La historia y la dinámica de los rodamientos de película fluida, parte 1

Los rodamientos, por definición, hacen que el mundo gire. Sin rodamientos, el movimiento se vuelve exponencialmente más difícil. Los rodamientos más comunes son los rodamientos de elementos rodantes que utilizan bolas o cilindros para permitir que se produzca la rotación dentro de un sistema.

En la industria de motores y bombas, la mayoría de los cojinetes de película fluida tienen un diseño hidrodinámico que utiliza el movimiento para crear la presión necesaria para separar las superficies. Por lo general, se lubrican con un fluido newtoniano, como el aceite, que tiene un caudal directamente proporcional a la presión aplicada. La viscosidad del aceite es lo que permite la formación de película hidrodinámica y presión. Visualice la película de aceite formada por muchas capas internas; cada capa es dibujada por la capa de arriba a un múltiplo de la velocidad del elemento en movimiento. Estas capas dentro del aceite provocan fricción. La fuerza requerida para provocar el movimiento en el elemento móvil es directamente proporcional a la fricción entre la capa de aceite. La viscosidad se mide y determina por la fuerza para superar esta fricción interna.

Si se descubre que las fallas de lubricación son un problema común al inspeccionar el equipo, se recomienda evaluar la viscosidad del aceite que se está utilizando. La temperatura, la aplicación y la carga pueden influir en la eficiencia de la lubricación. Comuníquese con el OEM con todos los detalles de la aplicación para obtener orientación sobre el aceite correcto. A menudo, los equipos están diseñados para fines generales, pero pueden modificarse para adaptarse a aplicaciones específicas. Si se está considerando instalar un nuevo sistema, asegúrese de proporcionar al fabricante todos los detalles sobre las condiciones de funcionamiento. La lubricación correcta puede significar la diferencia entre una unidad funcionando durante 10 meses y 10 años.

Con esta comprensión de la viscosidad y el aceite, se puede examinar cómo se manipula para crear una película de aceite para elevación y separación para la rotación del equipo. Usando una cuña convergente y divergente, la presión de diseño se genera y libera mediante la compresión y liberación del aceite. En un rodamiento radial, el diámetro interior suele estar diseñado para ser entre 0,001 y 0,002 pulgadas más grande que el eje. Esto equivale a 0,005 a 0,010 pulgadas de espacio libre para un eje de 5 pulgadas.

El espacio libre real varía según el fabricante y la aplicación. Este espacio libre es lo que permite la formación de cuñas convergentes y divergentes. A medida que las fuerzas de rotación del eje atraen el aceite hacia la formación de cuña, se comprime en un espacio más pequeño. Esto hace que la presión aumente. También crea y permite una elevación del componente giratorio. A medida que el aceite sale del espacio comprimido, es arrastrado hacia un espacio no comprimido a lo largo de una cuña divergente.

Cuando una máquina está en reposo, puede existir contacto metal con metal. Antes del arranque, se debe aplicar aceite para permitir que el eje suba y se deslice a su posición. Debido a la fricción inicial en el arranque, el eje subirá ligeramente por el costado del rodamiento a medida que el suministro inicial de aceite ingresa a la cuña convergente del rodamiento. La presión comenzará a aumentar a medida que se comprime el aceite, lo que provocará la separación del contacto metal con metal. Luego, el eje cambiará a la posición operativa, a medida que se forma la película de fluido a lo largo del muñón y el cojinete. Este punto está a la izquierda o a la derecha de la carga, dependiendo de la rotación.

En condiciones constantes, la fuerza desarrollada por la película de aceite es igual a la carga aplicada en una posición ligeramente excéntrica. El extremo más pequeño de la cuña es donde se encuentra el espesor mínimo de la película. Los sistemas de rodamientos dentro de un motor o bomba están diseñados teniendo en cuenta esta excentricidad. Las fugas finales influirán en el suministro de aceite. Se debe depositar suficiente aceite para permitir que se forme la película de aceite, ya que se produce una fuga final a lo largo de la cuña convergente. Éste es también el punto donde comienza la cuña divergente.

La cuña divergente comienza cuando se pasa la zona de máxima presión/espesor mínimo de película. Permite que la presión se libere en la zona libre de baja presión del sistema. Esta zona de baja presión se crea en oposición a la carga del rodamiento. Es a la salida de la zona de carga donde la cuña divergente comienza a extraer aceite con presión negativa. Las dimensiones del rodamiento, la velocidad, la carga, la viscosidad y la presión de suministro determinan el grado de presión negativa que puede existir antes de que se regenere la presión positiva. La caída de presión en la cuña divergente es más rápida a medida que el elemento giratorio extrae el aceite, mientras que el lado convergente de alta presión lo empuja hacia afuera. La fuga final también es un factor que determina la velocidad a la que se produce la caída de presión. Esto permite que el aceite realice un ciclo para disipar el calor y reingresar a la cuña convergente para comenzar el proceso nuevamente.

El centro del muñón de un cojinete de película de fluido hidrodinámico normalmente se desplazará en una posición estable y ligeramente excéntrica dentro del cojinete. Esta posición y condición estable dependen de la carga, la velocidad, el espacio libre y la viscosidad del aceite (Imagen 2). La mayoría de las aplicaciones de carga ligera y de alta velocidad se acercan mucho al centro del rodamiento durante su operación excéntrica. Existe la posibilidad de que con cojinetes cilíndricos simples el muñón orbite el punto estable de operación. Este movimiento se conoce como látigo de aceite o giro de aceite. Este fenómeno no está relacionado con la velocidad crítica de la máquina, como ocurre con algunos problemas de vibración. Se puede corregir mediante varios métodos, como agregar lóbulos, un orificio elíptico, ranurado lineal o almohadillas inclinadas, por nombrar algunos. Estas características adicionales permiten rutas de fluido alternativas que estabilizarán el movimiento del muñón al calmar el área de descarga de aceite. Se deben considerar estos cambios si se sospecha que hay remolinos de aceite. Todos los datos de la aplicación deben considerarse antes de cualquier modificación del sistema de rodamientos existente. Se recomienda verificar los cambios de diseño con ingenieros o con el OEM de la máquina.

Un rodamiento es un componente de un sistema que realiza un trabajo relativamente simple. Sin embargo, la consideración del diseño y la funcionalidad son más complejas. Si se especifica un diseño, holgura o aceite incorrectos, la falla será inminente. Garantizar que los rodamientos tengan las dimensiones correctas es la parte más esencial del diseño. Si se dan espacios libres inadecuados, el muñón no se desplazará en la posición correcta dentro del cojinete y se pueden producir vibraciones. Tampoco permitirá que el sistema acumule la cantidad correcta de presión para una lubricación y elevación adecuadas. Esto hará que el muñón se mueva más excéntrico de lo diseñado o impactará la pared del soporte y dañará el material del revestimiento. El diseño adecuado es fundamental para un funcionamiento adecuado.

Lea la parte 2 sobre la historia y dinámica de los rodamientos de película fluida.

Ryan Ossmann es director general de Wheeler Bearing Company, impulsada por Jenkins. Puede comunicarse con él en [email protected]. Para obtener más información, visite www.wheelerbearing.com.