Cómo funcionan los cojinetes lisos: explicación técnica paso a paso

A cojinete liso soporta un eje giratorio (el muñón) dentro de un manguito estacionario (el rodamiento) generando una película de fluido presurizado que separa completamente las dos superficies. Esta capacidad de carga surge de la efecto hidrodinámico : el movimiento relativo entre el eje y el rodamiento atrae el lubricante hacia un espacio libre convergente en forma de cuña, creando una distribución de presión que soporta la carga aplicada.

Para que un rodamiento funcione correctamente, se deben cumplir tres condiciones : (1) velocidad superficial relativa suficiente, (2) un lubricante viscoso y (3) una geometría de holgura convergente. Cuando estos están presentes, el rodamiento opera en el régimen de lubricación de película completa , donde se minimiza la fricción y el desgaste.

Regímenes de lubricación en cojinetes lisos

El rendimiento y la vida útil de un cojinete liso están determinados por su régimen de lubricación. Estos regímenes están definidos por el grado de separación de la superficie y están influenciados por la carga, la velocidad y la viscosidad del lubricante.

Lubricación límite

Ocurre durante el arranque, apagado o a velocidades muy bajas. La película lubricante es insuficiente para separar las superficies, lo que provoca contacto directo de aspereza entre el diario y el rodamiento. Este régimen produce una alta fricción y desgaste, y su duración debe minimizarse en el diseño.

Lubricación de película mixta

Un estado intermedio donde la presión hidrodinámica se genera parcialmente, pero algunas asperezas superficiales todavía interactúan . Esto suele ocurrir durante velocidades de transición o bajo cargas de choque. La fricción y el desgaste son menores que en la lubricación límite, pero siguen siendo significativos.

Lubricación de película completa (hidrodinámica)

El estado operativo ideal. El muñón se desplaza sobre una película lubricante completa y continua que lo separa por completo de la superficie del rodamiento. La presión del fluido se genera por la rotación del eje, equilibrando la carga externa. En este régimen, La fricción está determinada por el corte del fluido. , y el desgaste prácticamente se elimina.

Física paso a paso: cómo se forma la cuña hidrodinámica

La transición de un eje en reposo a un eje giratorio totalmente soportado es un proceso dinámico que se puede dividir en distintos pasos.

Paso 1: el eje en reposo

Cuando el eje está estacionario, descansa en la parte inferior del juego del rodamiento debido a su peso. El juego es excéntrico, con los centros del eje y del cojinete desalineados. En este punto, hay contacto directo metal con metal en la parte inferior del rodamiento.

Paso 2: Rotación y arrastre de lubricante

A medida que el eje comienza a girar, arrastra el lubricante viscoso hacia el espacio convergente en forma de cuña entre el eje y el rodamiento. El lubricante es aspirado hacia el espacio cada vez más estrecho debido a su adherencia a la superficie en movimiento .

Paso 3: Generación de presión y elevación del eje

A medida que el lubricante pasa a través del espacio convergente, su presión aumenta significativamente. Esta presión autogenerada crea una fuerza hidrodinámica que empuja el eje lejos de la superficie del rodamiento. el eje sube por el muro de carga en el sentido de rotación hasta encontrar su posición de equilibrio. En este punto, la carga está totalmente soportada por la película de fluido y el rodamiento funciona en el régimen de película completa.

Régimen de lubricación versus condiciones de operación

Parámetros de diseño críticos para la optimización del rendimiento

La optimización del rendimiento de los cojinetes implica equilibrar varios parámetros geométricos y operativos clave. Estas variables determinan la capacidad de carga, la pérdida de potencia y la estabilidad del rodamiento.

Juego radial

La diferencia entre el radio interior del rodamiento y el radio del eje. El espacio libre óptimo es fundamental : demasiado pequeño y la película de aceite no se puede formar correctamente, lo que provoca sobrecalentamiento y agarrotamiento; demasiado grande y la película de aceite se vuelve inestable, provocando una vibración excesiva y una capacidad de carga reducida. La liquidación es un factor principal que influye en la espesor mínimo de la película de aceite .

Relación longitud-diámetro (L/D)

Esta relación define la geometría del rodamiento. Una relación L/D más alta (un rodamiento más largo) proporciona una mayor capacidad de carga pero también aumenta la pérdida de potencia debido a un corte más viscoso. La elección del diseño depende de la requisitos específicos de carga y velocidad de la aplicación.

Viscosidad del lubricante

La viscosidad, que depende en gran medida de la temperatura, afecta directamente al espesor de la película y a la fricción. Un lubricante de mayor viscosidad crea una película más espesa pero también genera más calor por fricción. La selección debe garantizar que Se mantiene un espesor de película adecuado a la temperatura de funcionamiento del rodamiento. .

Rugosidad de la superficie

El acabado superficial tanto del muñón como del rodamiento influye en el inicio de la lubricación mixta. Las superficies más lisas permiten una mayor proporción de espesor de película. Las investigaciones indican que optimizar la textura de la superficie puede mejorar significativamente el rendimiento tribológico.

Consideraciones de rendimiento y estabilidad

Más allá del soporte de carga básico, un cojinete liso bien diseñado debe mantener un rendimiento dinámico estable y predecible. Dos fenómenos de inestabilidad comunes son particularmente críticos en aplicaciones de alta velocidad.

Inestabilidades del remolino de aceite y del látigo de aceite

A altas velocidades, las fuerzas hidrodinámicas pueden volverse inestables, lo que hace que el eje gire dentro del espacio libre del rodamiento. torbellino de aceite Es una vibración subsincrónica que ocurre a una frecuencia ligeramente inferior a la mitad de la velocidad de rotación (típicamente 0,40x a 0,48x ). Si la frecuencia de giro coincide con una frecuencia natural del sistema del rotor, puede convertirse en un fenómeno violento y destructivo. látigo de aceite , lo que podría conducir a un fracaso catastrófico.

Coeficientes dinámicos y amortiguación

Los cojinetes proporcionan una amortiguación significativa, que es crucial para controlar las vibraciones del rotor. Los coeficientes de rigidez y amortiguación de la película lubricante no son lineales y dependen de las condiciones de funcionamiento y de la geometría del rodamiento. Estos coeficientes son esenciales para Modelado y predicción del comportamiento dinámico del rotor. .

Tipos comunes de cojinetes lisos y sus aplicaciones

La geometría específica de un cojinete liso se adapta para satisfacer las demandas de su aplicación. Los tipos de claves incluyen los siguientes.

Rodamientos lisos (cilíndricos)

El diseño más simple y común, con un orificio cilíndrico sencillo. Son muy rentables y adecuados para una amplia gama de aplicaciones de uso general, como bombas, motores y cajas de engranajes, bajo cargas constantes y velocidades moderadas.

Rodamientos multilobulares (elípticos y limón)

Diseñado con orificios no circulares (por ejemplo, elípticos) para crear cuñas hidrodinámicas precargadas. Este diseño mejora la estabilidad a altas velocidades al reducir la rigidez del acoplamiento cruzado que provoca el remolino del aceite. Se encuentran comúnmente en compresores y sopladores de alta velocidad.

Cojinetes de almohadilla basculante (TPJB)

Consisten en almohadillas individuales que giran para formar automáticamente la cuña hidrodinámica óptima. Esta configuración ofrece estabilidad y amortiguación excepcionales en un amplio rango de velocidades y es la opción preferida para turbomáquinas de alto rendimiento, a pesar de su mayor costo y complejidad.

Rodamientos híbridos

Combine principios de acción automática (hidrodinámicos) con presurización externa (hidrostática). Una bomba externa proporciona aceite a alta presión para levantar el eje a velocidades bajas o nulas, evitando el desgaste inicial. A la velocidad de funcionamiento, pasan a funcionamiento hidrodinámico, ofreciendo la beneficios de ambos tipos .

Conclusiones clave para la práctica de la ingeniería

Con base en los principios de la lubricación hidrodinámica, las siguientes conclusiones son fundamentales para el diseño y funcionamiento exitosos de los cojinetes lisos.

• El objetivo es la separación completa de la película. Un cojinete liso diseñado correctamente funciona con una película de fluido completa, lo que elimina el desgaste y minimiza la fricción. El principal indicador de desempeño es el espesor mínimo de la película de aceite , que debe exceder un umbral seguro para la rugosidad de la superficie.
• El equilibrio es fundamental. El diseño es una compensación. El aumento de la capacidad de carga requiere una relación L/D más alta o un aceite más viscoso, lo que a su vez aumenta la pérdida de potencia y la temperatura de funcionamiento. La optimización busca el mejor compromiso para el ciclo de trabajo específico.
• La estabilidad gobierna el funcionamiento a alta velocidad. Para rotores de alta velocidad, abordar la inestabilidad potencial (giro/latigazo de aceite) es tan importante como la capacidad de carga. Esta es la razón por la que a menudo se seleccionan rodamientos multilobulares o de almohadilla basculante para maquinaria crítica de alta velocidad.

Preguntas frecuentes

1. ¿Cuál es la función principal de un cojinete liso?

Su función principal es proporcionar soporte lateral (radial) a un eje giratorio con una fricción mínima. Lo hace generando una película de fluido a alta presión que separa el eje en movimiento de la superficie del rodamiento estacionario.

2. ¿Por qué es tan importante el juego radial en un cojinete liso?

El juego radial es crucial porque dicta el volumen disponible para la película lubricante y la forma de la cuña hidrodinámica. Liquidación incorrecta puede provocar un espesor de película insuficiente (lo que provoca contacto y desgaste) o una película inestable y muy dinámica (lo que provoca vibraciones).

3. ¿Cuál es la diferencia entre el remolino de aceite y el batido de aceite?

El remolino de aceite es una vibración subsincrónica estable del eje (a ~0,4-0,48x la velocidad de rotación) causada por las fuerzas hidrodinámicas en el rodamiento. látigo de aceite es la condición más severa que ocurre cuando la frecuencia del remolino se bloquea en una frecuencia de resonancia natural del sistema del rotor, lo que genera amplitudes de vibración grandes y potencialmente destructivas.

4. ¿Cuáles son las principales ventajas de un cojinete de cojinete basculante sobre un cojinete liso?

Oferta de rodamientos basculantes estabilidad rotordinámica superior porque sus pastillas individuales giran para crear el mejor perfil de cuña, evitando eficazmente el remolino de aceite. También manejan mejor la desalineación y operan eficientemente en un rango de velocidad más amplio, aunque son más costosos de fabricar.