un borde de separación y el otro es ligeramente mayor que la distancia correspondiente en la carcasa, de modo que se requiere una ligera presión para instalar el cojinete. Esto mantiene el cojinete en su lugar mientras se instalan las dos mitades de la carcasa. Finalmente, la circunferencia de la carcasa también es ligeramente mayor que la circunferencia de la carcasa, de modo que cuando las dos mitades se atornillan juntas, el cojinete se aplasta ligeramente. Esto crea una gran cantidad de fuerza radial alrededor de todo el cojinete, lo que evita que gire . También forma una buena interfaz para que el calor se desplace desde los cojinetes hacia la carcasa. [14]
Los cojinetes lisos deben estar hechos de un material que sea duradero, de baja fricción , que produzca poco desgaste en el cojinete y el eje, resistente a temperaturas elevadas y resistente a la corrosión . A menudo, el cojinete está formado por al menos dos componentes, uno blando y el otro duro. El componente duro soporta la carga mientras que el componente blando soporta al componente duro. [ cita requerida ] En general, cuanto más duras sean las superficies en contacto, menor será el coeficiente de fricción y mayor será la presión necesaria para que los dos se desgasten o se agarroten cuando falla la lubricación . [8] [16]
El Babbitt se utiliza generalmente en cojinetes integrales. Se recubre el orificio, normalmente con un espesor de 0,25 a 2,5 mm (9,8 a 98,4 milésimas de pulgada ), dependiendo del diámetro. El Babbitt se fabrica con un material blando en comparación con el material de composición del muñón o del eje giratorio. Los cojinetes Babbitt están diseñados para no dañar el muñón durante el contacto directo y para recoger cualquier contaminante en la lubricación. [13]
Los cojinetes bimetálicos constan de dos materiales, una carcasa de metal y una superficie de cojinete de plástico. Las combinaciones habituales incluyen un bronce recubierto de PTFE con respaldo de acero y un Frelon con respaldo de aluminio . [17] Los cojinetes de bronce recubiertos de PTFE con respaldo de acero están clasificados para soportar más carga que la mayoría de los demás cojinetes bimetálicos y se utilizan para movimientos rotatorios y oscilantes. El Frelon con respaldo de aluminio se utiliza habitualmente en entornos corrosivos porque el Frelon es químicamente inerte . [18]
Un diseño de cojinete liso común utiliza un eje de acero endurecido y pulido y un buje de bronce más blando . El buje se reemplaza cuando se desgasta demasiado.
Las aleaciones de bronce comunes utilizadas para cojinetes incluyen: SAE 841 , SAE 660 ( CDA 932 ), SAE 863 y CDA 954. [ 19]
Se puede utilizar un cojinete de hierro fundido con un eje de acero endurecido porque el coeficiente de fricción es relativamente bajo. El hierro fundido se vidria, por lo que el desgaste se vuelve insignificante. [20]
En entornos hostiles, como hornos y secadoras , se utiliza una aleación de cobre y grafito , conocida comúnmente con el nombre comercial graphalloy . El grafito es un lubricante seco , por lo que presenta baja fricción y requiere poco mantenimiento. El cobre aporta resistencia, durabilidad y proporciona características de disipación del calor.
Los cojinetes de grafito sin alear se utilizan en aplicaciones especiales, como lugares sumergidos en agua. [22]
Conocidos como cojinetes de joya , estos cojinetes utilizan joyas , como zafiro , rubí y granate .
Los cojinetes lisos de plástico macizo son cada vez más populares debido a su comportamiento de funcionamiento en seco sin lubricación. Los cojinetes lisos de polímero macizo son ligeros, resistentes a la corrosión y no requieren mantenimiento. Tras décadas de estudios, hoy es posible realizar un cálculo preciso de la vida útil de los cojinetes lisos de polímero. El diseño con cojinetes lisos de polímero macizo es complicado debido al amplio rango y la no linealidad del coeficiente de expansión térmica . Estos materiales pueden calentarse rápidamente cuando se utilizan en aplicaciones fuera de los límites de pV recomendados.
Los cojinetes de polímero sólido están limitados por el proceso de moldeo por inyección . No todas las formas son posibles con este proceso, y las formas posibles están limitadas a lo que se considera una buena práctica de diseño para el moldeo por inyección. Los cojinetes de plástico están sujetos a las mismas precauciones de diseño que todas las demás piezas de plástico: fluencia, alta expansión térmica, ablandamiento (mayor desgaste/reducción de la vida útil) a temperaturas elevadas, fracturas frágiles a bajas temperaturas e hinchazón debido a la absorción de humedad. Si bien la mayoría de los plásticos/polímeros de grado de cojinete están diseñados para reducir estas precauciones de diseño, aún existen y se deben considerar cuidadosamente antes de especificar un tipo de polímero (plástico) sólido.
Los cojinetes de plástico son ahora bastante comunes, incluso se utilizan en fotocopiadoras , cajas registradoras , equipos agrícolas , maquinaria textil, dispositivos médicos , máquinas de alimentos y embalaje, asientos de automóviles y equipos marinos.
Los plásticos comunes incluyen nailon , poliacetal , politetrafluoroetileno (PTFE), polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE), rulón , PEEK , uretano y vespel (una poliimida de alto rendimiento ). [23] [24] [25]
Los tipos de sistemas de lubricación se pueden clasificar en tres grupos: [10]
Ejemplos del segundo tipo de cojinete son los Oilites y los cojinetes de plástico hechos de poliacetal ; ejemplos del tercer tipo son los cojinetes de grafito metalizado y los cojinetes de PTFE . [10]
La mayoría de los cojinetes lisos tienen una superficie interna lisa; sin embargo, algunos tienen ranuras , como los cojinetes con ranuras en espiral . Las ranuras ayudan a que la lubricación ingrese al cojinete y cubra todo el muñón. [33]
Los cojinetes lisos autolubricantes tienen un lubricante contenido dentro de las paredes del cojinete. Hay muchas formas de cojinetes autolubricantes. El primero, y el más común, son los cojinetes de metal sinterizado , que tienen paredes porosas. Las paredes porosas absorben el aceite a través de la acción capilar [34] y lo liberan cuando se aplica presión o calor . [35] Un ejemplo de un cojinete de metal sinterizado en acción se puede ver en las cadenas autolubricantes , que no requieren lubricación adicional durante el funcionamiento. Otra forma es un buje de metal sólido de una pieza con un canal de ranura en forma de ocho en el diámetro interior que está lleno de grafito. Un cojinete similar reemplaza la ranura en forma de ocho con orificios tapados con grafito. Esto lubrica el cojinete por dentro y por fuera. [36] La última forma es un cojinete de plástico, que tiene el lubricante moldeado en el cojinete. El lubricante se libera a medida que el cojinete se pone en marcha . [37]
Existen tres tipos principales de lubricación: condición de película completa , condición límite y condición seca . Las condiciones de película completa son aquellas en las que la carga del rodamiento es transportada únicamente por una película de lubricante fluido y no hay contacto entre las dos superficies del rodamiento. En condiciones mixtas o límite, la carga es transportada en parte por contacto directo con la superficie y en parte por una película que se forma entre las dos. En condiciones secas, la carga completa es transportada por contacto de superficie a superficie.
Los cojinetes fabricados con materiales aptos para cojinetes siempre funcionan en condiciones secas. Las otras dos clases de cojinetes lisos pueden funcionar en las tres condiciones; la condición en la que funciona un cojinete depende de las condiciones de funcionamiento, la carga, la velocidad relativa de la superficie, la holgura dentro del cojinete, la calidad y cantidad de lubricante y la temperatura (que afecta la viscosidad del lubricante). Si el cojinete liso no está diseñado para funcionar en condiciones secas o límite, tiene un alto coeficiente de fricción y se desgasta. Las condiciones secas y límite pueden experimentarse incluso en un cojinete de fluido cuando funciona fuera de sus condiciones de funcionamiento normales; por ejemplo, al arrancar y apagar.
La lubricación por fluidos da como resultado un modo de lubricación de película completa o de condición límite. Un sistema de cojinetes diseñado correctamente reduce la fricción al eliminar el contacto de superficie a superficie entre el muñón y el cojinete a través de efectos dinámicos de fluidos .
Los cojinetes de fluido pueden lubricarse hidrostática o hidrodinámicamente . Los cojinetes lubricados hidrostáticamente se lubrican mediante una bomba externa que mantiene una cantidad estática de presión. En un cojinete hidrodinámico, la presión en la película de aceite se mantiene mediante la rotación del muñón. Los cojinetes hidrostáticos entran en un estado hidrodinámico cuando el muñón está girando. [13] Los cojinetes hidrostáticos suelen utilizar aceite , mientras que los cojinetes hidrodinámicos pueden utilizar aceite o grasa ; sin embargo, los cojinetes pueden diseñarse para utilizar cualquier fluido disponible, y varios diseños de bombas utilizan el fluido bombeado como lubricante. [38]
Los cojinetes hidrodinámicos requieren un mayor cuidado en el diseño y el funcionamiento que los cojinetes hidrostáticos. También son más propensos al desgaste inicial porque la lubricación no se produce hasta que hay rotación del eje. A bajas velocidades de rotación, la lubricación puede no lograr una separación completa entre el eje y el buje. Como resultado, los cojinetes hidrodinámicos pueden ser ayudados por cojinetes secundarios que sostienen el eje durante los períodos de arranque y parada, protegiendo las superficies mecanizadas de tolerancia fina del cojinete de deslizamiento. Por otro lado, los cojinetes hidrodinámicos son más simples de instalar y son menos costosos. [39]
En el estado hidrodinámico se forma una "cuña" de lubricación que eleva el muñón, que también se desplaza ligeramente en sentido horizontal en la dirección de rotación. La posición del muñón se mide por el ángulo de inclinación , que es el ángulo formado entre la vertical y una línea que cruza el centro del muñón y el centro del cojinete, y la relación de excentricidad, que es la relación entre la distancia del centro del muñón y el centro del cojinete y el juego radial total. El ángulo de inclinación y la relación de excentricidad dependen de la dirección y la velocidad de rotación y de la carga. En los cojinetes hidrostáticos, la presión del aceite también afecta a la relación de excentricidad. En los equipos electromagnéticos, como los motores, las fuerzas electromagnéticas pueden contrarrestar las cargas de gravedad, lo que hace que el muñón adopte posiciones inusuales. [13]
Una desventaja específica de los cojinetes de deslizamiento hidrodinámicos lubricados con fluido en maquinaria de alta velocidad es el remolino de aceite , una vibración autoexcitada del muñón. El remolino de aceite se produce cuando la cuña de lubricación se vuelve inestable: pequeñas perturbaciones del muñón dan lugar a fuerzas de reacción de la película de aceite, que provocan un mayor movimiento, haciendo que tanto la película de aceite como el muñón "giren" alrededor de la carcasa del cojinete. Normalmente, la frecuencia del remolino es de alrededor del 42% de la velocidad de giro del muñón. En casos extremos, el remolino de aceite provoca un contacto directo entre el muñón y el cojinete, lo que desgasta rápidamente el cojinete. En algunos casos, la frecuencia del remolino coincide con la velocidad crítica del eje de la máquina y se "bloquea" con ella; esta condición se conoce como "latigazo de aceite". El latigazo de aceite puede ser muy destructivo. [13] [40]
El remolino de aceite se puede evitar mediante una fuerza estabilizadora aplicada al muñón. Varios diseños de cojinetes buscan utilizar la geometría del cojinete para proporcionar un obstáculo al fluido que gira o para proporcionar una carga estabilizadora para minimizar el remolino. Uno de ellos se llama orificio de limón o orificio elíptico . En este diseño, se instalan calzas entre las dos mitades de la carcasa del cojinete y luego se mecaniza el orificio a medida. Después de quitar las calzas, el orificio se asemeja a una forma de limón, lo que disminuye la holgura en una dirección del orificio y aumenta la precarga en esa dirección. La desventaja de este diseño es su menor capacidad de carga, en comparación con los cojinetes de muñón típicos. También sigue siendo susceptible al remolino de aceite a altas velocidades, sin embargo, su costo es relativamente bajo. [13]
Otro diseño es el de la presa de presión o ranura represada , [41] que tiene un corte de alivio poco profundo en el centro del cojinete sobre la mitad superior del cojinete. La ranura se detiene abruptamente para crear una fuerza descendente que estabilice el muñón. Este diseño tiene una gran capacidad de carga y corrige la mayoría de las situaciones de remolino de aceite. La desventaja es que solo funciona en una dirección. Desplazar las mitades del cojinete hace lo mismo que la presa de presión. La única diferencia es que la capacidad de carga aumenta a medida que aumenta el desplazamiento. [13]
Un diseño más radical es el de plataforma basculante , que utiliza múltiples plataformas diseñadas para moverse con cargas cambiantes. Generalmente se utiliza en aplicaciones muy grandes, pero también se aplica ampliamente en turbomáquinas modernas porque elimina casi por completo el remolino de aceite.
Otros componentes que se utilizan comúnmente con cojinetes lisos incluyen:
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