Comprensión de los cojinetes de muñón
A cojinete de muñón — también llamado cojinete liso, cojinete de manguito o cojinete de película fluida, soporta un eje giratorio sobre una fina película presurizada de lubricante en lugar de sobre elementos rodantes. La parte giratoria del eje en el interior del cojinete es el revista; se mantiene alejada de la superficie estacionaria del cojinete gracias a una película hidrodinámica de aceite que el propio eje genera al arrastrar el lubricante hacia un hueco convergente en forma de cuña. Esa cuña presurizada transporta toda la rotor carga sin contacto entre metales. Como la película de aceite también proporciona amortiguación, los cojinetes de deslizamiento son la elección natural para la maquinaria de alta velocidad y alta carga (turbinas, generadores, grandes compresores) en la que el control de vibración y estabilizar el rotor es lo más importante.
1. Definición: ¿Qué es un cojinete de deslizamiento?
En un cojinete de deslizamiento, el eje no toca el cojinete a velocidad de rotación. En su lugar, flota, ligeramente descentrado, sobre una cuña de lubricante de sólo unas decenas de micrómetros de espesor. Este hecho lo distingue de los rodamientos de elementos rodantes, que soportan la carga a través de bolas o rodillos en contacto hertziano. Los puntos fuertes de los cojinetes de deslizamiento se derivan directamente de la película de aceite: una capacidad de carga muy elevada, una fricción extremadamente baja una vez que se establece la película, un funcionamiento silencioso y la amortiguación que permite que los grandes rotores funcionen suavemente a través y por encima de sus velocidades críticas. El comportamiento conjunto del eje y sus cojinetes se estudia como un sistema rotor-cojinete, porque ninguno de los dos puede entenderse de forma aislada.
2. Principio de funcionamiento: lubricación hidrodinámica
Cómo se forma la película de aceite
El cojinete de deslizamiento depende de la lubricación hidrodinámica, que se desarrolla en una secuencia predecible a medida que el eje adquiere velocidad:
- Contacto inicial: en reposo, el eje se asienta en el fondo del orificio por su propio peso, con el metal tocando el metal.
- Comienza la rotación: a medida que el eje comienza a girar, la adherencia arrastra lubricante hacia la holgura.
- Formación de cuña: la geometría convergente entre el eje y el orificio exprime ese aceite en un espacio en forma de cuña.
- Generación de presión: El aceite forzado en la cuña de estrechamiento desarrolla presión hidrodinámica.
- Despegue: Una vez que esa fuerza de presión supera el peso del eje, el muñón se levanta y se monta sobre una película completa.
- Estado estacionario: el eje flota sobre la película presurizada, encontrando una posición de equilibrio desplazada del centro del orificio, sin contacto metálico.
La posición en la que se asienta el gorrón — 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 que se describe a continuación.
Espesor de la película de aceite
- El grosor mínimo típico de la película es 10-100 micrómetros (0,0004-0,004 pulg.) — extremadamente fino, pero suficiente para mantener las superficies separadas.
- La película no es uniforme: varía alrededor de la circunferencia, alcanzando su mínimo en el punto de mayor aproximación entre el gorrón y el agujero.
- El espesor depende de la velocidad, carga, viscosidad del lubricante y holgura del cojinete — aumente la velocidad o la viscosidad y la película se espesará; aumente la carga y se adelgazará.
- Dado que la viscosidad disminuye a medida que el aceite se calienta, el espesor de la película también es sensible a la temperatura de funcionamiento, razón por la cual la temperatura de alimentación del aceite es un parámetro que se controla en las grandes máquinas.
3. Tipos de cojinetes de deslizamiento
Cilíndrico liso (muñón completo)
- El diseño más sencillo: un orificio cilíndrico liso con una ranura de alimentación de aceite y un ángulo de giro completo de 360°.
- Buena capacidad de carga, pero la película simétrica la hace propensa a la inestabilidad - remolino de aceite — a alta velocidad y carga ligera.
- Común en motores, bombas y equipos industriales en general donde las velocidades son moderadas.
Cojinetes de arco parcial
- La superficie de apoyo sólo cubre una parte de la circunferencia, normalmente 120-180°.
- Más ligero y exige menos flujo de aceite, pero ofrece menor rigidez que un muñón completo.
- Adecuado para aplicaciones con cargas ligeras en las que la dirección de la carga está bien definida.
Cojinetes de almohadillas basculantes
- La superficie está dividida en varias almohadillas independientes, cada una libre de pivotar.
- Cada almohadilla desarrolla su propia cuña hidrodinámica, que suprime el acoplamiento cruzado que impulsa el torbellino de aceite.
- Intrínsecamente estables frente a los torbellinos y los latigazos, son el estándar de la industria para turbomaquinaria de alta velocidad.
- Más caro y complejo, pero con características dinámicas muy superiores.
Cojinetes de presa de presión (pressure-dam) y de geometría desplazada (offset)
- Cojinetes cilíndricos modificados con características geométricas - ranuras, un “dique” escalonado o una hendidura desplazada (limonera) - añadidas para mejorar la estabilidad.
- Estas características cargan deliberadamente la película para aumentar la amortiguación efectiva.
- Son un compromiso práctico entre el simple cojinete cilíndrico y el costoso diseño de almohadilla basculante.
Cuando ni siquiera un cojinete de almohadilla basculante puede proporcionar suficiente amortiguación para un rotor flexible, los diseñadores pueden añadir un amortiguador de película comprimida en serie con el cojinete para disipar energía adicional.
4. Características dinámicas
Rigidez
La rigidez de los cojinetes no es un número único, sino un conjunto de coeficientes que dependen de la velocidad y de la carga:
- Baja velocidad: bajo rigidez - la posición del gorrón cambia mucho al variar la carga.
- Alta velocidad: mayor rigidez a medida que el campo de presión hidrodinámico se desarrolla completamente.
- Variación direccional: La rigidez difiere en las direcciones horizontal y vertical, por lo que el cojinete responde de forma anisótropa.
- Rigidez de acoplamiento cruzado: una desviación en una dirección produce una fuerza perpendicular a ella. Este acoplamiento cruzado es precisamente el mecanismo que puede bombear energía a una órbita giratoria y desencadenar inestabilidad del rotor.
Amortiguación
La gran virtud de la película es la amortiguación que proporciona:
- La energía se disipa por el cizallamiento viscoso del aceite a medida que el muñón se desplaza dentro de la holgura.
- La amortiguación aumenta con la velocidad y con la viscosidad del aceite.
- Es lo que limita la amplitud de vibración cuando el rotor pasa por un velocidad crítica.
- Una amortiguación adecuada es esencial para evitar que las inestabilidades autoexcitadas crezcan sin límites.
Dependencia de la velocidad
Dado que tanto la rigidez como la amortiguación cambian con la velocidad, también lo hace todo lo que depende de ellas:
- La rigidez aumenta con la velocidad.
- La amortiguación aumenta con la velocidad.
- El sistema frecuencias naturales aumentan con la velocidad.
- Por lo tanto, las velocidades críticas 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 la extraordinaria resistencia del cojinete de deslizamiento como de sus exigencias particulares.
- Gran capacidad de carga: pueden soportar rotores muy pesados que aplastarían un rodamiento de elementos rodantes.
- Capacidad de alta velocidad: adecuado para velocidades de hasta 50.000 rpm y superiores.
- Baja fricción a velocidad: Una vez establecida la película hidrodinámica, el coeficiente de fricción es muy bajo (en torno a 0,001-0,003).
- Excelente amortiguación: controla las vibraciones a velocidades críticas y ayuda a estabilizar el rotor.
- Funcionamiento silencioso: sin paso de elemento rodante no hay ruido de elemento rodante.
- Resistencia a los golpes: la película de aceite amortigua las cargas transitorias y de impacto.
- Larga vida útil: sin contacto metálico en servicio, el desgaste es mínimo y es posible un funcionamiento durante décadas.
- Diseño básico sencillo: el tipo cilíndrico liso es mecánicamente sencillo y económico.
Frente a ellos, los retos prácticos:
- Alta fricción de arranque: no hay película en reposo, por lo que la máquina debe superar un par de arranque y un breve desgaste de la lubricación límite en cada arranque.
- Sistema de lubricación necesario: es obligatorio un suministro continuo de aceite limpio, frío y correctamente presurizado; lubricación de cojinetes no es opcional, sino fundamental para el diseño.
- Riesgo de remolino y batido: Los cojinetes cilíndricos lisos son susceptibles de sufrir torbellinos de aceite y, cerca del doble de la velocidad crítica, de latigazo del eje.
- Menor rigidez a baja velocidad: 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 del babbitt u obstruir los conductos de aceite.
- Sin retención axial: Un cojinete de deslizamiento fija el eje sólo radialmente; las cargas axiales necesitan un cojinete separado. cojinete de empuje.
6. Dónde se utilizan los cojinetes de deslizamiento
Los cojinetes de deslizamiento son estándar cuando los rotores son grandes, rápidos o ambas cosas:
- Turbinas de vapor y de gas: unidades de generación de energía de varios megavatios.
- Grandes generadores: generadores síncronos en centrales eléctricas.
- Compresores centrífugos: máquinas industriales de alta velocidad y gran carga.
- Grandes motores eléctricos: Los motores de más de 500 CV los utilizan con frecuencia.
- Propulsión marina: cojinetes del eje de la hélice y de la bocina.
- Máquinas de papel: los grandes rollos que llevan la tela.
- Motores de combustión interna: cojinetes de bancada y de biela del cigüeñal.
7. Relación con la dinámica del rotor y el equilibrado in situ
Debido a que su rigidez y amortiguación definen en gran medida el comportamiento de un rotor, los cojinetes de deslizamiento se sitúan en el centro de dinámica del rotor:
- Colocación a velocidad crítica: La rigidez y la amortiguación de los cojinetes determinan dónde se sitúan las velocidades críticas y a qué altura se alcanzan allí los picos de vibración.
- Estabilidad: el tipo de cojinete determina en gran medida la susceptibilidad al torbellino de aceite y al latigazo del eje; las frecuencias subsíncronas características que producen pueden estimarse con un calculadora de frecuencia de defectos en los cojinetes de deslizamiento.
- Mapa de frecuencias: un diagrama de Campbell muestra cómo las frecuencias naturales migran con la velocidad a medida que cambia la rigidez de los cojinetes.
- Respuesta de equilibrado: características del rodamiento conforman el coeficientes de influencia que rigen la respuesta del rotor a un peso de corrección.
En este último punto es donde el cojinete se encuentra con el mantenimiento diario. Cuando una turbina o un compresor que funcionan con cojinetes de deslizamiento muestran un elevado 1× desequilibrio respuesta, se equilibra en su lugar, en sus propios cojinetes, a la velocidad de funcionamiento. Un analizador portátil de dos canales como el Balanset-1A mide la amplitud sincrónica y fase en cada rodamiento, calcula los coeficientes de influencia del rotor a partir de una prueba de funcionamiento y calcula los pesos de corrección necesarios, capturando la verdadera respuesta del sistema rotor-rodamiento ensamblado, incluidas la rigidez y la amortiguación propias de la película que una máquina equilibradora nunca podría reproducir. Verificado con el grado de equilibrado ISO 21940-11 adecuado, el resultado refleja cómo se comporta realmente la máquina en servicio.
Los cojinetes de deslizamiento son una tecnología madura y sofisticada que sigue siendo insustituible en la maquinaria crítica de alto rendimiento. Su combinación única de capacidad de carga, capacidad de velocidad y amortiguación justifica la complejidad de su lubricación y comportamiento dinámico, y un conocimiento práctico de ese comportamiento es esencial para cualquier persona que diagnostique o equilibre grandes equipos rotativos.
