Cojinetes Fluidostáticos Axiales

Se cree que los cojinetes hidrostáticos fueron inventados por el ingeniero civil L. D. Girard, quien en el año 1852 implementó en ferrocarriles el uso de cojinetes de alta presión alimentados por agua [xxiii].

En este tipo de cojinetes se introduce el fluido a presión entre las superficies, para así generar la fuerza de sustentación. Para ello se emplean diferentes técnicas [xxiv], variando la forma en que se dirige el fluido, entre las que se pueden destacar:

Alimentación central: El fluido a presión pasa a través de un agujero practicado en el centro del cojinete. Posee la limitación de que no puede tener un eje que pase por el mismo lugar.

Conductos múltiples: En lugar de utilizar una sola salida central, se emplean varios orificios ubicados anularmente, permitiendo que un eje pueda pasar por el centro.

33 | P á g i n a Ranuras: Mediante la implementación de ranuras se logra una distribución más uniforme de la presión, aumentando la capacidad de carga del cojinete.

Materiales porosos: Siguiendo con la idea de las ranuras, mediante la introducción del fluido (en este caso necesariamente debe ser gaseoso) a través de un material poroso se logra una mejor distribución de la presión, aumentando notablemente la capacidad de carga y la estabilidad frente a posibles inclinaciones del eje.

Figura 43. Perfil de presión teórico generado por distintos tipos de cojinetes aerostáticos.

Cojinete de Alimentación Central:

Los cojinetes aerostáticos emplean aire o algún gas presurizado mientras que los hidrostáticos emplean un lubricante líquido. Las superficies son separadas por el lubricante que es forzado a ingresar por la presión generada mediante una bomba externa, formando la película de lubricación. De allí que también se los suele denominar como “cojinetes externamente presurizados”.

En los cojinetes de alimentación central, el lubricante es introducido a una presión constante de suministro (p0). El lubricante pasa a través del canal de alimentación y atraviesa el orificio de salida (boquilla) donde se produce una disipación de presión hacia la entrada del receso del cojinete (Figura 29). Este receso es relativamente profundo, comparado con el espesor de película, por lo que ofrece poca resistencia al flujo, manteniendo una presión constante, denominada presión estática (pd). Luego, el lubricante abandona el receso a través del pequeño espesor de película entre la superficie del cojinete y la contracara. La presión en la película se va reduciendo conforme el fluido circula en forma radial entre las superficies, hasta alcanzar la presión atmosférica en la salida.

La presión en el receso debe ser inferior a la presión de suministro para permitir variaciones en la carga. El principio puede ser explicado mediante dos casos extremos. En el primer caso, una carga lo suficientemente alta tiende a juntar las superficies y previene que el lubricante escape del receso, por lo que el flujo a través de la boquilla decrece a cero, y la presión aumenta hasta la presión de suministro. En el segundo caso, si la carga tiende a cero, el espesor de película crecerá y la única resistencia al flujo de lubricante será la impuesta por el orificio de salida. Esto provocará un aumento en el flujo mientras que la presión en el receso disminuirá hasta la presión ambiente. Luego, el rango operativo para la carga de trabajo será tal que el espesor de película se mantenga entre los dos casos extremos.

34 | P á g i n a Una de las principales diferencias entre los cojinetes hidrostáticos y los aerostáticos es que el receso en los aerostáticos es mucho menor en volumen, para limitar el tiempo de respuesta entre la aplicación de la carga y el cambio en la presión estática. Un tiempo largo de respuesta puede conducir hacia un fenómeno de inestabilidad conocido como martillo neumático o pneumatic hammer.

Entre las ventajas de un cojinete fluidostático, se puede destacar la habilidad de operar desde una velocidad nula, hasta muy alta velocidad y con mayor aceleración en comparación a los rodamientos, debido a su menor inercia. Además, por la ausencia de contacto entre partes móviles, se anula el desgaste originado por fricción y disminuye la generación de calor, lo que conduce a un desempeño constante en el tiempo [xxv].

Otra ventaja es la reducción en la generación de partículas contaminantes por desgaste, y en los cojinetes que utilizan gas en lugar de aceite, también se obtiene el beneficio de no contaminar el ambiente. Así, estos dispositivos son especialmente útiles en aplicaciones dentro de salas limpias o cleanrooms, que tienen altas exigencias en cuanto a la presencia de partículas en el aire.

Además, cuando se utilizan cojinetes lubricados por gases en ambientes con alta generación de polvos, se evita el ingreso de polvo entre las superficies lubricadas debido a que esta se encuentra a mayor presión que la atmosférica.

Los cojinetes fluidostáticos también mejoran la precisión de movimientos, en parte debido a su menor inercia, y además porque el coeficiente de fricción se comporta diferente al contacto entre los elementos rodantes y las pistas de los rodamientos. En los cojinetes fluidostáticos, el coeficiente de fricción es función de la tensión de corte del fluido, por lo que no habrá fricción a velocidad cero, lo que mejora la capacidad de control de los desplazamientos. En los rodamientos, el coeficiente de fricción estático es mayor al dinámico, por lo que para iniciar el movimiento se requiere mayor fuerza que para mantenerlo. Entonces, cuando un motor genera la fuerza para iniciar un desplazamiento, producirá un desplazamiento mayor al deseado debido a la diferencia entre la fuerza estática y dinámica. Si bien esto se controla mediante un sistema de lazo cerrado, en ciertos sectores como la manufactura de componentes electrónicos, esto no es suficiente para satisfacer las tolerancias requeridas.

Un ejemplo en el que se saca provecho de estas características es en las máquinas de medir por coordenadas (Figura 44), especialmente las que se utilizan en salas limpias.

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Figura 44. Máquina de medir por coordenadas. Este modelo utiliza cojinetes aerostáticos para el movimiento del puente sobre la mesa, y de la herramienta sobre el puente. En el detalle se ven dos cojinetes enfrentados, uno a

cada lado de la superficie de granito.

3. Desarrollo de un Cojinete Aerostático