Los cojinetes de fluidos son un tipo de cojinetes en los que la carga es soportada por una capa delgada de líquido o gas presurizados que se mueven rápidamente entre las superficies de apoyo. Dado que no hay contacto entre las partes móviles, no hay fricción, lo que permite que tengan menor rozamiento, desgaste y vibración que muchos otros tipos de cojinetes. Por lo tanto, es posible que experimenten un desgaste prácticamente nulo si se operan correctamente.
Se pueden clasificar en términos generales en dos tipos: cojinetes fluidodinámicos (también conocidos como cojinetes hidrodinámicos) y cojinetes hidrostáticos. Los cojinetes hidrostáticos se caracterizan por estar presurizados externamente; el fluido utilizado suele ser aceite, agua o aire; y se presurizan mediante una bomba. Por su parte, los cojinetes fluidodinámicos dependen de la alta velocidad del muñón (la parte del eje que descansa sobre el fluido) para presurizar el fluido en una cuña entre las caras.
Los cojinetes de fluidos se utilizan con frecuencia en aplicaciones de alta carga, alta velocidad o alta precisión en las que los rodamientos de bolas ordinarios tendrían una vida útil corta o generarían mucho ruido y vibración. También se utilizan cada vez más para reducir costes. Por ejemplo, los cojinetes de fluido de los motores de las unidades de disco duro son más silenciosos y económicos que los rodamientos de bolas a los que reemplazan. Las aplicaciones son muy versátiles e incluso se pueden utilizar en geometrías complejas como tornillos de potencia."Hydrostatic nut and lead screw assembly, and method of forming said nut" (1994-12-29)
Origen El cojinete fluido pudo haber sido inventado por el ingeniero civil francés L. D. Girard, quien en 1852 propuso un sistema de propulsión ferroviaria que incorporaba cojinetes hidráulicos alimentados por agua.
Operación
Los cojinetes fluidos evitan el contacto entre las piezas principales que conectan, para lo que se valen de una capa delgada de un fluido (líquido o gas presurizado) que se mueve rápidamente entre las caras del cojinete en movimiento, generalmente selladas alrededor o debajo del eje giratorio. Las partes móviles no entran en contacto, por lo que no hay fricción; la fuerza de carga es soportada únicamente por la presión del fluido en movimiento. Hay dos formas principales de introducir el fluido en el rodamiento:
En los cojinetes fluidoestáticos, hidrostáticos y en muchos cojinetes de gas o aire, el fluido se bombea a través de un orificio o a través de un material poroso. Dichos cojinetes deben estar equipados con el sistema de control de posición del eje, que ajusta la presión y el consumo de fluido de acuerdo con la velocidad de rotación y la carga del eje. En los cojinetes fluidodinámicos, la rotación del cojinete succiona el fluido hacia la superficie interna del mismo, formando una cuña lubricante debajo o alrededor del eje.
Los cojinetes hidrostáticos dependen de una bomba externa. La potencia requerida por esa bomba contribuye a la pérdida de energía del sistema, tal como lo haría la fricción del rodamiento. Mejores sistemas de sellado pueden reducir las tasas de fuga del fluido y la potencia de bombeo, pero pueden aumentar la fricción.
Los cojinetes hidrodinámicos se basan en el movimiento del cojinete para aspirar fluido hacia el cojinete y pueden tener una alta fricción y una vida útil corta a velocidades inferiores a las de diseño, o durante arranques y paradas. Se puede utilizar una bomba externa o un cojinete secundario para el arranque y el apagado con el fin de evitar daños en el cojinete hidrodinámico. Un cojinete secundario puede tener una alta fricción y una vida útil corta, pero una razonable vida útil general si los arranques y paradas del cojinete son poco frecuentes.
Lubricación hidrodinámica La "lubricación" "hidrodinámica" (HD), también conocida como "lubricación de película fluida", depende de los siguientes elementos esenciales:
Un lubricante, que debe ser un fluido viscoso. El comportamiento fluidodinámico del flujo de fluido entre las superficies del propio cojinete y la del muñón. Las superficies entre las que se mueven las películas de fluido deben ser convergentes.
La lubricación hidrodinámica (de película completa) se obtiene cuando dos superficies de contacto están completamente separadas por una película cohesiva de lubricante.
El espesor de la película evita así la rugosidad combinada de las dos superficies. El coeficiente de fricción es más bajo que con la lubricación de capa límite. La lubricación hidrodinámica evita el desgaste de las piezas móviles y evita el contacto de metal con metal.
Requiere películas fluidas delgadas y convergentes. Estos fluidos pueden ser líquidos o gaseosos, siempre que presenten viscosidad. En un ventilador de computadora y en otros dispositivos como las unidades de disco duro que deben soportar elevadas velocidades de rotación, se utilizan sistemas de lubricación hidrodinámica en los que el aire de la atmósfera forma la película fluida.
La escala de estas películas es del orden de micrómetros. Su convergencia crea presiones normales a las superficies con las que entran en contacto, forzándolas a separarse.
Los tres tipos de cojinetes de esta clase son:
De autoactuación: la película existe debido al movimiento relativo, como en un cojinete ranurado en espiral. De película comprimida: la película existe debido a un movimiento relativo en sentido normal. Presurizado externamente: la película existe debido a la presurización externa.
Conceptualmente, los cojinetes se pueden considerar como dos clases geométricas principales: cojinete-muñón (antifricción) y plano-deslizador (fricción).
Se puede utilizar la ecuación de Reynolds para analizar los principios generales de la mecánica de fluidos. Se debe tener en cuenta que cuando se utilizan gases, la modelización matemática de su comportamiento es mucho más complicada.
Se considera que las películas delgadas tienen presión y fuerzas viscosas que actúan sobre ellas. Debido a que hay una diferencia en la velocidad, habrá una diferencia en los vectores de tracción de la superficie; y teniendo en cuente la conservación de la masa, también se puede suponer un aumento en la presión, haciendo que las fuerzas en el cuerpo sean diferentes.
Lubricación hidrodinámica – características: La película de fluido en el punto de espesor mínimo disminuye de espesor a medida que aumenta la carga La presión dentro de la masa fluida aumenta a medida que el espesor de la película disminuye debido a la carga La presión dentro de la masa de fluido es mayor en algún punto cercano al espacio libre mínimo y más baja en el punto de espacio libre máximo (debido a la divergencia) La viscosidad aumenta a medida que aumenta la presión (más resistencia al corte) El espesor de la película en el punto de separación mínima aumenta con el uso de fluidos más viscosos Con la misma carga, la presión aumenta a medida que aumenta la viscosidad del fluido Con una carga y un fluido determinados, el grosor de la película aumentará a medida que aumente la velocidad La fricción del fluido aumenta a medida que aumenta la viscosidad del lubricante Condición hidrodinámica – Velocidad del fluido: La velocidad del fluido depende de la velocidad del gorrón o guía El aumento de la velocidad relativa tiende a disminuir la excentricidad de los centros de los cojinetes lisos Esto va acompañado de un mayor espesor mínimo de película Condición hidrodinámica – carga: El aumento de la carga disminuye el espesor mínimo de la película También aumenta la presión dentro de la masa de la película para proporcionar una fuerza contraria La presión actúa en todas las direcciones, por lo que tiende a expulsar el aceite de los extremos del rodamiento. El aumento de la presión aumenta la viscosidad del fluido
Número característico del rodamiento: dado que la viscosidad, la velocidad y la carga determinan las características de una condición hidrodinámica, se desarrolló un número característico del cojinete basado en los efectos de estos tres factores en el espesor de la película.
El aumento de la velocidad aumenta el espesor mínimo de la película El aumento de la viscosidad aumenta el espesor mínimo de la película El aumento de la carga disminuye el espesor mínimo de la película
Por lo tanto, Viscosidad × velocidad/unidad de carga = un número adimensional = C
C se conoce como el número característico del cojinete.
El valor de C, hasta cierto punto, da una indicación de si se dispone de lubricación hidrodinámica o no.
Características de funcionamiento Los cojinetes de fluido pueden ser relativamente económicos en comparación con los otros tipos de cojinetes para soportar cargas similares. Su diseño puede ser tan simple como dos superficies lisas selladas para mantener el fluido de trabajo en su interior. Por el contrario, un rodamiento convencional puede requerir muchos rodillos de alta precisión con formas complicadas. Los cojinetes hidrostáticos y muchos de gas tienen la complicación y el costo de las bombas externas.
La mayoría de los cojinetes de fluidos requieren poco o ningún mantenimiento y tienen una vida útil casi ilimitada. En cambio, los rodamientos de elementos rodantes convencionales suelen tener una vida más corta y requieren un mantenimiento regular. Los diseños de cojinetes hidrostáticos y aerostáticos con bombeo funcionan con baja fricción hasta velocidad cero, y no sufren desgaste de arranque o parada siempre que la bomba no falle.
Poseen una fricción muy baja, mucho mejor que los cojinetes mecánicos. Una fuente de fricción en un cojinete de fluido es la viscosidad del fluido que conduce a una fricción dinámica que aumenta con la velocidad, pero la fricción estática suele ser insignificante. Los cojinetes de gas hidrostático se encuentran entre los cojinetes de menor fricción, incluso a velocidades muy altas. Sin embargo, una viscosidad más baja del fluido también suele significar que el fluido se escapa más rápidamente de las superficies de apoyo, lo que requiere una mayor potencia para las bombas o una mayor fricción en los elementos de sellado.
En el caso de un rodillo o una bola muy cargados, los cojinetes de fluido tienen espacios libres que cambian menos bajo carga (son "más rígidos") que en los cojinetes mecánicos. Podría parecer que la rigidez del cojinete, como con la carga máxima de diseño, sería una función simple de la presión promedio del fluido y el área de la superficie del cojinete. En la práctica, cuando las superficies de los cojinetes se presionan entre sí, se restringe el flujo de salida del fluido. Esto aumenta significativamente la presión del fluido entre las caras del cojinete. Dado que las superficies de apoyo del fluido pueden ser comparativamente más grandes que las superficies de rodadura, incluso las pequeñas diferencias de presión del fluido provocan grandes fuerzas de restauración, lo que mantiene el espacio de separación entre ambas.
Sin embargo, en rodamientos con cargas ligeras, como las unidades de disco, las rigideces típicas de los rodamientos de bolas son de ~10^7 MN/m. Los cojinetes fluidos comparables tienen una rigidez de ~10^6 MN/m. Debido a esto, algunos cojinetes fluidos, particularmente los cojinetes hidrostáticos, están diseñados deliberadamente para precargar el cojinete con el fin de aumentar su rigidez.
Los cojinetes fluidos a menudo agregan inherentemente una amortiguación significativa. Esto ayuda a atenuar las resonancias en las frecuencias giroscópicas de los cojinetes lisos (a veces llamados modos cónicos u oscilantes).
Es muy difícil fabricar un rodamiento mecánico que sea atómicamente liso y redondo; y los rodillos y las pistas de rodadura se deforman en funcionamiento a alta velocidad debido a la fuerza centrípeta. Por el contrario, los cojinetes fluidos se corrigen por sí mismos en presencia de imperfecciones menores y deformaciones leves.