Determinación del flujo de aceite requerido por los cojinetes

Mientras viajo e imparto cursos de fundamentos de lubricación en diversas instalaciones por todo el país,los participantes me recuerdan constantemente los errores que proliferan en nuestra industria. Recientemente, me hicieronesta pregunta,“¿Cómo se determina el flujo de aceite requerido por los cojinetes en sistemas de lubricación por circulación, si conoce la velocidad del eje, el claro dinámico, el tipo de aceite y la temperatura?”

Como muchas cosas en la lubricación, la respuesta no es tan simple como puede parecer. Deben explicarse antes varios conceptos, incluyendo algunos de los procesos de diseño involucrados en la determinación de las dimensiones correctasdel eje y cojinete, además de los materiales y requerimientos de lubricación.

Se utilizan diferentes nombres para este tipo de cojinetes, como son, cojinetes lisos, cojinetes de deslizamiento y cojinetes planos, sólo para nombrar unos pocos. La función básica de un cojinete generalmente es soportar un eje.Por lo general se elige este tipo de cojinete para aplicaciones que no están sujetas a cambios en la carga o en la velocidad del eje.

Hay tres componentes principales de este tipo de sistemas: la parte fija o el cojinete, la parte móvil o el extremo del eje (journal), y el lubricante.Los componentes metálicos del sistema puedenestar elaboradosde diversos materiales. El cojinete normalmente está hecho de un metal más blando que el del eje para evitar el desgaste de este último.

Típicamente, el lubricante se introduce al cojinete por el centro y pasa hacia los extremos, por donde sale. El lubricante realiza varias funciones, entre ellas proporcionar el control de la fricción, del desgaste,de la corrosión,de la temperatura y de la contaminación, así como fungir como transmisor de potencia.

En la lubricación de cojinetes, aplican tres regímenes básicos de lubricación: película hidrodinámica (gruesa o cuña de aceite), película mixta y película límite. Es importante tener en cuenta que, independientemente de lo bien que se maquine una superficie metálica,aun así,existen imperfecciones. Estos pequeños picos y valles son conocidos como asperezas. Los tres regímenes de lubricación se refieren esencialmente a la cantidad de contacto entre estas asperezas.

La gran mayoría de los cojinetes están diseñados para operar en el régimen hidrodinámico (película gruesa o cuña de aceite). Sin embargo, estos cojinetes pasan una parte de su vida operativa en los otros dos regímenes, por lo que es necesario explicar en qué consisten.

En su artículo “BoundaryLubrication, anAppraisal of WorldLiterature”, WE Campbell define la lubricación límite como: “…la lubricación por un líquido en condiciones en que las superficies sólidas están tan juntas que es posible que se presente uncontacto considerable entre las asperezas de dichas superficies”.

En resumen,la lubricación límite es el régimen en el que se produce contacto metal-metal y se genera la mayor cantidad de desgaste. La gran mayoría de la carga la están soportando estas asperezas con muy poco, si es que hay algo,soporte por parte del lubricante.Normalmente esto se presenta al poner en marcha la máquina (durante el arranque).

En la lubricación a película mixta,existe un poco de contacto entre las asperezas, pero el lubricante también está soportando parte de la carga. Esta transición se da entre el arranque y el momento en que se alcanza la velocidad normal de operación. En el libro de Harry C. Rippel,“TheCastBronzeBearingDesignManual”,se describe la lubricación a película mixta como: “…parte de la carga total en el cojinete está siendo soportadapor pozos o charcos individuales de lubricante auto-presurizado y la parte restante por la muy delgada película contaminante asociada con la lubricación límite”.

Una vez que se alcanza la velocidad normal de operación, se logra la lubricación a película gruesao lubricación hidrodinámica. En este régimen, las dos superficies metálicas están separadas por una película de lubricante a un grado tal que las asperezas ya no entran en contacto. Tiene perfecto sentido que si se mantiene la separación completa de las superficies metálicas con un lubricante de por medio, no se producirádesgaste mecánico. De hecho, se afirma que mientras exista esta condición, estos cojinetes pueden funcionar indefinidamente sin desgaste.

Este proceso puede compararse con el esquí acuático. Mientras la lancha está en reposo, el esquiador está en el agua, que es equivalente a una condición de película límite, en la que el lubricante no proporciona ningún soporte al eje. A medida que la velocidad aumenta, el esquiador se levanta fuera del agua. Esto es similar al régimen de película mixta, ya que el agua está proporcionando soporte al esquiador. Una vez que la lancha está a velocidad plena, el esquiador está totalmente fuera del agua y se desliza sobre la superficie (película gruesao lubricación hidrodinámica).

En la película de lubricante se genera presión sobre el fluido, que es capaz de soportar la carga debido a su viscosidad. Los aceites lubricantes tienen un significativo coeficiente de presión-viscosidad. Esto significa que cuanto mayor es la presión en el lubricante, mayor es la viscosidad en el punto de presión. En el caso de los rodamientos, esta presión es lo suficientemente alta para elevar la viscosidad del lubricante hasta el punto en que se deformaránlos elementos rodantes del rodamiento. Este coeficiente de presión-viscosidad es lo que proporciona la capacidad de carga de un rodamiento.

Una vez que comprendemos mejor las películas lubricantes, vamos a ver las dos ecuaciones para determinar la alimentación de aceite lubricante para asegurar que exista una cantidad suficiente para soportar la carga en el cojinete. La ecuación que se utiliza para calcular el caudal apropiado de aceite circulante dependerá de si está trabajando en galones por minuto o en gotas por minuto. Las ecuaciones se pueden ver en el siguiente cuadro.

Si bien la mayoría de las variables en estas fórmulas son sencillas, el factor de claro del cojinete (m) puede ser un poco confuso para algunos. Se puede determinar calculandola holgura diametral (2C), que es igual al diámetro interior del cojinete menos el diámetro del eje. Obviamente,el claroserá mucho más pequeño que el diámetro del eje (D), por lo que este valor se multiplica por 1000 para facilitar los cálculos. Por lo tanto, el factor de claro del cojinete es: m = 1,000*(2C/D)

Volviendo a la pregunta inicial acerca de cómo establecer el flujo de aceite requerido por un cojinete, en este caso,se conocía el claro. El diámetro y la longitud deben ser fáciles de obtener, ya sea tomando la medida o revisando la documentación de la máquina. La velocidad también se conoce, por lo que el único valor que se tiene que buscar es la carga (W). Esto simplemente es cuestión de determinar el peso del elemento giratorio dividido entre el número de cojinetes.

Una vez que se han identificado todos los valores y se ha seleccionado la ecuación apropiada para galones o gotas por minuto, sólo tiene que introducir los números en una calculadora.

Otros artículos de interés

https://noria.mx/lublearn/un-caso-de-estudio-falla-de-cojinetes-por-desgaste-tipo-lana-de-acero/

Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.