Los cojinetes de ranura espiral (también conocidos como cojinetes de rifle ) son cojinetes autoactuantes (de muñón y de empuje) o hidrodinámicos que se utilizan para reducir la fricción y el desgaste sin el uso de lubricantes presurizados. Tienen esta capacidad debido a patrones especiales de ranuras. Los cojinetes de ranura espiral son autoactuantes porque su propia rotación genera la presión necesaria para separar las superficies de los cojinetes. Por este motivo, también son cojinetes sin contacto.
Los cojinetes axiales de ranura espiral generan la presión necesaria para mantener las superficies de los cojinetes lubricadas y separadas únicamente por el efecto de bombeo de las ranuras, mientras que las formas cónicas, esféricas y de muñón también generan una presión adicional por la acción de cuña hidrodinámica del cojinete . Cuando las partes de los cojinetes giran unas con respecto a otras, las ranuras empujan el lubricante a través del cojinete entre las superficies, lo que provoca un aumento general de la presión.
El movimiento de las superficies hará que el fluido fluya sobre las ranuras y se forme una onda de presión perpendicular a la dirección del movimiento. Entre la superficie de los cojinetes y el fluido, se produce un aumento neto de la presión porque este flujo está limitado por una sección de cojinete liso u otro conjunto de ranuras que producen un aumento de presión que actúa para contrarrestar el aumento de presión creado por el primer conjunto de ranuras (patrón en espiga). A una velocidad suficiente, las presiones internas crean suficiente fuerza para soportar la carga aplicada y las superficies de los cojinetes se separan completamente. Es la presión que actúa perpendicularmente a la dirección del movimiento la que soporta la carga del cojinete.
La mayoría de los gases o líquidos se pueden utilizar como lubricante, incluidos refrigerantes, metales líquidos, aceite, grasa, [1] agua o aire. [2]
Esta explicación no tiene en cuenta los efectos de la inercia , la compresibilidad del lubricante y otros factores. [3]
Las dimensiones de las ranuras se adaptan a las condiciones de funcionamiento previstas del rodamiento. Si las hendiduras en la superficie ranurada son demasiado profundas, se producirá una fuga importante de lubricante. Si la profundidad se reduce, se detendrá el efecto de bombeo. También se deben tener en cuenta la velocidad de rotación de las superficies del rodamiento y la precisión de las dimensiones. Los diseñadores y fabricantes calculan las dimensiones óptimas para lograr la mayor eficiencia. [4] Las ranuras se realizan mediante los siguientes métodos:
El grabado es la forma más sencilla de fabricar cojinetes con ranuras en espiral. La superficie del metal se recubre con una laca resistente al grabado y luego se eliminan a mano las ubicaciones previstas para las ranuras. Los factores que afectan las propiedades de las ranuras en este método son:
A pesar de la simplicidad de este método, existe una desventaja importante: la profundidad de la ranura no es uniforme y, por lo tanto, es bastante imprecisa.
Este método se diferencia del grabado regular en que se colocan dos capas sobre la superficie a ranurar, pero solo la capa superior queda expuesta al agente de grabado, dejando las superficies inferiores protegidas.
Este método se utiliza cuando se requieren ranuras más precisas y uniformes. Las ranuras se cortan con un cortador de diámetro eléctrico, se hace girar la superficie del disco y el cortador se dirige mediante un anillo guía, de modo que las espirales tengan la forma logarítmica requerida.
Una desventaja de este método es que se requiere equipo más especializado para cortar con precisión ranuras más pequeñas (aproximadamente 6 cm y menos).
La soldadura se utiliza cuando no se dispone de otros métodos de fabricación o no son aplicables a la situación dada; por ejemplo, el cojinete es demasiado grande para un baño de grabado. Se obtiene una lámina en la que se han grabado las ranuras y se suelda sobre la superficie plana del cojinete.
Los factores que se consideran en este método son:
Los láseres modernos han hecho que la producción de ranuras precisas sea más fácil y asequible, pero no todos los láseres ni las empresas de láser tienen la tecnología necesaria. Un buen proveedor producirá ranuras precisas de profundidad constante en piezas de cerámica o metal con una precisión de fracciones de micrómetro, incluidas ranuras logarítmicas adecuadas para cojinetes de empuje.[1]
Estos son los principales tipos de cojinetes de ranura en espiral. [5]
Los cojinetes de forma cilíndrica con un patrón de espiga de ranuras espirales proporcionan un cojinete con excelente capacidad de carga, resistencia a la cavitación y excelente estabilidad.
El patrón simétrico en espiga tiene un flujo cero, lo que reduce la posibilidad de que entre suciedad en el cojinete, pero también se encuentran cojinetes con ranuras en espiral con un patrón único que produce un flujo continuo de lubricante. Esta característica se ha utilizado para producir un volumen conocido de flujo para sistemas de dosificación de bombas diésel de flujo constante.
Los cojinetes axiales planos, los cojinetes de ranura en espiral más comunes, se denominan así porque uno consta de una superficie plana que se opone a la superficie ranurada.
Las variaciones en este tipo de cojinetes se deben a la naturaleza de la superficie espiral y al tipo de flujo de fluido. A continuación, se incluye una lista de los diferentes tipos de cojinetes axiales planos:
Un cojinete de empuje esférico (o más habitualmente hemisférico) consiste en una esfera que gira concéntricamente en una copa esférica con patrones de ranuras.
La imagen muestra el cojinete hemisférico con ranura en espiral lubricado con grasa inventado por Ron Woolley del Servicio de Asesoramiento sobre Cojinetes de Gas de la Universidad de Southampton en colaboración con British Gas. [6]
En estos cojinetes se corta un cono del extremo de un eje cilíndrico. En la superficie del cono, junto a la parte cilíndrica, se realizan las ranuras.
Los cojinetes de ranura espiral se inventaron en el Reino Unido y uno de los primeros artículos publicados fue el de Whipple, de donde se los denominó originalmente "cojinetes de ranura espiral". [7] Durante los años 1960 y 1970 hubo una explosión de métodos analíticos para su diseño y se probaron numerosas aplicaciones. Gran parte de la historia se puede ver en las publicaciones del Simposio Internacional de Cojinetes de Gas [8]
Los cojinetes de ranura espiral se utilizaron con mucho éxito en giroscopios inerciales para aviones y barcos. [9] En esta aplicación, los cojinetes de ranura espiral estaban hechos de cerámica de carburo de boro y las ranuras se fabricaron con ION beam. Los cojinetes tuvieron mucho éxito, con valores MTBF superiores a 100.000 horas y una capacidad de arranque y parada de 1.000.000 de veces. [10]
Debido a las múltiples ventajas técnicas, los cojinetes de empuje continúan utilizándose en giroscopios como en el telescopio Hubble . [11]
En los últimos 20 años han surgido muchas otras aplicaciones en compresores y turbinas que aprovechan las características de limpieza ecológica, baja fricción, larga vida útil y libre de aceite. [12]
Una de las principales áreas de aplicación es la del sello de gas seco, en el que un cojinete de empuje con ranura en espiral actúa para separar las caras del sello y crear un espacio de sellado estrecho que evita el contacto y el desgaste. Estos son muy exitosos y se han aplicado a muchos compresores industriales.
Otro uso notable de los cojinetes de ranura espiral es en los expansores criogénicos . Se utilizan aquí para soportar la rotación a alta velocidad de las turbinas y para minimizar las pérdidas de potencia debido a la ineficiencia. Los expansores criogénicos extraen energía de las corrientes de gases que ingresan en ellos, lo que provoca una rápida disminución de la temperatura, y la energía extraída se utiliza para hacer girar las turbinas. [13] [14]
A continuación se enumeran las ventajas de utilizar cojinetes de ranura en espiral en comparación con otros cojinetes autoactuantes.
Existen en el mercado algunos métodos de diseño en hojas de cálculo para lubricantes incompresibles (aceite, agua), pero para los lubricantes de gas compresible hay que recurrir a métodos numéricos y a empresas de diseño especializadas. En general, el análisis de los cojinetes de ranura espiral requiere un método numérico que resuelva la ecuación de Reynolds, aunque existen algunos parámetros óptimos publicados. [15] Los métodos de CFD modernos no son adecuados para el trabajo de diseño general, ya que la cantidad de elementos alrededor del cojinete y a lo largo del espacio libre hace que los análisis sean demasiado lentos. El aspecto crítico del diseño para todos los cojinetes que utilizan lubricantes de gas compresible es la estabilidad , mientras que para los fluidos incompresibles, la carga y la pérdida de potencia se vuelven igualmente importantes.
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