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 del cojinete. [1] Dado que no hay contacto entre las piezas 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 fluido tengan un desgaste casi nulo si se utilizan correctamente. [1]
Se pueden clasificar a grandes rasgos 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 está presurizado por una bomba. Los cojinetes hidrodinámicos dependen de 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 donde los rodamientos de bolas ordinarios habrían acortado la vida útil o habrían causado mucho ruido y vibración. También se utilizan cada vez más para reducir costes. Por ejemplo, los cojinetes de fluido del motor de las unidades de disco duro son más silenciosos y más baratos que los cojinetes de bolas a los que reemplazan. Las aplicaciones son muy versátiles e incluso pueden usarse en geometrías complejas como tornillos de avance . [2]
El cojinete fluido pudo 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 rodamientos fluidos son rodamientos sin contacto que utilizan una capa delgada de líquido o gas fluido presurizado que se mueve rápidamente entre las caras móviles del rodamiento, generalmente selladas alrededor o debajo del eje giratorio. [1] Las partes móviles no entran en contacto, por lo que no hay fricción por deslizamiento ; la fuerza de carga está soportada únicamente por la presión del fluido en movimiento. Hay dos formas principales de hacer llegar el fluido al rodamiento:
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 rodamiento. Mejores sellos pueden reducir las tasas de fugas y la potencia de bombeo, pero pueden aumentar la fricción.
Los rodamientos hidrodinámicos dependen del movimiento del rodamiento para aspirar fluido hacia el interior del rodamiento y pueden tener una alta fricción y una vida 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 la parada para evitar daños al cojinete hidrodinámico. Un rodamiento secundario puede tener una alta fricción y una vida operativa corta, pero una buena vida útil general si los arranques y paradas del rodamiento son poco frecuentes.
La lubricación hidrodinámica (HD) , también conocida como lubricación de película fluida, tiene elementos esenciales:
La lubricación hidrodinámica (película completa) se obtiene cuando dos superficies de contacto están completamente separadas por una película cohesiva de lubricante.
Por tanto, el espesor de la película supera la rugosidad combinada de las superficies. El coeficiente de fricción es menor que con la lubricación de capa límite. La lubricación hidrodinámica previene el desgaste de las piezas móviles y evita el contacto de 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 computadora y en los dispositivos giratorios, como una unidad de disco duro , los cabezales están sostenidos por 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, obligándolas a separarse.
Tres tipos de rodamientos incluyen:
Conceptualmente, los rodamientos se pueden considerar como dos clases geométricas principales: cojinete de muñón (antifricción) y plano deslizante (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 de la presión, lo que hace que las fuerzas del cuerpo sean diferentes.
Número de característica del rodamiento: dado que la viscosidad, la velocidad y la carga determinan las características de una condición hidrodinámica, se desarrolló un número de característica del rodamiento basado en los efectos de éstas sobre el espesor de la película.
Por lo tanto,
C se conoce como número característico del rodamiento .
El valor de C , en cierta medida, da una indicación de si habrá lubricación hidrodinámica o no.
Los rodamientos fluidos pueden ser relativamente baratos en comparación con otros rodamientos con una capacidad 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 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 fluidos requieren poco o ningún mantenimiento y tienen una vida útil casi ilimitada. Los rodamientos convencionales suelen tener una vida útil más corta y requieren un mantenimiento regular. Los diseños de cojinetes hidrostáticos y aerostáticos (gas) bombeados mantienen una 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 rodamiento fluido es la viscosidad del fluido, lo que genera 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 menor viscosidad del fluido también suele significar que el fluido se escapa más rápido de las superficies de los cojinetes, lo que requiere una mayor potencia para las bombas o fricción de los sellos.
Cuando un rodillo o una bola está muy cargado, los cojinetes fluidos tienen holguras que cambian menos bajo carga (son "más rígidos") que los cojinetes mecánicos. Podría parecer que la rigidez del rodamiento, al igual que 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 se comprimen las superficies de apoyo, se restringe la salida de fluido. Esto aumenta significativamente la presión del fluido entre las caras del rodamiento. Como las superficies de apoyo del 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 rodamientos con carga ligera, como 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. [ cita necesaria ] 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 añaden inherentemente una amortiguación significativa. Esto ayuda a atenuar las resonancias en las frecuencias giroscópicas de los cojinetes (a veces llamados modos cónicos o oscilantes).
Es muy difícil fabricar un cojinete mecánico que sea atómicamente liso y redondo; y los cojinetes mecánicos se deforman en el funcionamiento a alta velocidad debido a la fuerza centrípeta . Por el contrario, los rodamientos fluidos se autocorrigen para detectar imperfecciones menores y deformaciones leves.
Los rodamientos fluidos suelen ser más silenciosos y suaves (fricción más constante) que los rodamientos. 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. Los accionamientos basados en rodamientos suelen ser al menos 4 dB más ruidosos.
Los rodamientos fluidos se pueden fabricar con un NRRO (desplazamiento no repetible) más bajo que un rodamiento de bolas o de elementos rodantes. Esto puede ser fundamental en los discos duros modernos y en los husillos de ultraprecisión.
Los cojinetes de almohadilla basculante se utilizan como cojinetes radiales para soportar y ubicar ejes en compresores.
Los rodamientos de láminas son un tipo de rodamientos de aire fluidodinámicos que fueron introducidos en aplicaciones de turbinas de alta velocidad en la década de 1960 por Garrett AiResearch . 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 hacia arriba y hacia abajo cuando el rodamiento hace contacto físico.
Los cojinetes de caucho lubricados con agua tienen una carcasa metálica cilíndrica larga que alberga múltiples duelas de caucho separadas por ranuras axiales. El uso del rodamiento tiene tres ventajas principales: (i) el agua bombeada que pasa a través del rodamiento 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 del rodamiento; y (iii) la resiliencia natural del caucho confiere al rodamiento buenas propiedades de 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 rodamientos de rodillos de contacto, un rodamiento 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 de fricción, desgaste, partículas y manipulación de lubricantes relacionados con los cojinetes, y ofrecen claras ventajas en el posicionamiento de precisión, como la falta de juego y fricción, así como en aplicaciones de alta velocidad.
La película de fluido del rodamiento es aire que fluye a través del propio rodamiento hasta la superficie del rodamiento. El diseño del cojinete neumático es tal que, aunque el aire se escapa constantemente del espacio 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 rodamientos aerodinámicos solo pueden funcionar en aplicaciones de alta velocidad; los rodamientos aerostáticos son necesarios para soportar cargas a baja velocidad. Ambos tipos requieren superficies con un alto acabado y una fabricación precisa.
Air hockey es un juego basado en un cojinete aerostático que suspende el disco y las paletas de los jugadores para proporcionar baja fricción y así mantener altas velocidades del disco. El rodamiento utiliza un plano con orificios periódicos que suministran aire justo por encima de la presión ambiental. El disco y las paletas descansan en el aire.
Los cojinetes de almohadilla basculante dinámicos fluidos Michell/Kingsbury fueron inventados de forma independiente y casi simultáneamente por el australiano de origen británico 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 a lo largo de un tramo, permitiendo 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 pastilla estaba colocado en el centro geométrico del rodamiento. [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 demostró 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 sobre pivotes. Cuando el rodamiento está en funcionamiento, la parte giratoria del rodamiento transporta aceite nuevo al área de la pastilla 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. Detrás de esta constricción se forma una cuña de fluido presurizado que separa las partes móviles. La inclinación de la almohadilla cambia de forma adaptativa con la carga y la velocidad del rodamiento. Varios detalles de diseño garantizan un reabastecimiento continuo de aceite para evitar el sobrecalentamiento y daños a las pastillas. [7]
Los cojinetes fluidos Michell/Kingsbury se utilizan en una variedad más amplia de equipos giratorios 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 en 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, sólo dos años después de que Michell publicara y Patentó su solución tridimensional a la ecuación de Reynold . En 1913, se reconocieron los grandes méritos del cojinete de plataforma basculante para aplicaciones marinas. El primer barco británico equipado con este rodamiento fue el barco de vapor que cruza el Canal de la Mancha , el Paris , pero durante la Primera Guerra Mundial muchos buques de guerra fueron equipados de manera similar . Los resultados prácticos fueron espectaculares: el problemático bloque de empuje se volvió dramáticamente 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 libras esterlinas sólo en 1918 como resultado de la instalación de los cojinetes de plataforma basculante de Michell.
Según la ASME (ver enlace de referencia), el primer cojinete de fluido Michell/Kingsbury en EE. UU. se instaló en la central hidroeléctrica de Holtwood (en el río Susquehanna , cerca de Lancaster, Pensilvania , EE. UU.) en 1912. El cojinete de 2,25 toneladas soporta una turbina hidráulica y un generador eléctrico con una masa giratoria de aproximadamente 165 toneladas y una turbina hidráulica que añade otras 40 toneladas de presión. El rodamiento ha estado en servicio casi continuo desde 1912, sin reemplazar ninguna pieza. La ASME informó que todavía estaba en servicio en 2000. En 2002, el fabricante estimó que los rodamientos de Holtwood deberían tener una vida útil sin mantenimiento de aproximadamente 1300 años.
Hasta ahora, los cojinetes de apoyo basculantes desempeñan un papel esencial en equipos giratorios como expansores, bombas, turbinas de gas o vapor o compresores. Además de los tradicionales rodamientos Babbitt que se utilizan desde principios del siglo XX, los fabricantes modernos como Miba utilizan otros materiales, por ejemplo, bronce o cobre-cromo, para mejorar el rendimiento de los rodamientos. [8]