COJINETES HIDRODINÁMICOS

De todos los tipos de cojinetes presentados, los cojinetes hidrodinámicos o auto-actuantes son los que resultan de especial interés en este trabajo. Tal como se describió, estos son cojinetes de deslizamiento de película gruesa que dependen por completo del movimiento relativo entre el muñón y el cojinete para establecer presión en la película y lograr capacidad portante.

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mientras que la Figura 1.12 presenta un esquema de este cojinete con sus principales características y nomenclatura habitual. Aquí se aprecia que entre el muñón (rotor) de radio R, y el cojinete (estator) de radio R+C, existe una separación, h. Esta separación varía con la posición circunferencial como resultado de la excentricidad, e, que se genera entre ambas piezas debido a la acción de la carga exterior, W. Al girar el rotor a cierta velocidad ω,

“bombea” el lubricante hacia el estrechamiento, produciendo una distribución de presión tal

Figura 1.11: Variantes habituales de cojinetes hidrodinámicos simples.

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que genere una fuerza igual y contraria a W equilibrando el sistema. Puede apreciarse, además, que sobre la línea que une los centros se encuentran el espesor máximo de película, y el espesor mínimo, hmin.

Existe una amplia variedad de configuraciones de cojinetes hidrodinámicos. En la Figura 1.13 (extraída de Shigley y Mischke, 1999) se aprecian las alternativas más comunes. La elección de la configuración para una dada aplicación depende de diferentes factores, entre los cuales se encuentra el costo, la carga, la pérdida de potencia, las propiedades dinámicas, la facilidad de construcción y de instalación, etc.

Figura 1.13: Configuraciones más frecuentes de los cojinetes hidrodinámicos.

La configuración más utilizada debido a su relativamente fácil construcción y bajo costo es la denominada 'cojinete completo' o 'cojinete simple' (Fig. 1.13a). En ella la superficie del cojinete rodea completamente al muñón. En el 'cojinete parcial' (Fig. 1.13b), la superficie del estator se extiende a lo largo de sólo un segmento de la circunferencia. Estos cojinetes se usan en casos de carga unidireccional. Cuando se emplean dos sectores circulares, los cojinetes de denominan 'elípticos' o tipo 'limón' (Fig. 1.13c). Estos se emplean a velocidades bajas y moderadas y su uso es extensivo en turbinas. Aquellos cojinetes elípticos en los que las dos

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mitades cilíndricas se desplazan lateralmente a lo largo del eje mayor son llamados 'cojinetes descentrados' (Fig. 1.13d). Éstos tienen una rigidez horizontal relativamente alta que ayuda a evitar la inestabilidad dinámica. La Fig. 1.13e muestra un caso en que tanto el muñón como el cojinete se dividen axialmente en segmentos con ejes descentrados. Esta configuración se denomina 'cojinete oscilante', y produce un movimiento oscilatorio dinámico que genera una película más gruesa.

Cuando se maquina un escalón en la superficie del cojinete (Fig. 1.13f), el cojinete se denomina 'de escalón'. Su objetivo es el de crear presión dinámica adicional al hacer pasar el lubricante por la discontinuidad. Esto acrecienta la carga sobre el muñón y disminuye su susceptibilidad a los problemas de vibración. Los cojinetes que tienen tres o más sectores (Figs. 1.13g y h) son llamados 'multilobulares' y suelen emplearse en aplicaciones de lubricante gaseoso. Actúan como varios cojinetes parciales en serie. Los 'cojinetes de hojas múltiples' (Fig. 1.12i) son una variante de los multilobulares. Constan de cierto número de arcos circulares idénticos cuyos centros se encuentran igualmente espaciados alrededor de un círculo generador. En los 'cojinetes de anillo flotante' (Fig. 1.13j), la película se divide en dos por medio de la adición de un anillo flotante entre el muñón y el cojinete. Estos tienen menos pérdidas por fricción, una reducida pérdida de calor y proporcionan muy buena estabilidad. Los cojinetes de anillo flotante son comúnmente empleados en turbo-sobrealimentadores. En los 'cojinetes de zapatas pivotantes' (Fig. 1.13k) hay una serie de cojinetes parciales articulados que rodean al muñón. Cada uno de ellos puede oscilar sobre un punto fijo ante algún cambio en las condiciones de operación. A pesar de su alto costo, los cojinetes de zapata pivotante presentan la ventaja de tener excelentes propiedades dinámicas. Finalmente, el 'cojinete de hoja' (Fig. 1.13l) consiste en una superficie muy delgada que descansa sobre las crestas de una lámina corrugada, brindando la posibilidad de adaptar la forma a la solicitación. Estos cojinetes tienen baja capacidad portante, pero brindan relativamente alta estabilidad.

Independientemente de la configuración, el requerimiento fundamental para la lubricación hidrodinámica es la presencia de un lubricante de viscosidad correcta y en cantidad suficiente y constante como para inundar el espacio entre las superficies. La película de lubricante formada en un cojinete hidrodinámico es función de la velocidad, la carga y la viscosidad del lubricante. En cuanto a la teoría de la lubricación hidrodinámica, ésta surge de la descripción del flujo del lubricante dentro del cojinete mediante la resolución de los balances de cantidad de movimiento, masa y energía aplicados al fluido. La complejidad del sistema de ecuaciones resultante hace que, aun cuando los cojinetes son sistemas usados desde hace mucho tiempo en

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gran cantidad de aplicaciones, sólo se conozcan soluciones analíticas a situaciones idealizadas de geometría y lubricante. Esto es, flujo isotérmico de un lubricante Newtoniano (o ley de la potencia) y cojinete de longitud infinita (L/D→∞) o de longitud nula (L/D→0). Bajo otras

consideraciones, se requiere el uso de métodos numéricos o analíticos, para resolver el sistema de ecuaciones, muchas veces complementados por experimentación (Stachowiak y Batchelor, 2000).

Desde el punto de vista del diseñador, aún a pesar de la extensa historia de esta temática, existen contadas herramientas para el correcto dimensionamiento de los cojinetes hidrodinámicos. En su mayoría se trata de tablas y nomogramas basados en correcciones sobre alguna de las soluciones analíticas límite mencionadas (L/D→∞ ó L/D→0), o bien en la

solución numérica de las ecuaciones de conservación en el fluido lubricante. Los métodos más comúnmente empleados datan de 1950 o incluso antes (Shigley y Mischke, 1999). Independientemente del caso, se trata de soluciones estipuladas para una serie de condiciones que, salvo una casualidad, no coinciden con la del cojinete que en particular se esté estudiando y, consecuentemente, debe recurrirse a interpolaciones en gráficos e iteraciones de prueba y error. Una limitación importante de estos métodos radica en las hipótesis que consideran. De allí que generalmente se logra el diseño para un cojinete isotérmico con carga y velocidad constantes. Una alternativa a la aplicación de estas técnicas usuales es la implementación de un programa capaz de resolver las ecuaciones de conservación en el fluido. Esto puede hacerse mediante el desarrollo de un código específico, o bien mediante el empleo de un software comercial genérico de fluidos. Sin embargo, en este caso se requiere de la experticia del programador o usuario del programa para lograr la resolución, excediendo las capacidades más globales de un diseñador de maquinaria.

Por otro lado, cabe señalar que la creciente demanda de máquinas más potentes, eficientes, veloces y pequeñas ha elevado los estándares de diseño y fabricación. El impacto de tales exigencias sobre los cojinetes hidrodinámicos ha ido modificando no sólo los materiales de fabricación de las superficies y la calidad y composición de los lubricantes, sino también su tamaño y geometría. En la actualidad, el valor de la relación de aspecto para un cojinete estándar suele ubicarse entre ½ y 2, y la tendencia apunta hacia la fabricación de cojinetes cada vez más cortos.

Por todo lo expuesto anteriormente, y considerando la importancia que los cojinetes hidrodinámicos tienen en infinidad de máquinas y aplicaciones, resulta de particular interés, no sólo contar con un conocimiento acabado del flujo en cojinetes hidrodinámicos, sino también

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con herramientas que describan la operación de estas piezas bajo condiciones reales de uso.