Comprensión de los cojinetes de muñón
Definición: ¿Qué es un cojinete de muñón?
A cojinete de muñón El cojinete de fricción (también llamado cojinete liso, cojinete de manguito o cojinete de película fluida) es un tipo de cojinete que soporta un eje giratorio mediante una fina película de lubricante a presión, en lugar de mediante elementos rodantes. El eje giratorio (el muñón) está separado de la superficie fija del cojinete por una película de aceite hidrodinámica que se genera al girar el eje, arrastrando el aceite hacia una ranura convergente en forma de cuña. Esta cuña de aceite a presión soporta la carga del eje sin contacto metal-metal.
Los cojinetes de fricción son fundamentales para la maquinaria rotativa de alta velocidad y alta carga, como turbinas, generadores y grandes compresores, ya que proporcionan una excelente capacidad de carga, baja fricción a altas velocidades y una resistencia significativa. mojadura que ayuda a controlar vibración y estabilizar rotor sistemas.
Principio de funcionamiento: Lubricación hidrodinámica
Cómo se forma la película de aceite
El cojinete de deslizamiento funciona según el principio de lubricación hidrodinámica:
- Contacto inicial: Cuando está parado, el eje descansa sobre la superficie de apoyo bajo la acción de la gravedad.
- Comienza la rotación: Cuando el eje comienza a girar, arrastra aceite hacia el espacio por adherencia.
- Formación en cuña: La geometría convergente entre el eje y el cojinete crea un espacio en forma de cuña.
- Generación de presión: El petróleo arrastrado hacia la cuña convergente genera presión hidrodinámica.
- Despegue: La fuerza de presión supera el peso del eje, elevándolo sobre la película de aceite completa.
- Estado estable: El eje flota sobre una película de aceite a presión sin contacto metálico.
Espesor de la película de aceite
- Espesor típico: 10-100 micrómetros (0,0004-0,004 pulgadas)
- Extremadamente fina, pero suficiente para evitar el contacto.
- El grosor varía alrededor de la circunferencia (mínimo en el punto de mayor aproximación).
- Depende de la velocidad, la carga, la viscosidad del aceite y la holgura del cojinete.
Tipos de cojinetes de muñón
1. Cilíndrico simple (diario completo)
- Diseño más sencillo: orificio cilíndrico con ranura de suministro de aceite.
- ángulo de envoltura de 360°
- Buena capacidad de carga, pero puede ser propensa a la inestabilidad a altas velocidades.
- Común en motores, bombas y equipos industriales en general.
2. Cojinetes de arco parcial
- La superficie de apoyo cubre solo una parte de la circunferencia (120-180°).
- Menor peso, requiere menos flujo de aceite.
- Menor rigidez que un eje completo
- Utilizado en aplicaciones de carga ligera
3. Cojinetes de almohadilla basculante
- La superficie de apoyo está dividida en varias almohadillas independientes que pivotan.
- Cada almohadilla desarrolla su propia cuña hidrodinámica.
- Intrínsecamente estable frente a remolinos/latigazos de aceite
- Estándar industrial para turbomáquinas de alta velocidad
- Más caro pero con características dinámicas superiores
4. Cojinetes de presión y descentrados
- Cojinetes cilíndricos modificados con características geométricas para mejorar la estabilidad
- Las ranuras, represas o perforaciones descentradas aumentan la amortiguación efectiva.
- Solución intermedia entre la almohadilla cilíndrica simple y la basculante.
Características dinámicas
Rigidez
La rigidez de los cojinetes de deslizamiento es compleja y depende de la velocidad:
- Baja velocidad: Baja rigidez, la posición del eje cambia significativamente con la carga.
- Alta velocidad: Mayor rigidez debido a una presión hidrodinámica más desarrollada
- Variación direccional: La rigidez difiere en las direcciones horizontal y vertical.
- Rigidez de acoplamiento cruzado: La deflexión en una dirección crea una fuerza en la dirección perpendicular.
Mojadura
Los cojinetes de fricción proporcionan una amortiguación significativa:
- Energía disipada a través del cizallamiento viscoso de la película de aceite
- La amortiguación aumenta con la velocidad y la viscosidad del aceite.
- Fundamental para limitar la vibración en velocidades críticas
- Esencial para la prevención inestabilidad del rotor
Dependencia de la velocidad
Todas las propiedades de los cojinetes de fricción cambian con la velocidad de rotación:
- La rigidez aumenta con la velocidad
- La amortiguación aumenta con la velocidad.
- Frecuencias naturales subir con velocidad
- Velocidades críticas Desplazamiento ascendente a medida que aumenta la velocidad
Ventajas de los cojinetes de muñón
- Alta capacidad de carga: Puede soportar rotores muy pesados
- Capacidad de alta velocidad: Apto para velocidades de hasta más de 50.000 RPM
- Baja fricción a alta velocidad: Una vez establecida la película hidrodinámica, el coeficiente de fricción es muy bajo (0,001-0,003).
- Excelente amortiguación: Controla la vibración a velocidades críticas
- Funcionamiento silencioso: Sin ruido de elementos rodantes
- Resistencia a los golpes: La película de aceite absorbe las cargas transitorias.
- Larga vida: La ausencia de contacto con metales implica un desgaste mínimo (posibles décadas de funcionamiento).
- Diseño simple: Los tipos básicos son simples y económicos.
Desventajas y desafíos
- Alta fricción inicial: Sin película de aceite en reposo, requiere par de arranque.
- Sistema de lubricación requerido: Debe suministrar aceite limpio y refrigerado de forma continua.
- Riesgo de remolino/latigazo de aceite: Cojinetes cilíndricos lisos susceptibles a la inestabilidad
- Respuesta más lenta: La película de aceite aporta flexibilidad, siendo menos rígido que los rodamientos de elementos rodantes a bajas velocidades.
- Sensibilidad a la temperatura: El rendimiento varía con la temperatura del aceite (afecta a la viscosidad).
- Sensibilidad a la contaminación: Las partículas pueden dañar la superficie del cojinete u obstruir los conductos de aceite.
- Posicionamiento axial: No proporciona ninguna restricción axial inherente (requiere un cojinete de empuje separado).
Aplicaciones
Los cojinetes de fricción son estándar en:
- Turbinas de vapor y gas: Unidades de generación de energía de varios megavatios
- Grandes generadores: Generadores síncronos en centrales eléctricas
- Compresores centrífugos: Compresores industriales de alta velocidad y alta carga
- Motores eléctricos grandes: Los motores de más de 500 CV suelen utilizar cojinetes de fricción.
- Propulsión marina: Cojinetes del eje de la hélice del barco
- Máquinas de papel: Rodamientos de rodillos grandes
- Motores de combustión interna: Cojinetes principales y de biela del cigüeñal
Relación con la dinámica del rotor
Los cojinetes de muñón influyen decisivamente en el comportamiento dinámico del rotor:
- Determinación de la velocidad crítica: La rigidez y la amortiguación de los cojinetes afectan directamente a las ubicaciones y amplitudes de velocidad críticas.
- Estabilidad: El tipo y el diseño del rodamiento determinan su susceptibilidad a remolino de aceite y látigo de eje
- Diagramas de Campbell: Muestre cómo cambian las frecuencias naturales con la velocidad debido a las variaciones en la rigidez de los cojinetes.
- Equilibrio: Las características de los rodamientos influyen coeficientes de influencia y respuesta de equilibrio
Los cojinetes de fricción representan una tecnología sofisticada y consolidada, esencial para la maquinaria rotativa de alto rendimiento. Su combinación única de capacidad de carga, velocidad y amortiguación los hace insustituibles en aplicaciones críticas, a pesar de la complejidad de sus requisitos de lubricación y su comportamiento dinámico.
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