domingo, 31 de julio de 2016

MTD Unidad Nº 9 Cojinetes y lubricación hidrodinámica

Cojinetes y lubricación hidrodinámica 

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RECORDEMOS:

•El micrón o micra es una unidad de longitud equivalente a una millonésima parte de un metro. Su símbolo científico es µm. Su nombre proviene del griego μικρός (micrós), neutro de μικρόν (micrón): pequeño.
•En fabricación mecánica el «micrón» es la unidad de longitud más pequeña, en la cual se expresan las tolerancias de cotas de las piezas que se someten a rectificación.
•Equivalencias
•Un micrón o micra equivale a:
•Una milésima de milímetro: 1 µm = 0,001 mm = 1 × 10-3 mm
•Una millonésima de metro: 1 µm = 0,000 001 m = 1 × 10-6 m
•Mil nanómetros: 1 µm = 1000 nm 1 mm = 1000 µm 1 m = 1 000 000 µm 1 nm = 0,001 µm _________________________________________________________________________________

Cojinetes
Definición: Es una parte integrante de la máquina que guía, soporta o limita movimientos rotativos y/o alternativos.

Clasificación: Se clasifican en dos clases: Cojinetes de superficie deslizante y Cojinetes de rodamiento, a su vez los cojinetes de superficie deslizante se dividen en: de movimientos rotativos y oscilantes.
Los cojinetes de superficie deslizante se clasifican por Tipos y Diseños.
Tipos:
  • Radiales (ajuste radial)
  • Tipos Axiales (ajuste axial)
  • Angulares (ajuste radial y axial)
Diseño:
  • Cojinetes cilíndricos (soporte)
  • Cojinetes esféricos (auto alineables)
  • Cojinetes zapatas pivotantes (empuje)
Tipos:
  • Cojinetes radiales: Se colocan en muñones o ejes giratorios, mantienen la alineación y evitan el desplazamiento radial y están diseñados para recibir cargas aplicadas en forma perpendicular con respecto a la dirección del eje geométrico del muñón .
  • Cojinetes de empuje o axiales: Se colocan en los ejes para impedir un desplazamiento longitudinal y están diseñados para recibir cargas en la misma dirección del eje geométrico del muñón.
  • Cojinetes angulares: Están proyectados para soportar una combinación de esfuerzos radiales y de empuje, en este caso, la carga resultante actúa en la dirección de una componente angular y tiene por objeto evitar ambos movimientos, axial y radial.

Diseño:
  • Cojinetes rígidos o cilíndricos: Se instalan en posiciones fijas de las máquinas, de modo de impedir los desplazamientos radiales y axiales.



  • Cojinetes de auto alineación: Están construidos de modo tal que sus diversas partes se alinean automáticamente, por si mismas, después que han sido armados y cargados.
  • Cojinetes con zapatas pivotantes: En segmentos, son cojinetes construidos con piezas divididas destinadas a evitar el movimiento axial de los ejes y muñones.
 Aro soporte de zapatas en un cojinete de empuje simple.


 Cojinete tipo "Kingsbury" donde se pueden observar una sección de empuje (parte media) y una sección de soporte (extremo bajo)


Cojinetes de soporte de zapatas pivotantes para altas velocidades de eje.


El metal Babbitt o metal de cojinete, es una de las distintas aleaciones utilizadas para la superficie de apoyo en un cojinete de fricción. El metal Babbitt se emplea habitualmente como una capa superficial fina en una estructura multi-metal. El metal Babbitt es blando y se daña fácilmente, lo que sugiere que podría no ser adecuado para un cojinete de superficie. Sin embargo, su estructura está hecha de pequeños cristales duros dispersados ​​en un metal más blando. Cuando el cojinete se desgasta, el metal más blando se erosiona creando rutas para el lubricante entre los puntos duros que proporcionan la superficie de apoyo real. Cuando el estaño se utiliza como el metal más suave, la fricción hace que este se funda y funcionar momentáneamente como un lubricante.
En la actualidad existen muchas aleaciones Babbitt. Algunas de las composiciones más comunes son:

90% estaño, 10% cobre

89% estaño, 7% antimonio, 4% cobre

80% plomo, 15% antimonio, 5% estaño

76% cobre, 24% plomo

67% cobre, 28% estaño, 5% plomo

Los motores de combustión interna utilizan el metal Babbitt principalmente a base de estaño ya que soportan óptimamente las cargas cíclicas.


COJINETES DE RODAMIENTO o RULEMANES

Los cojinetes de rodamiento se utilizan generalmente en máquinas auxiliares, algunos motores rápidos y en turbinas a gas. Estos cojinetes soportan el eje por medio de rodillos o bolillas, reemplazando la resistencia de fricción por deslizamiento por la de rodadura entre las superficies de trabajo.

Los cojinetes de rodamiento constan de cuatro partes:
  1. Anillo o cubeta interna ajustada al eje.(pista interna)
  2. Anillo o cubeta externa ajustada al soporte.(pista externa)
  3. Las bolillas o rodillos que transmiten el esfuerzo.
  4. Dispositivo que asegura e impide que las bolillas o rodillos se salgan de su lugar, llamados "jaulas".

Ventajas de estos cojinetes.
  • Pérdida por fricción pequeña (0,1 de los cojinetes comunes).
  • Mucha duración.
  • Requieren poco mantenimiento. Lubricación simple y de poco consumo.
  • Mantienen buena alineación por largos períodos de tiempo.
  • Soportan sobrecargas momentáneas sin averías ni agarre.
  • Ocupan poco espacio.
  • Son aptos para bajas velocidades, coeficiente de fricción bajo, la perdida de energía por rozamiento es mínima desde el inicio del movimiento.
  • Ofrecen una resistencia muy pequeña en el arranque.

Desventajas de estos cojinetes:
  • Su construcción y montaje deben ser de máxima exactitud.
  • Ocupan mayor espacio en sentido diametral.
  • Son de mayor costo.
  • Sin película de aceite, que en cojinetes ordinarios amortigua choques y vibraciones.
  • Requieren buena estanqueidad a las impurezas y al agua.
Clasificación: 
Se dividen en dos clases principales.
  • Cojinetes de bolillas.
  • Cojinetes de rodillos (cilíndricos, cónicos, esféricos, cóncavos, agujas, etc). Según su función: axiales, radiales y angulares.


Cojinete autoalineable.




Crapodinas



 

BUJES 
Un buje es un cojinete de una sola pieza y que, por lo general, trabajan con poca o ninguna lubricación, y que su utilización es en mecanismos de funcionamiento intermitente y de poca carga.

 

Algunos bujes contienen además insertos de goma ya que cumplen, además de la función de contener y guiar un eje, la de brindar amortiguación de vibraciones o de impactos.


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Lubricantes y lubricación
En los distintos órganos en movimiento de las maquinas, existen rozamientos en las superficies de contacto que disminuyen su rendimiento. Este fenómeno se debe a diversos factores, el más característico de los cuales es el coeficiente de rozamiento, cuya causa principal reside en las irregularidades de las superficies de las piezas en contacto.
 Filo de una hoja de afeitar aumentada 10.000 veces.

 Superficie de una moneda de cobre aumentada 5.000 veces.

Superficie de una bola de rulemán.
Se llama lubricante la sustancia capaz de disminuir el rozamiento entre dos superficies en movimiento. Sus fines son, principalmente, dos

1) Disminuir el coeficiente de rozamiento.
2) Actuar como medio dispersor del calor producido.

Además, con él se consiguen los siguientes objetivos secundarios:

a) Reducir desgastes por frotamiento.
b) Disminuir o evitar la corrosión.
c) Aumentar la estanqueidad en ciertos órganos (cilindros, aros de pistón, juntas, etc.).
d) Eliminar o trasladar sedimentos y partículas perjudiciales.


Métodos para lubricar cojinetes:

a) Lubricación intermitente, se puede efectuar con grasa o Aceite, solo provee una película delgada de lubricante, y se ejecuta cada vez que es necesario o cuando lo indica el plan de mantenimiento del fabricante del mecanismo en cuestión.
Engrasador manual y sus partes

Graseras que se ubican en los puntos de engrase, conocidas también como ademites.


b) Lubricación continua limitada: por resorte (provisión continua), por mecha (capilaridad), por goteo (a través de un orificio en el cojinete). Se emplea solo para trabajo liviano. Es necesaria la supervisión permanente de  un operario de los niveles de lubricante en los dispositivos lubricadores o "graseras" en servicio, además del control del correcto funcionamiento de los mismos.



Ejemplos de lubricadores a resorte

 Ejemplo de lubricador contínuo presurizado a gas.

Lubricación por goteo.

c) Lubricación continua abundante.
Es la única que asegura una película gruesa de lubricación, se obtiene por los siguientes procedimientos:

1) Lubricación por anillos: (suministra amplia cantidad de aceite) un anillo "colgado" de eje y que acompaña el giro de éste, se encuentra parcialmente sumergido en el lubricante y levanta de esta manera el mismo humectando la zonas a lubricar.

2) Lubricación por cadena (es una variante de lubricación por anillo).


3) Lubricación por disco : un disco rotativo fijo al eje y sumergido parcialmente en el lubricante, envía aceite por medio de la fuerza centrífuga de si giro, siendo guiado éste por medio de deflectores o no .

Caja de rodamientos con nivel de aceite por debajo de los rodamientos. Un disco deflector levanta o salpica el aceite en los cojinetes.



4)Lubricación por salpicado ( en mecanismos totalmente cerrados).Una pieza en rotación del mecanismo, será la encargada de "golpear" la superficie del lubricante, salpicando así y humectando las zonas a lubricar.

Ejemplo de lubricación por salpicado, efectuado por un cucharín en la cabeza de biela de un motor de combustión interna pequeño.


5) Lubricación por inmersión (el eje está sumergido parcialmente).

Ejemplo de lubricación por inundado. El mecanismo que efectúa el salpicado, inunda también el resto del interior de la máquina.

Lubricación por inmersión de un tren de engranajes.

6) Lubricación por gravedad: puede ser  de circuito abierto o cerrado y fluye por gravedad desde un  tanque elevado, hacia un tanque receptor, en caso del circuito cerrado, o puede quedar recluído en la caja del cojinete o mecanismo, sin retorno. En el caso del circuito cerrado, será necesaria una bomba elevadora para volver a reponer el lubricante desde el tanque receptor al tanque elevado. Este tanque elevado será el responsable de ejercer una presión hidrostática constante en el cojinete o en el mecanismo a lubricar.


7) Lubricación por presión o forzada :es un sistema de circuito cerrado alimentado por medio de una bomba de desplazamiento positivo. Normalmente se utilizan presiones que oscilan entre 0,3 y 4 Kg/cm².En este sistema se incluye un enfriador, que mantiene una temperatura óptima del lubricante y, como consecuencia, mantiene también la viscosidad. Este tipo de sistema de lubricación consta también, como mínimo, con un filtro de malla gruesa en el interior del tanque de servicio para la aspiración de la bomba, y otro de malla fina antes del ingreso del lubricante al mecanismo.


Ilustración de un sistema básico  de lubricación por presión o forzada.

Ranuras en los cojinetes.
a) El ingreso del aceite debe ser por las zonas de baja presión, se usan carteras que actúan como acumuladores de aceite que es arrastrado a la zona de mayor presión por el mismo eje, las carteras no deben llegar a los extremos del cojinete, si esto ocurriera se produciría fuga de lubricante sin haber trabajado.
b) En cojinetes relativamente largos con respecto a su diámetro se practican ranuras circunferenciales a efectos de lograr un mejor flujo de lubricante.
c) Puede utilizarse cojinetes con carteras y ranuras circunferenciales (combinados) siempre se debe tener presente los diseños, que su ubicación no interrumpa las zonas de presión creciente o máxima.
d) Al efectuar ranuras o carteras en un cojinete, sus bordes deben terminar en bordes redondeados para evitar que en dicho borde se produzca corte de película lubricante.
e) El tipo de ranura usada no debe ser modificada con respecto al diseño original.

Introducción a la Lubricación hidrodinámica. 
El propósito de la lubricación es la separación de dos superficies con deslizamiento relativo entre sí de tal manera que no se produzca daño en ellas: se intenta con ello que el proceso de deslizamiento sea con el rozamiento más pequeño posible. Para conseguir esto se intenta, siempre que sea posible, que haya una película de lubricante de espesor suficiente entre las dos superficies en contacto para evitar el desgaste.

Antecedentes de la lubricación hidrodinámica.
Los primeros trabajos sobre un eje con cojinetes trabajando en condiciones hidrodinámicas fueron realizados por Pauli (1849) y Hirn (1854). Estos trabajos fueron analizados por el científico ruso Petroff en 1883. Tower entre 1883 y 1885. Demostró que se generaban en este tipo de cojinetes unas presiones elevadas: este hecho fue explicado en 1886 por Reynolds que demostró que era necesaria una forma convergente en la película para que se generara un aumento de presión.

Lubricación hidrodinámica.
La lubricación hidrodinámica o lubricación de película gruesa, se obtiene cuando las dos superficies están completamente separadas por una película coherente del lubricante. La lubricación hidrodinámica evita el desgaste de las partes en movimiento, ya que no hay contacto metálico entre ellas.



Esto significa que el espesor mínimo de la película es algo superior a la suma promedio de las irregularidades de ambas superficies y que la resistencia al movimiento viene dada sólo por la fricción entre las capas del lubricante, siendo éste último el que soporta totalmente la carga. En este caso, las condiciones de la lubricación serán óptimas y el mecanismo podrá funcionar durante largo tiempo sin desgaste alguno, siempre y cuando se mantengan estas condiciones de operación.


Película Hidrodinámica: Se produce, debido al movimiento de las superficies lubricadas, al formarse una zona de convergencia o cuña de aceite, donde hay presión suficiente para mantener separadas las superficies.

Existen dos tipos de películas hidrodinámicas:
• Cuña de Aceite.
• Películas Elastohidrodinámicas.

Cuña de Aceite: Este tipo de película hidrodinámica, se produce en los cojinetes de deslizamiento y de empuje. La película en estos casos, puede llegar a tener un espesor de hasta 25 micras. La formación de una película hidrodinámica gruesa que separe las superficies y soporte una carga, puede ser descrita si observamos la siguiente figura.
 Las dos superficies están sumergidas en un fluido lubricante. A medida que la superficie se mueve, la fricción interna del fluido hace que sea arrastrado en la dirección del movimiento. La superficie estacionaria no es paralela a la móvil, sino inclinada, como se indica en la figura. De ese modo, el fluido es arrastrado y hecho pasar por el área A. Debido a que la zona de salida del fluido B, es más pequeña, el fluido tiende a ser comprimido, lo que ocasiona una subida en su presión.
Esto trae como resultado:
> Retardo en el flujo por el área A. 
> Aumento del flujo en el área de salida B
> Fugas laterales, ya que no todo el fluido puede salir por B. 
> Soporte de cargas, sin que haya contacto entre las superficies. 
En la figura se ha exagerado la inclinación de la superficie fija. En casos reales, la inclinación suele ser del orden de 50 micras cada 15 cm

   Factores que afectan el establecimiento de la Película Fluida o Hidrodinámica.
* Viscosidad.
* Velocidad.
* Carga.
* Acabado Superficial.
* Diámetro, longitud y tolerancias.
* Alimentación del lubricante.

Curva de Stribeck.

•La curva de Stribeck es un gráfico clásico basado en el estudio de la lubricación de un eje liso, en contacto con su cojinete lo cual provoca el desgaste.
•A muy bajas velocidades predomina la lubricación por capa límite. Toda la carga es soportada por las crestas de la superficie en el área de contacto. A velocidades altas se crea un efecto de cuña entre el fluido y el objeto. La presión hidrodinámica separa completamente el objeto de la superficie.

•El gráfico puede dividirse en tres zonas:

Zona I: lubricación hidrodinámica Las superficies del cojinete están perfectamente separadas con un película gruesa de fluido: no hay contacto directo entre las superficies que deslizan y por tanto prácticamente no hay desgaste.

Zona II: lubricación mixto.

Zona III: lubricación límite.
De la gráfica se puede deducir: Estando en la zona I, a medida que la viscosidad disminuye también decrece el espesor de la película hasta el punto C. Una mayor disminución de la viscosidad hace que pasemos al punto B en el que se produce contacto ocasional entre las dos superficies debido a que la película es de muy pequeño espesor: el rozamiento en B y C es prácticamente igual, aunque en B la viscosidad del fluido es menor la resistencia al desplazamiento se debe en este caso al contacto entre las asperidades.
El punto C es el punto ideal de funcionamiento delimita además la zona estable de la inestable puesto que proporciona un rozamiento mínimo con prácticamente desgaste nulo. En la práctica se prefiere trabajar ligeramente a la derecha de C para tener un margen de seguridad. Si en el punto B reducimos ligeramente la viscosidad rápidamente crece el coeficiente de rozamiento hasta el punto A. A partir de este punto la mayor parte de la carga es soportada por las asperidades y por tanto un reducción mayor de la viscosidad tiene muy poca influencia en el coeficiente de rozamiento.
Un cojinete liso radial es quizá el elemento más práctico para analizar la lubricación de película fluida. En este caso se presenta cuatro situaciones: Cuando el eje (o muñón) está en reposo y descansa sobre el cojinete (casquete), debido al peso que soporta, trata de desplazar la película lubricante y se presenta contacto, quedando solamente una delgada película lubricante entre los elementos.

Al iniciarse el movimiento, el muñón trata de rodar y de subir por el casquete en la dirección del movimiento. En el espacio entre el muñón y el casquete se va introduciendo cada vez más aceite, por la acción de bombeo del muñón, lo cual hace que éste se vaya separando del casquete.

A medida que se va alcanzando la velocidad normal de funcionamiento, el muñón empieza a resbalar sobre el aceite y comienza a "flotar". Cuando el muñón gira a la velocidad normal de funcionamiento, el eje de coordenadas de éste forma un ángulo específico con el casquete, posicionando el mínimo espesor de la película lubricante. La presión hidráulica del aceite aumenta considerablemente y soporta la carga.



Huelgos de los cojinetes:

Para que haya circulación de lubricante y formación de película entre muñón y cojinete se construirán de forma tal que el cojinete sea mayor que el muñón, este diseño permite que quede una luz llamada "huelgo de aceite", que debe ser el mínimo compatible con adecuada circulación de lubricante para que disipe el calor producido por fricción. El huelgo debe ser uniforme, si fuera mínimo al requerido por puntos existirían cargas que originarían calentamiento anormal y posibles averías, al armar un cojinete, las mitades deberán hacer contacto metal con metal debiendo quedar huelgo correcto, si se trata de cojinetes con medios casquillos postizos se verá que estos toquen antes que las tapas al apretar.

Factores que deben tenerse en cuenta al establecer los huelgos.
 
El valor del huelgo a dejar depende de:

a) Las medidas del cojinete.
b) La exactitud de la alineación del eje.
c) La velocidad de giro.
d) Si la dirección de carga se alterna (máquinas alternativas) o permanece constante (equipos rotativos).
e) Si se emplea lubricación por gravedad o forzada.
f) Temperatura de trabajo deseada.
g) La viscosidad del lubricante.

Lubricantes (clasificación comercial).

Debido al gran consumo de lubricantes originado por el automóvil, se ha desarrollado una gama completa de ellos que cubre todas las necesidades determinadas por las condiciones especiales a que son sometidos.

Aceites para motores
Son aceites con aditivos contra la corrosión y oxidación, por las altas temperaturas a que deben funcionar. Respecto de sus propiedades, estos aceites se dividen, según la SAE, en tres categorías principales:

Aceite Regular (normal o ML). Mineral, sin aditivos y para trabajos ligeros y moderados corrientes.

Aceite Premium (de primera o MM). Con aditivos antioxidantes y anticorrosivos y con un ligero poder detergente.

Aceite Heavy Duty (detergente, HD o servicio pesado MS). El cual además de antioxidante y anticorrosivo, es detergente. Se emplea para motores destinados a trabajos fuertes. A esta categoría pertenecen también los aceites especiales para motores Diésel, de gran poder detergente. (Servicio DG), para esfuerzos y temperaturas normales.

Suplemento 2 (Servicio DS), para esfuerzos muy duros y temperaturas muy elevadas. La viscosidad de los aceites para motores se indica mediante los numero SAE, siendo mas alta cuanto mas lo es el numero:

• SAE-5W, SAE-10W, SAE-20W (para frió riguroso)

• SAE-20W, SAE-30, SAE-40, SAE-50

Multigrado

Aceites para las cajas de cambio y el diferencial
Contienen aditivos (cloro, azufre, fósforo) para mantener la película de aceite mínima a las elevadas presiones de trabajo de los engranajes de cambio y del diferencial. La clasificación SAE de las viscosidades es la siguiente: SAE-75, SAE-80, SAE-40, SAE-140, SAE-240

No deben emplearse para motores, ya que los aditivos que contienen son adecuados única y exclusivamente para las aplicaciones específicas del aceite, y podrían originar graves averías.


índice
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ENTRADAS RELACIONADAS:
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    https://drive.google.com/open?id=0B1rlCioRveAHa2EzX090aFpyNXc

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    FUENTES:

    M.J.D.

      ESTT  Apuntes Curso Aplicativo CCPP

    Introducción a la lubricación (SA)

    http://mcatronic.com/galeria

    Lubricación (SA) http://www.aciconsultora.com.ar/sitio/boletin.php?bole=4

    MAQ 305 MOTORES DIESEL CAPITULO 11 Cojinetes y su lubricación.

    NORMAS PARA EL USO Y CONSERVACION DEL MATERIAL DE CASCO, ELECTRICIDAD Y MAQUINAS NAVALES (N O C E M) CAPITULO 22 MOTORES DE COMBUSTION INTERNA











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