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COJINETES
LUBRICACIN
Lubricantes:Definicin
Los lubricantes, son sustancias que se usan para alterar lanaturaleza de la interaccin entre dos slidos en movimientorelativo, reduciendo as la friccin y el desgaste que entreellos se produce.
Otras funciones generales de los lubricantes son: Disipar calor (herramientas para maquinado de metales). Evitar la corrosin y el herrumbre (maquinarias para corte y
formado de metales). Remover contaminantes (motores de combustin interna). Actuar como sellante (compresores de aire y refrigeracin). Transmitir potencia (sistema hidrulicos). Absorber impactos (sistemas de amortiguacin). Actuar como aislantes (transformadores elctricos).
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Lubricantes:Tipos
Aceites Lubricantes o g cos
Vegetales
Animales
Minerales
Sintticos
rasas u r can es
Solidos Gases
GRASA
REFINACION DE CRUDOS
POLIALFAOLEFINAS
MINERALES
Aceites lubricantes:Elaboracin
ANTICORROSIVOS ANTIDESGASTES,
ACEITES
BASICOS
ACEITE
TERMINADO
,AROMATICOS ALQUILADOS,
ESTERES DIBASICOS,ESTERES POLIOLES,
SILICONAS, ETC.
ACEITES USADOS
SINTETICOS
RE-REFINADOS
ANTIOXIDANTES BACTERICIDAS/FUNGICIDAS,
DEMULSIFICANTES DEPRESORES PTO. FLUIDEZ,
DISPERSANTES DETERGENTES,
EMULSIFICANTES EXTREMA PRESION,
MODIF. FRICCION MODIF. VISCOSIDAD
ADITIVOS
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REFINACION DE CRUDOS
ACEITES POLIALFAOLEFINAS,SINTETICOS
MINERALES
Grasas lubricantes: Elaboracin
BASICOS
GRASA
TERMINADA
, , .
JABONES
ARCILLAS
POLIUREAS
ESPESANTEARCILLAS INORGANICA
(BENTONITA)INORGANICOS
ORGANICOS
ANTICORROSIVOS
ANTIHERRUMBRANTES
ANTIOXIDANTESEXTREMA PRESION
ANTIDESGASTE
ADITIVO
Concepto de viscosidad
Resistencia de un fluido a fluir
Es importante en el diseo y en la prediccin delcomportamiento de un lubricante en sistemasmecnicos
Existen dos formas de caracterizar la viscosidad Sistemtica: Flujo observado bajo un esfuerzo definido
Viscosidad Dinmica y Cinemtica
Emprica: Flujo observado en un disposit ivo cualquiera Saybolt Universal
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Viscosidad dinmica
Ley de NewtonFuerza = Viscosidad Dinmica x rea x Velocidad/Espesor de Pelcula
AF
=
Unidades SI: Pa.s (pascal por segundo)Sistema cgs: P (poise)
1 [P]= 100 [cP] = 0.1 [Pa .s]
hu
Viscosidad cinemtica
Viscosidad cinemtica = Viscosidad dinmica / Densidad
=
Unidades SI: m2/s (metros cuadrados por segundo)Sistema cgs: S (Stoke)
1 [S]= 100 [cSt] = 0.0001 [m2/s]
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Relacin viscosidad temperaturaGrfica ASTM D-341
Relacin viscosidad - presin
p
p
p
e
e
0=
( ) 8010 10log965.06.0
+= x
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REGMENES DE LUBRICACIN
La aplicacin de pelculas interpuestas de fluido es conocidocomo proceso de Lubricacin
Permite clasificar los sistemas tribolgicos en trminos de lacantidad de separacin entre las superficies en contacto
Los regmenes de lubricacin bsicos son: Hidrodinmico Elastohidrodinmico Lmite
LubricacinHidrodinmica
Elasto HidrodinmicaEspesor de
Mixta
Lmite
Mximo
Presin de Contacto
Parmetro de pelcula El efecto del acabado de la superficie en la
lubricacin es visualizado a travs del denominadoparmetro de pelcula,
Este parmetro sirve para definir los cuatroregmenes de lubricacin principales
( ) 2122minmin
qbqa RR
h
R
h
+==
, Lubricacin Elasto Hidrodinmica, Lubricacin Mixta, Lubricacin Lmite,
103
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La ecuacin de Reynolds
La derivacin de la expresin matemtica del mecanismo deformacin de la pelcula hidrodinmica, es el fundamento detoda la teora de la lubricacin.
La ecuacin de Reynolds puede ser derivada de: Ecuaciones de Navier Stokes ( Conservacin de momento y
masa) Principios de continuidad de flujo y equilibrio de un elemento
La ecuacin generalizada de Reynolds en tres dimensiones con todo variando
( )0212133
12)()(6 wwhVVy
hUUxy
ph
yx
ph
xh +
+
++
=
+
Aplicacin de los cojinetes La funcion bsica de
CARGAcojinete es transmitir cargas entre doscomponentes enmovimiento relativo
V
CARGA
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TIPO DE COJINETEMOVIMIENTO RELATIVOENTRE LOS MIEMBROS
DESLIZANTES
RELACIN ENTRE LACARGA Y EL MOVIMIENTO
RELATIVO
Relacin bsica entre la carga y el movimiento relativo
CORREDERADESLIZANTE
TRANSLACIN
DE EMPUJE(CARGA AXIAL)
ROTACIN
DE MUON(CARGA RADIAL)
ROTACIN
Simboliza una porcin unitaria de el rea de contacto entre los miembrosdelizantes
Cojinete de Empuje [1]
Geometra de un cojinete de deslizamiento de empuje. [Hamrock (1991).]
[1] Hamrock, Jacobson y Schmid (2000) Elementos de Mquinas. Mc Graw - Hill
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Configuracin de un Cojinete de
Deslizamiento
Configuracin de un cojinete de deslizamiento de empuje de inclinacin
fija multiple. [Raimondi and Boyd (1955). [1]]
[1] Hamrock, Jacobson y Schmid (2000) Elementos de Mquinas. Mc Graw - Hill
Cojinete de Deslizamiento deInclinacin Fija
Vista lateral de un cojinete de
inclinacin fija. [De Raimondi and
Boyd (1955). [1] ]
[1] Hamrock, Jacobson y Schmid (2000) Elementos de Mquinas. Mc Graw - Hill
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Configuracin de Cojinete de Empuje
de Zapata Pivoteada
Configuracin de cojinete de empuje de zapata pivoteada multiple.
[Raimondi and Boyd (1955). [1]
[1] Hamrock, Jacobson y Schmid (2000) Elementos de Mquinas. Mc Graw - Hill
Cojinete de Empuje con ZapataPivoteada
Vista lateral de cojinete de empuje de
zapata pivoteada. [Raimondi and Boyd
(1955). [1]]
[1] Hamrock, Jacobson y Schmid (2000) Elementos de Mquinas. Mc Graw - Hill
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Cojinetes de mun concntricos
Cojinetes de muon concntrico.
Cojinetes cilndricos a cargaestacionaria [1]
Distribucin de presiones alrredor
del cojinete cilndrico.
[1] Hamrock, Jacobson y Schmid (2000) Elementos de Mquinas. McGraw-Hill
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Superficie del cojinete y del eje
Desarrollo de la superficie de eje y del cojinete de un cojinete concntrico
Espesor de pelcula mnimo vs. Nmero de cojinete
Figura 12.28 Efecto del nmero de cojinete sobre el espesor de pelcula mnimo paracuatro proporciones de dimetro a ancho. {From Raimondi and Boyd (1958) [1]}
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ngulo de posicin vs. Nmero de cojinete
Figura 12.29 Efecto del nmero de cojinete sobre el ngulo de posicin para cuatroproporciones de dimetro a ancho. {From Raimondi and Boyd (1958) [1]}
[1] Hamrock, Jacobson y Schmid (2000) Elementos de Mquinas. McGraw-Hill
Coeficiente de friccin vs. Nmero de cojinete
Figura 12.30 Efecto del nmero de cojinete sobre coeficiente de friccin para cuatroproporciones de dimetro a ancho. {From Raimondi and Boyd (1958) [1]}
[1] Hamrock, Jacobson y Schmid (2000) Elementos de Mquinas. McGraw-Hill
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Razn de flujo volumtrico vs. Nmero de cojinete
Figura 12.31 Efecto del nmero de cojinete sobre la razn de flujo volumtrico paracuatro proporciones de dimetro a ancho. {From Raimondi and Boyd (1958) [1]}
[1] Hamrock, Jacobson y Schmid (2000) Elementos de Mquinas. McGraw-Hill
Razn de flujo de fuga lateral vs. Nmero de cojinete
Figura 12.32 Efecto del nmero de cojinete sobre la razn de flujo de fuga lateral paracuatro proporciones de dimetro a ancho. {From Raimondi and Boyd (1958) [1]}
[1] Hamrock, Jacobson y Schmid (2000) Elementos de Mquinas. McGraw-Hill
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Presin de pelcula mxima vs. Nmero de cojinete
Figura 12.33 Efecto del nmero de cojinete sobre la presin de pelicula mxima paracuatro proporciones de dimetro a ancho. {From Raimondi and Boyd (1958) [1]}
[1] Hamrock, Jacobson y Schmid (2000) Elementos de Mquinas. McGraw-Hill
Localizacin presin mxima vs. Nmero de cojinete
Figura 12.34 Efecto del nmero de cojinete sobre la localizacin de las presiones terminaly mxima para cuatro proporciones de dimetro a ancho. {From Raimondi and Boyd(1958) [1]}
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Diseo de un cojinete clindrico
Objetivos:
Diseo de un cojinete cilndrico o de mun.
Clculo de importantes parmetros de operacin
de cojinetes hidrodinmicos.
Planteamiento del Problema
Dado: Un rodillo en caliente es usado para evaporar agua de la pulpa en la produccin de
pape . ste ro o esta monta o so re os e es e una pu ga a e ametro para os cua es
se requiere disear los cojinetes cilndricos. El rodillo lleva una carga total de 1500 libras,
la cual es distribuida igualmente entre dos cojinetes identicos. La velocidad del rodillo es de
2000 rev/min y esta disponible aceite SAE 10 (es usado en todo el molino de papel y es un
suministro abundante). La temperatura de entrada se piensa que es 110F. Motivado a lameta de holgura, el cojinete debe ser de una pulgada de ancho o menos.
Encontrar: 1.) La holgura radial del cojinete para una capacidad de carga optima. 2.) El
acabado superficial requerido del cojinete. 3.) El aumento de la tempeatura, el coeficiente
de friccin la tasa de flu o las fu as laterales del aceite a travs del co inete. Estos datos
son requerido para especificar el intercambiador de calor para el deposito de aceite.) 4.)Comente sobre la importancia de de la temperatura de entrada, esto es que efecto sobre el
desempeo del cojinete podria ocurrir si la temperatura de entrada fuera 130 F?
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Esquema de Solucin
Clculos preliminares
del Cojinete Determinar la holgura requerida Determinar los parmetros del
cojinete y la rugosidad de la superficie Efecto de las temperaturas de entrada Conclusiones
Nota: La aproximacin presentada es solamente uno de muchas
aproximaciones que pueden ser asumidas. Aunque los pasos indicados
esta en un orden logico, no debe considerarse como un orden esencial.
Clculos preliminaresComo el ancho del cojinete esta limitado a una pulgada o
menos ser tomado i ual a una ul ada. La razn ara esto es
que no hay ninguna ventaja desde el punto de vista de la
operacin para tener un espesor menor, y s el cojinete fuera
fabricado por una operacin de rectificado, por ejemplo, el
costo de acabado de una superficie de una pulgada en un gran
rodillo es insinificantenente mayor que en un cojinete de 0,75
pulgada. Por lo tanto, la razn dimetro a ancho para el
cojinete es
j=
2 in
1 in= 2
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Determinacin del nmerocaracterstico de cojinete y delespesor de pelcula adimensional
Determinacin del NmeroCaracterstico de cojinete
El nmero caracterstico del cojiente esBj=0.35.
El pmetro de espesor de pelcula adimensional es hmin/c=0.42.
Veamos la prxima lmina para detalles del anlisis!Veamos la prxima lmina para detalles del anlisis!
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Detalles del Anlisis
Los valores pueden ser ledos directamente de la figura 12.28, como se conoce que la
razn dimetro a espesor es 2 y el cojinete es diseado para una capacidad de soportar
car a mxima:
De la grafica, el nmero de cojineteBj es aproximadamente 0.35 y el parmetro
espesor de pelcula hmin/c es 0.42. El nmero de cojinete ser usado para obtener la
holgura una vez que la viscosidad promedio sea calculada.
Determinacin de la variablecoeficiente de friccin adimensionalpara el cojinete.
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Variable Coeficiente de Friccin
adimensional
La variable coeficiente de fricin adimensional es rb/c=9.5.
Veamos la prxima lmina para detalles del anlisis!Veamos la prxima lmina para detalles del anlisis!
Detalles del AnlisisEl coeficiente de fricin puede ser leido de la Figura 12.30, puesto que el nmero decojinete es conocido como 0.35:
La variable coeficiente de fricin adimensional puede ser visto como alrededo de 9.5.
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Determinacin la tasa de flujovolumtrico adimensional para elcojinete.
Tasa de flujo volumtricoadimensional
La tasa de flujo volumtrico adimensional es Q=5.1.
Veamos la prxima lmina para detalles del anlisis!Veamos la prxima lmina para detalles del anlisis!
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Detalles del Anlisis
La tasa de flujo volumtrico adimensional es obtenidad de la Figura
12.31:
El flujo volumtrico adimensional es 5.1.
Determinacin de la tasa de flujo defuga lateral.
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Variable Flujo de Fuga Lateral
La variable de flujo de fuga lateral es qs/q=0.73.
Veamos la prxima lmina para detalles del anlisis!Veamos la prxima lmina para detalles del anlisis!
Detalles del AnlisisLa variable de flujo de fuga lateral puede ser obtenida de la Figure 12.32:
El valor es qs/q=0.73.
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Clculo del incremento detemperatura del lubricante en elcojinete y la viscosidad promediodel lubricante.
Incremento de Temperatura yViscosidad del Lubricante
El incremento de temperatura es 113F.
La viscosidad promedio del lubricante en el cojinete es=1.16 x 10-6
lbf-s/in2.
Veamos las prxima lmina para detalles del anlisis!Veamos las prxima lmina para detalles del anlisis!
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Detalles del Anlisis
La carga adimensional en el cojinete es
Wr* =
Wr2rbwt
=750lbs
2 1in( )1in( )= 375psi
Por consiguiente el incremento de temperatura
puede ser calculado a partir de la Ecuacin:
La temperatura promedio del lubricante es
tm =
0.103Wr* r
c
Q 10.5qsq
=0.103375( )9.5( )5.1( )10.5 0.73( )( )
=113F
entonces + = = .
La viscosidad del aceite is a partir de la
Figura 8.13 ,0=0.008Ns/m2, o usando la
Tabla de conversin ,0=1.16 x 10-6 lbf-
s/in2.
cu o e a o gura ra arequerida, el espesor de pelculamnimo y la rugosidad de superficiedel eje.
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Informacin del cojinete
La holgura radial requerida es 540 in.
El espesor de pelcula mnimo es 230 in.
La rugosidad de superficie mximo es 23 in.
Veamos la prxima lmina para detalles del anlisis!Veamos la prxima lmina para detalles del anlisis!
Detalles del Anlisis
La holgura radial requerida, ahora que la viscosida es conocidad, es
o ten a a part r e n mero e co nete cuac n :
El espesor de pelcula mnimo es obtenidad a partir del parmetro de
espesor de pelcula adimensional previamente determinado:
in540in00054.0;35.0
2
0
==
== c
c
r
W
wrB b
r
tbbj
Para mantener lubricacin a pelicula completa, el acabado de superficie
debera ser un decimo del espesor de pelcula, o 23in. Afortunadamente,
esto es obtenido por operaciones estandar de rectificado (ver Tabla 8.1).
( ) in230in00054.042.0minmin ;42.0 === hc
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Calculo del coeficiente de friccindel cojinete cilndrico.
Coeficiente Friccin
El coeficiente fricin es 0.005.
Veamos la prxima lmina para detalles del anlisis!Veamos la prxima lmina para detalles del anlisis!
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Detalles Anlisis
El coeficiente de friccin adimensional ha sido previamente obtenido
como rb/c=9.5. Por consiguiente el radio del cojinete es 1 in y la
holgura es 540 in, el coeficiente de friccin es simplemente 0.005.
Comentarios sobre la importancia.
Especficamente, que efecto tendrauna temperatura de entrada de130F sobre el desempeo del
cojinete?
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Importancia de la Temperatura de
EntradaComo puede verse a partir de la grafica viscosidad - temperatura, el efecto de
incremento de la temperatura de aceite sera mnimo para pequeos aumentos de
temperatura. Sin embargo, si la viscosidad cayera significativamente, entonces el
espesor de pelcula sera lo suficientemente delgada para permitir un rompimiento de
la pelcula y tener un contacto de superficie metal-metal. Esto ocasionara un rpido
dao del cojinete.
,
degrade qumicamente.
Comentarios Finales
El diseo del cojinete fue relativamente fcil, usando las figuras.
Afortunadamente, este problema no requiri de consideracin de un
nmero diferente de espesores de cojinetes, el cual es normalmente el caso
en el diseo. Tambin, este problema resulto en holguras, acabados
superficiales y dimensiones de cojinetes que fueron razonables y fcil de
obtener, por lo tanto el diseo del cojinete no requiri de interacciones
sucesivas.