Cojinetes hidráulicos y neumáticos

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Los cojinetes hidráulicos  son cojinetes en los que una fina capa de fluido absorbe la carga directa del eje.

Los cojinetes hidráulicos y neumáticos a menudo se usan para cargas altas, altas velocidades y donde se requiere un ajuste preciso del eje cuando los cojinetes de bolas convencionales producen demasiada vibración, demasiado ruido o no cumplen con los requisitos de equipo compacto o las condiciones de longevidad. Se están utilizando cada vez con más frecuencia debido a la disminución de los costos. Por ejemplo, los discos duros de computadora , en los que el eje del motor está asentado sobre cojinetes hidráulicos, funcionan de manera más silenciosa y son más baratos que los mismos discos que contienen cojinetes de bolas.

Cómo funciona

Estos rodamientos generalmente se pueden dividir en dos tipos:

• hidrodinámica y gasodinámica;
• hidrostático.

En un cojinete hidrostático , una bomba externa mantiene una alta presión de fluido . El líquido que contienen suele ser aceite o agua. Dado que dichos cojinetes requieren inyección de líquido desde una bomba externa para su funcionamiento, la energía suministrada a la bomba es energía desperdiciada para el sistema en su conjunto. Sin embargo, en ausencia de una bomba, esta energía se gastaría en vencer las fuerzas de fricción.

En un cojinete hidrodinámico , cuando el eje gira a altas velocidades, el líquido es arrastrado por el eje hacia el espacio entre las superficies de fricción y, por lo tanto, se lleva a cabo la autolubricación. Puede considerarse como un cojinete liso, en el que la geometría, la velocidad de rotación suficiente y el libre suministro de lubricación hacen que la capa de aceite sea lo suficientemente gruesa como para eliminar completamente la fricción de contacto en cualquier condición de funcionamiento.

En estos cojinetes, el fluido es aspirado hacia el interior del cojinete por el movimiento del eje y forzado debajo o alrededor del eje por el mismo movimiento del eje. Como resultado, a bajas velocidades de rotación del eje (incluso en el momento del arranque y el frenado), la capa líquida debajo del eje tiene un espesor insuficiente y esto conduce al contacto directo de las partes del par. Si tales modos ocurren con la suficiente frecuencia, entonces el rodamiento tiene una vida útil más corta y se producen grandes pérdidas de energía. En ocasiones, para prevenir estos problemas en los rodamientos hidrodinámicos, se utiliza ya sea un rodamiento secundario o una bomba externa, que se incluyen en el trabajo a la hora de arrancar o frenar. Los revestimientos especiales resistentes al desgaste y antifricción (por ejemplo, de tipo diamante ) también pueden reducir significativamente el desgaste de puesta en marcha. A menudo se negocia el número de arranques/paradas de la máquina antes de la reparación de un rodamiento, que puede ser muy pequeño en comparación con la vida útil total.

El eje puede estar rodeado no por un casquillo rígido, sino por varios pétalos elásticos o un anillo partido hecho de lámina de resorte sobre un soporte elástico (“foil bearing”, rodamiento de lámina inglés ) para distribuir uniformemente la carga sobre la superficie del par. Los rodamientos de pétalos (y generalmente gas-dinámicos) también existen en la versión final ( empuje ) [1] .

Ventajas y desventajas

Beneficios

• Los cojinetes hidráulicos y neumáticos, en general, tienen coeficientes de fricción muy bajos, mucho más bajos que los cojinetes mecánicos. La principal fuente de fricción es la viscosidad de un líquido o gas. Dado que la viscosidad de un gas es menor que la de un líquido, los cojinetes estáticos de gas se encuentran entre los cojinetes con los coeficientes de fricción más bajos. Sin embargo, cuanto menor sea la viscosidad del líquido, mayor será la fuga, lo que requiere costos adicionales para la inyección de líquido (o gas) en el cojinete. Estos rodamientos también requieren sellos y cuanto mejor sea el sello, mayores serán las fuerzas de fricción.

• Bajo cargas elevadas, el juego entre las superficies de los cojinetes hidráulicos cambia menos que en los cojinetes mecánicos. La "rigidez del cojinete" se puede considerar como una función simple de la presión promedio del fluido y el área superficial del cojinete. En la práctica, cuando la carga en el eje es grande y la holgura entre las superficies del cojinete disminuye, la presión del fluido debajo del eje aumenta, la fuerza de resistencia del fluido aumenta considerablemente y, por lo tanto, se mantiene la holgura en el cojinete.
  Sin embargo, en rodamientos con cargas ligeras, como los rodamientos en unidades de disco, la rigidez de los rodamientos es del orden de 10 7 MN / m , mientras que en los rodamientos hidráulicos es de ~10 6 MN/m. Por esta razón, para aumentar la rigidez, algunos cojinetes hidráulicos, en particular los cojinetes hidrostáticos, están diseñados para ser precargados.

• Debido a su principio de funcionamiento, los cojinetes hidráulicos suelen tener una importante capacidad de amortiguación .

• Los cojinetes hidráulicos y neumáticos tienden a funcionar de manera más silenciosa y generan menos vibraciones que los cojinetes de rodamiento (debido a las fuerzas de fricción distribuidas de manera más uniforme ). Por ejemplo, los discos duros fabricados con cojinetes hidráulicos (neumáticos) tienen un nivel de ruido del cojinete/motor de 20-24 dB , que no es mucho más que el ruido ambiental en una habitación cerrada. Los discos con rodamientos son al menos 4 dB más ruidosos.

• Los cojinetes hidráulicos son más económicos que los cojinetes convencionales para las mismas cargas. Los cojinetes hidráulicos y neumáticos tienen un diseño bastante simple. Por el contrario, los rodamientos contienen rodillos o bolas que tienen una forma compleja y requieren una fabricación de alta precisión: es muy difícil producir superficies de rodadura perfectamente redondas y lisas. En los rodamientos mecánicos a altas velocidades, las superficies se deforman debido a la fuerza centrífuga , mientras que los rodamientos hidráulicos y neumáticos se autocorrigen frente a pequeñas desviaciones en la forma de las piezas del rodamiento.

Además, la mayoría de los cojinetes hidráulicos y neumáticos requieren poco o ningún mantenimiento . Además, tienen una vida útil casi ilimitada. Los rodamientos convencionales tienen una vida más corta y requieren lubricación, inspección y reemplazo regulares.

• Los cojinetes hidrostáticos y muchos neumáticos son más complejos y costosos que los cojinetes hidrodinámicos debido a la presencia de una bomba .

Desventajas

• Los cojinetes de fluido generalmente disipan más energía que los cojinetes de bolas.

• La disipación de energía en los rodamientos, así como las propiedades de rigidez y amortiguación, dependen mucho de la temperatura, lo que complica el diseño de los rodamientos y su funcionamiento en un amplio rango de temperaturas.

• Los cojinetes hidráulicos y neumáticos pueden agarrotarse o fallar repentinamente en situaciones críticas. Los rodamientos de bolas a menudo fallan gradualmente, este proceso se acompaña de la aparición de ruidos y juegos extraños audibles.

• El desequilibrio del eje y otras piezas en los cojinetes hidráulicos y neumáticos es mayor que en los cojinetes de bolas, lo que da como resultado una mayor precesión , lo que lleva a una reducción de la vida útil del cojinete y un rendimiento deficiente. .

• Otra desventaja de los cojinetes hidráulicos y neumáticos es la fuga de líquido o gas fuera del cojinete; retener un líquido o gas dentro de un cojinete puede ser un problema significativo. Los muñones de cojinetes hidráulicos y neumáticos a menudo se instalan dos o tres en fila para evitar fugas de un lado. Los cojinetes hidráulicos que utilizan aceite no se utilizan en los casos en que la fuga de aceite al medio ambiente es inaceptable o cuando su mantenimiento no es económicamente factible.

Aplicación de rodamientos hidrodinámicos

Los cojinetes hidrodinámicos son los más utilizados en máquinas debido a la simplicidad de su diseño, aunque durante los períodos de arranque y parada, a bajas velocidades, funcionan en condiciones de lubricación límite o incluso fricción "seca".

• Uno de los principales ejemplos del régimen hidráulico de fricción de la vida cotidiana son los cojinetes del cigüeñal y del árbol de levas de un motor de combustión interna, en los que, durante su funcionamiento, se mantiene constantemente una cuña de aceite debido a la viscosidad del aceite y la Aumento de la presión del sistema de lubricación. El principal desgaste del eje ocurre en el momento de arrancar el motor, cuando el rendimiento de la bomba no es suficiente para mantener la cuña de aceite y la fricción se convierte en límite.
• En máquinas modernas de precisión que operan bajo cargas ligeras, especialmente en rectificado.
• El uso de cojinetes lisos hidrodinámicos en lugar de rodamientos en los discos duros de las computadoras permite regular la velocidad de rotación de los husillos en un amplio rango, reducir el ruido y el efecto de las vibraciones en el funcionamiento de los dispositivos, aumentando así la tasa de transferencia de datos. y garantizar la seguridad de la información grabada, así como crear discos duros más compactos (0,8 pulgadas). Sin embargo, hay una serie de desventajas: altas pérdidas por fricción y, como resultado, eficiencia reducida (0.95 ... 0.98); la necesidad de lubricación continua; desgaste desigual del cojinete y el pasador; el uso de materiales caros para la fabricación de rodamientos.
• En bombas, por ejemplo, en la bomba de circulación del reactor RBMK - 1000.
• En ventiladores para enfriar una computadora personal. El uso de este tipo de rodamiento reduce el ruido y mejora la eficiencia del sistema de refrigeración. Incluso en la etapa inicial, un cojinete hidrodinámico es más silencioso que un cojinete liso. Después de un cierto período de funcionamiento, no pierde sus propiedades acústicas y no se vuelve más ruidoso, a diferencia de otros rodamientos.

El uso de cojinetes dinámicos de gas

Los cojinetes dinámicos de gas se utilizan ampliamente en la tecnología de turbinas de gas y turbomáquinas neumáticas de alta velocidad. Sus principales ventajas en este ámbito son la durabilidad en condiciones difíciles sin necesidad de lubricación, la resistencia a los efectos térmicos, la ausencia de vibraciones y una velocidad de giro prácticamente ilimitada. Los cojinetes de "aire" se utilizan en turbinas auxiliares de aeronaves, unidades de turbinas de potencia [2] , refrigeradores neumáticos del sistema de aire acondicionado de aeronaves que reciben aire comprimido de los motores. Se está trabajando activamente en la dirección de crear cojinetes dinámicos de gas para los principales motores de turbina de gas de los aviones , prometiendo una mayor durabilidad, aligeramiento debido a la ausencia de un sistema de aceite y un ahorro de combustible del 10% debido a la eliminación de la fricción del fluido [3] . La ausencia de lubricación orgánica y la capacidad de operar a temperaturas criogénicas hacen posible el uso de dichos rodamientos en turboexpansores en la producción de gases licuados. Se han creado turbocompresores con cojinetes dinámicos de gas para la sobrealimentación de motores alternativos de combustión interna . La ausencia de aceite lubricante simplifica el diseño, reduce el peso y aumenta la confiabilidad de esta problemática unidad [4] .

De acuerdo con el principio de un cojinete dinámico de gas, funciona un par de "superficies magnéticas de cabeza" de un disco duro, en el que, durante la rotación, se crea una cuña de aire en fracciones de micra , eliminando la fricción de contacto, así como un par de “cabezas giratorias de cinta” de un VCR .

Notas

1. ↑ http://foil-bearing.ru Copia de archivo fechada el 31 de mayo de 2022 en la página de Wayback Machine de desarrolladores nacionales de rodamientos de pétalos
2. ↑ Cojinetes de aire de microturbina . Consultado el 22 de abril de 2015. Archivado desde el original el 18 de febrero de 2015. (indefinido)
3. ↑ MiTi - Foil Bearing - Oil-Free Bearing - Tribometer - Turbocharger Archivado el 16 de febrero de 2015 en Wayback Machine .
4. ↑ http://info.inodetal.ru/avtozapchasti/malenkie-xitrosti/pochemu-gonit-maslo-turbina/ Archivado el 24 de abril de 2015 en Wayback Machine ¿Por qué una turbina "impulsa aceite"? (sobre fallas en el turbocompresor del automóvil)

Literatura

• Máquinas de corte de metales: Libro de texto / V. E. Push, Moscú : Mashinostroyeniye , 1986.- 564 p.