Comprensión de los cojinetes de fricción
A cojinete de fricción — también llamado cojinete liso, cojinete de buje o cojinete de película fluida — soporta un eje giratorio sobre una película delgada y presurizada de lubricante en lugar de sobre elementos rodantes. La porción giratoria del eje dentro del cojinete es el muñón; se mantiene separado de la superficie estacionaria del cojinete gracias a una película hidrodinámica de aceite que el propio eje genera al arrastrar el lubricante hacia un espacio convergente con forma de cuña. Esa cuña presurizada soporta la carga completa rotor sin contacto metal contra metal. Dado que la película de aceite también proporciona un generoso amortiguamiento, los cojinetes de fricción son la opción natural para maquinaria de alta velocidad y alta carga — turbinas, generadores, compresores grandes — donde controlar vibración y estabilizar el rotor es lo más importante.
1. Definición: ¿Qué es un cojinete de fricción?
En un cojinete de fricción, el eje no toca el cojinete a velocidad de funcionamiento. En cambio, flota, ligeramente descentrado, sobre una cuña de lubricante de solo decenas de micrómetros de espesor. Este único hecho lo distingue de un rodamiento de elementos rodantes, que soporta la carga a través de bolas o rodillos en contacto de Hertz. Las fortalezas del cojinete de fricción fluyen directamente de la película de aceite: capacidad de carga muy alta, fricción extremadamente baja una vez establecida la película, funcionamiento silencioso y el amortiguamiento que permite hacer funcionar grandes rotores de manera suave a través y por encima de sus velocidades críticas. El comportamiento del eje y sus cojinetes juntos se estudia como un sistema rotor-rodamiento, porque ninguno puede entenderse de forma aislada.
2. Principio de funcionamiento: lubricación hidrodinámica
Cómo se forma la película de aceite
El cojinete de fricción se basa en la lubricación hidrodinámica, que se desarrolla en una secuencia predecible a medida que el eje alcanza la velocidad:
- Contacto inicial: en reposo, el eje descansa en la parte inferior del alojamiento bajo su propio peso, con metal tocando metal.
- Comienza la rotación: a medida que el eje comienza a girar, la adhesión arrastra el lubricante hacia el espacio de holgura.
- Formación de la cuña: la geometría convergente entre el eje y el alojamiento comprime ese aceite en un espacio con forma de cuña.
- Generación de presión: el aceite forzado hacia la cuña que se estrecha desarrolla presión hidrodinámica.
- Despegue: una vez que esa fuerza de presión supera el peso del eje, el muñón se eleva completamente y se desplaza sobre una película completa.
- Régimen permanente: el eje flota sobre la película presurizada, encontrando una posición de equilibrio desplazada del centro del alojamiento, sin contacto metálico.
La posición en la que se asienta el muñón — su excentricidad dentro de la holgura — no es fija. Se desplaza con la carga y la velocidad, y ese equilibrio cambiante es la raíz del complejo comportamiento dinámico del cojinete descrito a continuación.
Espesor de la película de aceite
- El espesor mínimo típico de la película es 10–100 micrómetros (0.0004–0.004 in) — extremadamente delgada, pero suficiente para mantener las superficies separadas.
- La película no es uniforme: varía a lo largo de la circunferencia, alcanzando su mínimo en el punto de mayor acercamiento entre el muñón y el alojamiento.
- El espesor depende de la velocidad, la carga, la viscosidad del lubricante y juego del rodamiento — aumente la velocidad o la viscosidad y la película se espesa; aumente la carga y se adelgaza.
- Dado que la viscosidad disminuye a medida que el aceite se calienta, el espesor de la película también es sensible a la temperatura de operación, por lo que la temperatura del suministro de aceite es un parámetro monitoreado en máquinas grandes.
3. Tipos de cojinetes de fricción
Cilíndrico liso (muñón completo)
- El diseño más simple: un alojamiento cilíndrico liso con una ranura de suministro de aceite y un ángulo de envoltura completo de 360°.
- Buena capacidad de carga, pero la película simétrica lo hace propenso a la inestabilidad — oil whirl — a alta velocidad y carga ligera.
- Común en motores, bombas y equipo industrial general donde las velocidades son moderadas.
Cojinetes de arco parcial
- La superficie del cojinete cubre solo parte de la circunferencia, típicamente 120–180°.
- Más ligeros y requieren menos flujo de aceite, pero ofrecen menor rigidez que un muñón completo.
- Adecuados para aplicaciones con cargas ligeras donde la dirección de la carga está bien definida.
Cojinetes de patas basculantes
- La superficie se divide en varias patas independientes, cada una libre de pivotar.
- Cada pata desarrolla su propia cuña hidrodinámica, lo que suprime el acoplamiento cruzado que impulsa el oil whirl.
- Inherentemente estables contra el whirl y el whip, son el estándar de la industria para turbomáquinas de alta velocidad.
- Más costosos y complejos, pero con características dinámicas marcadamente superiores.
Cojinetes con presa de presión y desplazados
- Cojinetes cilíndricos modificados con características geométricas — ranuras, un escalón “presa”, o una división desplazada (de forma de limón) — añadidas para mejorar la estabilidad.
- Estas características cargan deliberadamente la película para aumentar el amortiguamiento efectivo.
- Son un compromiso práctico entre el cojinete cilíndrico simple y el costoso diseño de patas basculantes.
Donde incluso un cojinete de patas basculantes no puede suministrar suficiente amortiguamiento para un rotor flexible, los diseñadores pueden añadir un amortiguador de película de aceite en serie con el cojinete para disipar energía adicional.
4. Características dinámicas
Rigidez
La rigidez del cojinete de fricción no es un solo número; es un conjunto de coeficientes que dependen de la velocidad y la carga:
- Baja velocidad: bajo rigidez — la posición del muñón cambia mucho a medida que varía la carga.
- Alta velocidad: mayor rigidez a medida que el campo de presión hidrodinámica se desarrolla por completo.
- Variación direccional: la rigidez difiere en las direcciones horizontal y vertical, por lo que el cojinete responde de manera anisotrópica.
- Rigidez acoplada cruzada: una deflexión en una dirección produce una fuerza en ángulo recto con ella. Este acoplamiento cruzado es precisamente el mecanismo que puede bombear energía en una órbita de whirl y desencadenar inestabilidad del rotor.
Amortiguamiento
La gran virtud de la película es el amortiguamiento que suministra:
- La energía se disipa por el cizallamiento viscoso del aceite a medida que el muñón se mueve dentro del juego.
- El amortiguamiento aumenta con la velocidad y con la viscosidad del aceite.
- Es lo que limita la amplitud de vibración cuando el rotor pasa por una velocidad crítica.
- Un amortiguamiento adecuado es esencial para evitar que las inestabilidades autoexcitadas crezcan sin límite.
Dependencia de la velocidad
Como tanto la rigidez como el amortiguamiento cambian con la velocidad, todo lo que depende de ellos también cambia:
- La rigidez aumenta con la velocidad.
- El amortiguamiento aumenta con la velocidad.
- Las frecuencias naturales aumentan con la velocidad.
- Las velocidades críticas, por lo tanto, se desplazan hacia arriba a medida que la máquina acelera, un efecto que se hace visible en un Diagrama de Campbell.
5. Ventajas y limitaciones
La película de aceite es responsable tanto de las destacadas fortalezas del cojinete de fricción como de sus demandas particulares.
- Alta capacidad de carga: puede soportar rotores muy pesados que aplastarían un rodamiento de elementos rodantes.
- Capacidad de alta velocidad: apto para velocidades de hasta 50 000 rpm y más allá.
- Bajo fricción a velocidad: una vez establecida la película hidrodinámica, el coeficiente de fricción es muy bajo (alrededor de 0,001–0,003).
- Excelente amortiguamiento: controla la vibración a través de las velocidades críticas y ayuda a estabilizar el rotor.
- Funcionamiento silencioso: sin paso de elementos rodantes significa sin ruido de elementos rodantes.
- Resistencia a impactos: la película de aceite amortigua las cargas transitorias e de impacto.
- Larga vida útil: sin contacto metálico en servicio, el desgaste es mínimo y es posible operar durante décadas.
- Diseño básico simple: el tipo cilíndrico liso es mecánicamente simple y económico.
Frente a esto se encuentran los desafíos prácticos:
- Alta fricción de arranque: no hay película en reposo, por lo que la máquina debe vencer el par de arranque y el desgaste por lubricación límite breve en cada inicio.
- Sistema de lubricación requerido: un suministro continuo de aceite limpio, frío y correctamente presurizado es obligatorio; lubricación del cojinete no es opcional, sino central para el diseño.
- Riesgo de whirl y whip: los cojinetes cilíndricos lisos son susceptibles al oil whirl y, cerca del doble de una velocidad crítica, al oil whip.
- Menor rigidez a bajas velocidades: la película flexible hace que el cojinete sea más blando que un rodamiento de elementos rodantes a baja velocidad, lo que ralentiza la respuesta.
- Sensibilidad a la temperatura: el rendimiento sigue la temperatura del aceite a través de su efecto sobre la viscosidad.
- Sensibilidad a la contaminación: las partículas duras pueden rayar la superficie blanda de babbitt o bloquear los pasos de aceite.
- Sin restricción axial: un cojinete de fricción localiza el eje solo radialmente; las cargas axiales necesitan un rodamiento de empuje.
6. Dónde se utilizan los cojinetes de fricción
Los cojinetes de fricción son estándar dondequiera que los rotores sean grandes, rápidos o ambos:
- Turbinas de vapor y gas: unidades de generación de energía de varios megavatios.
- Generadores grandes: generadores síncronos en plantas de energía.
- Compresores centrífugos: máquinas industriales de alta velocidad y alta carga.
- Motores eléctricos grandes: los motores por encima de aproximadamente 500 hp los utilizan con frecuencia.
- Propulsión marina: cojinetes del eje de la hélice y del tubo de popa.
- Máquinas de papel: los grandes rodillos que transportan la banda.
- Motores de combustión interna: cojinetes principales del cigüeñal y de la biela.
7. Relación con la dinámica de rotores y el balanceo en campo
Debido a que su rigidez y amortiguamiento definen gran parte del comportamiento de un rotor, los cojinetes de fricción se encuentran en el corazón de dinámica de rotores:
- Ubicación de la velocidad crítica: la rigidez y el amortiguamiento del cojinete determinan dónde caen las velocidades críticas y qué tan altos son los picos de vibración allí.
- Estabilidad: el tipo de cojinete decide en gran medida la susceptibilidad al oil whirl y al shaft whip; las frecuencias subsíncronas características que producen se pueden estimar con un calculadora de frecuencias de defecto del cojinete de fricción.
- Mapeo de frecuencias: un diagrama de Campbell muestra cómo migran las frecuencias naturales con la velocidad a medida que cambia la rigidez del cojinete.
- Respuesta al balanceo: las características del cojinete moldean el coeficientes de influencia que gobierna cómo responde el rotor a un peso de corrección.
Ese último punto es donde el cojinete se encuentra con el mantenimiento diario. Cuando una turbina o compresor que funciona en cojinetes de fricción muestra una desbalance respuesta elevada de 1×, se balancea en su lugar, en sus propios cojinetes, a la velocidad de operación. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A mide la amplitud síncrona y fase en cada cojinete, calcula los coeficientes de influencia del rotor a partir de una prueba y calcula los pesos de corrección necesarios, capturando la verdadera respuesta del sistema rotor-cojinete ensamblado, incluida la rigidez y el amortiguamiento de la película que una máquina de balanceo nunca podría reproducir. Verificado contra el grado de balanceo ISO 21940-11 apropiado, el resultado refleja cómo se comporta realmente la máquina en servicio.
Los cojinetes de fricción son una tecnología madura y sofisticada que sigue siendo insustituible en maquinaria crítica de alto rendimiento. Su combinación única de capacidad de carga, capacidad de velocidad y amortiguamiento justifica la complejidad de su lubricación y comportamiento dinámico, y un conocimiento práctico de ese comportamiento es esencial para cualquiera que diagnostique o realice el balanceo de equipos rotativos grandes.
