cojinetes_rosero

8/4/2019 cojinetes_rosero

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LUBRICACIN Y COJINETESDE CONTACTO DESLIZANTE

LUIS FERNANDO ROSERO F.

Escuela de Ingeniera Mecnica

Diseo Mecnico II 2005

[email protected], cel.316-2906746
mailto:[email protected]:[email protected]


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Bronce caja lateral

INTRODUCCINCuando un elemento de mquina est soportado por unsegundo elemento, y hay un movimiento relativo entre

ellos, de tal forma que las superficies en contactodeslizan una sobre la otra, el conjunto constituye un

cojinete. Pero comnmente se ha dado en llamarcojinete al elemento que soporta o sobre el cual se

mueve el otro elemento.

Bronce superior

Ingenio Mayagez S.A.

Ref. [6]Ref. [4]


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El objetivo de la lubricacin es reducir el rozamiento, el desgaste y

el recalentamiento de las superficies de piezas en movimiento quese hallan en contacto directo. Los ejemplos de aplicacin tpicosson los cojinetes del cigeal y bielas en un motor, los cojinetes delas turbinas de centrales termoelctricas (Ref. [6]).

Entre los factores de diseo a considerar se hallan discriminadosen factores de orden tcnico y factores de orden econmico como:- Los valores de las cargas aplicadas y las condiciones de servicio- Las condiciones de instalacin y el tipo de mantenimiento- Las tolerancias de fabricacin permitidas, la duracin pretendida- Los costos de instalacin y de mantenimiento

El estudio de la lubricacin est basado en:- mecnica de fluidos.- termodinmica y transferencia de calor.- mecnica de slidos, materiales.

LUBRICACIN


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Se pueden distinguir cinco tipos de condiciones de lubricacin (Ref. [1])- Lubricacin Hidrosttica- Lubricacin Hidrodinmica- Lubricacin Elastohidrodinmica- Lubricacin Marginal

LUBRICACIN HIDROSTTICA

Se obtiene introduciendo el lubricante que a veces es aire o agua, en elrea de soporte de carga a una presin suficientemente alta para separarlas superficies con una pelcula de lubricante relativamente gruesa. Portanto, contraria a la lubricacin hidrodinmica, esta clase de lubricacin norequiere movimiento de una superficie en relacin con la otra.

LUBRICACIN HIDRODINMICALas superficies de soporte de carga del cojinete se encuentran separadaspor una pelcula de lubricacin relativamente gruesa, para prevenir elcontacto de metal con metal. La lubricacin hidrodinmica no depende dela introduccin del lubricante a presin, aunque puede ocurrir; perorequiere la existencia de un suministro adecuado todo el tiempo. Tambin

se llama de pelcula completao fluida.

TIPOS DE LUBRICACIN (1)


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LUBRICACIN ELASTOHIDRODINMICAEs el fenmeno que ocurre cuando se introduce un lubricante entre lassuperficies en contacto rodante, como en los engranes acoplados, encojinetes de rodamiento o entre una leva y su seguidor.La carga crea una huella de contacto causada por las deflexioneselsticas de la superficie y esta huella puede hacer que se cree unasuperficie plana suficientemente grande como para permitir la formacin

de una pelcula totalmente hidrodinmica, siempre que la velocidadrelativa de deslizamiento sea lo suficientemente elevada.

LUBRICACIN MARGINALSe refiere a situaciones en las cuales un rea de contacto insuficiente, unacada en la velocidad de la superficie mvil, una reduccin en la cantidad

de lubricante suministrado al cojinete, un incremento en la carga delcojinete o un aumento en la temperatura del lubricante, provocadisminucin de la viscosidad y evitan la acumulacin de una pelculasuficientemente gruesa para impedir el contacto metal a metal. Lalubricacin marginal es la situacin menos deseable porque permite queentren en contacto las asperezas superficiales y se desgasten con

rapidez.



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La Lubricacin Hidrodinmica es la que se puede observar en loscojinetes con superficies concordantes como en la figura (a). La

lubricacin elastohidrodinmica es ms comn en superficies rodantes noconcordantes como en el caso de los rodamientos, segn se ve en lafigura (b).

Caracterizacin de los tipos de lubricaciones (a)Pelcula fluida (b)Marginal(c)Parcial


Ref. [6]


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Un lubricante es una sustancia que tiene por funcin reducir la friccin y elconsecuente desgaste entre superficies con movimiento relativo (Ref. [6]).

Propiedades de los lubricantes lquidos:- Pueden evolucionar entre las superficies deslizantes conduciendo a unalubricacin hidrodinmica.

- Tienen una alta capacidad de disipacin trmica del calor generado porel contacto.- Se pueden mezclar con otros productos qumicos (aditivos) paraotorgarles mejoras al lubricante, como por ejemplo incrementar laresistencia a la corrosin de las partes, incrementar la vida til dellubricante, incrementar la capacidad de carga, etc.

- Se pueden remover las partculas producidas por el desgaste.

LUBRICANTES Y PROPIEDADES (1)


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Viscosidad: Capacidad que tiene un lubricante lquido de resistirdeformaciones cortantes.


Representacin esquemtica de la resistencia del fluido

Unidades de viscosidad

F du

A dy

du Ucte

dy h

. .U

F Ah

Ref. [5]


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Determinacin de la viscosidad (Ref. [1]):

En el mtodo ASTM estndar para determinar la viscosidad se usa uninstrumento llamado viscosmetro universal Saybolt. El mtodo consiste en medirel tiempo en segundos para que 60 ml (mililitros) de lubricante, a una temperaturaespecificada, escurran a travs de un tubo de 17.6 mm de dimetro y 12.25 mmde longitud. El resultado se conoce como viscosidad cinemtica; en el pasado seempleaba la unidad de centmetro cuadrado por segundo. Un centmetro

cuadrado por segundo se define como un stoke.Mediante la aplicacin de la ley de Hagen-Poiseuille, la viscosidad cinemticabasada en segundos Saybolt, tambin llamada viscosidad Saybolt universal(SUV, por sus siglas en ingls) en segundos, est dada por


donde Zk est en centistokes (cSt) y t es el nmero de segundos Saybolt.En unidades SI, la viscosidad cinemtica utiliza la unidad de metro cuadradopor segundo (m2/s) y la conversin se obtiene mediante

Por tanto:

ttZk

18022.0

)(10)/(62

cStZsm k

61018022.0

t

t 61018022.0

t

t

viscosidad cinemtica en m2/s viscosidad dinmica en pascal-segundos


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Los cojinetes hidrodinmicos radiales tienen por funcin servir de apoyosa ejes o bien a rboles (como el cigeal) entre otros usos. Lacaracterstica principal de este tipo de dispositivos reside en que el tipo delubricacin que se utiliza es la hidrodinmica y pueden soportar una cargasustancial con poco rozamiento y en consecuencia desgaste y prdida depotencia mnimos. Las superficies del cojinete son paralelas al eje derotacin del eje que estn conteniendo.Existen diferentes tipos de cojinetes, segn sus formas, materiales yaplicaciones.

COJINETES HIDRODINMICOSRADIALES

Diferentes tipos de cojinetes

Ref. [6]


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BABBITS: Toda una familia de aleaciones, basadas en plomo y estaocombinados con otros elementos, resulta muy efectiva especialmentecuando son electrodepositadas formando pelculas delgadas sobre unsustrato ms resistente como el acero, El babbit probablemente sea elejemplo ms comn de esta familia, y se emplea para cojinetes decigeal y de rbol de levas en los motores de combustin interna. Supoca dureza permite la incrustacin de partculas y se puede dejar conacabado de baja aspereza. Es necesaria una buena lubricacinhidrodinmica o hidrosttica, ya que la temperatura de fusin del babbit esbaja y fallar rpidamente en condiciones de lubricacin marginal.

BRONCES: Las familias de las aleaciones de cobre, principalmente losbronces, son una excelente eleccin para operar contra acero o hierrofundido. El bronce es ms blando que los metales ferrosos, pero tienebuena resistencia, buena maquinabilidad y resistencia a la corrosin. Haycinco aleaciones comunes de cobre en la fabricacin de cojinetes: cobre-plomo, cobre-berilio, bronce al plomo, bronce al estao y bronce alaluminio. Los bujes de bronce resisten una lubricacin marginal y soportan

cargas elevadas y altas temperaturas.

MATERIALES EN COJINETESDESLIZANTES (1)


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FUNDICIN DE HIERRO GRIS Y DE ACERO: El grafito libre del hierrofundido agrega lubricidad aunque tambin se requiere un lubricantelquido. Tambin se emplea acero contra acero, si ambas piezas estnendurecidas y lubricadas. Es una eleccin comn en cojinetes deelementos rodantes.

MATERIALES SINTERIZADOS: Se forman a partir de polvo y seconservan microscpicamente porosos despus del tratamiento trmico.Su porosidad les permite absorber cantidades importantes de lubricante yalmacenarlo por accin capilar, as como expulsarlo hacia el cojinetecuando se calienta. El bronce sinterizado se aplica mucho contra acero ohierro fundido.

MATERIALES NO METLICOS: De tener suficiente lubricidad, algunostipos de estos materiales ofrecen la posibilidad de lubricacin en seco. Unejemplo es el grafito. Algunos termoplsticos como el nylon, el acetal y eltefln ofrecen un coeficiente de friccin bajo contra cualquier metal, perotienen baja resistencia y baja temperatura de fusin, que al combinarse

con su mala conduccin trmica, limita severamente las cargas yvelocidades de operacin que puede soportar.

MATERIALES EN COJINETESDESLIZANTES (2)


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El fenmeno de la friccin fue explicado por primera vez por Petroffmediante la suposicin de que el rbol es concntrico. Este anlisis es

importante porque define grupos de parmetros adimensionales y porqueel coeficiente de friccin predicho mediante esta ley resulta ser muyexacto, incluso con rboles no concntricos.

Partiendo de la figura y de la ec. de viscosidad se halla el coeficiente defriccin, suponiendo que acta una carga W pequea y llamando T al par

que hay que aplicar para hacer girar el eje.

LEY DE PETROFF (1)

Eje girando a una velocidadN rps en un cojinete.

2

WP

rl

22 . . .T fWr r f l P

22

N rf

P c

(Carga por unidad derea proyectada)

(Par de torsin)

(Ecuacin de Petroff - 1883)

Ref. [6]


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La velocidad de prdida de calor por conveccin y radiacin en los alrededores es:

LEY DE PETROFF (2)

donde,A0 = rea de superficie lateral del alojamiento del cojineteU0 = coeficiente global combinadoTb = temperatura de la superficie del metal del cojineteT= temperatura ambienteTf = temperatura promedio de la pelcula de lubricante = Ts + T/2

Ts = temperatura del colector de aceiteT = incremento de temperatura

Y la velocidad de generacin de calor por friccin viscosa es elcalentamiento del lubricante durante su paso:

La velocidad de generacin de calor tambin es igual a la velocidad detrabajo del par de torsin T:

_

0 0

0 0

2

fo

bprdida

U A T T

Q U A T T

o o

p pgenQ m C T lc rNC T

22 22545 25452

1050 1050

o

gen

N rlTN r cQ rWN

c W r

2 2 3

0 0

8 2545

1050f

N lr

T T U A c

_

0 0/ 2

3600

f

p

U A T T

T lc rNC


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El grfico puede dividirse en tres zonas:

- zona I: lubricacin hidrodinmica y elastohidrodinmica. Las superficiesdel cojinete estn perfectamente separadas con un pelcula gruesa defluido: no hay contacto directo entre las superficies que deslizan y portanto prcticamente no hay desgaste. A medida que la viscosidaddisminuye, decrece la pelcula hasta el punto C.- zona II: lubricacin mixta o elastohidrodinmica parcial.

- zona III: lubricacin marginal

ESTABILIDAD DE LA LUBRICACINCURVA DE STRIBECK

Efecto de la viscosidad en la lubricacin. Curv

de Stribeck

Ntese que se puede apreciar una zonaestable donde el rozamiento y el desgasteson ms bien bajos. As pues estando en lazona de estabilidad, si se bajacontinuamente la velocidad de rotacin, es

claro que se obtendr una condicininestable con gran desgaste, al igual que elincremento de presin. Por otro lado si bajala presin y aumenta la velocidad, desde lazona estable se puede obtener unacondicin de mayor desgaste, aunque no estan severa como en el otro sentido.

Ref. [6]


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- c = holgura radial- ho = altura mnima de pelcula- e = excentricidad- O y O = centros de las circunferencias del mun del eje y del cojinete.

- Tambin se define una relacin de excentricidad:

NOMENCLATURA DE UN COJINETE

ec

Ref. [6]


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La teora actual de la lubricacin hidrodinmica se origina

con los experimentos de Toweren 1880 explicados por O.Reynolds. Se resuelve con las siguientes hiptesis:- h es pequeo frente a r, se desprecia la curvatura.- el lubricante cumple la ley de Newton para fluidosviscosos.- se desprecian las fuerzas debidas a la inercia del

lubricante.- se asume que el lubricante es incompresible.- la viscosidad es constante en toda la pelcula delubricante.- la presin del lubricante no vara en la direccin axial.En el caso unidimensional se supone adems:

- no existe flujo de lubricante en la direccin z.- la presin slo es funcin de la variable x.- la velocidad de una partcula de lubricante es funcinde x e y.

TEOR A DE LA LUBRICACI NHIDRODINMICA

3

6h dp dh

Ux dx dx

3 3

6h p h dp h

U

x x z dz x

(Ecuacin de Reynolds unidimensional) (Generalizacin de la Ecuacin de Reynolds)

Ref. [1]


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Albert A. Raimondi y John Boyd se valieron de una tcnica de iteracinpara resolver la ecuacin de Reynolds con una computadora digital.Los artculos de Raimondi y Boyd se publicaron en tres partes y contienen

45 grficas y 6 tablas de informacin numrica.En las tres partes, las grficas se emplean para definir las variables derelaciones longitud-dimetro (l/d) de 1:4, 1:2 y 1 para ngulos beta de 60 a360.Las grficas que se presentan aqu provienen de la parte III de losartculos y slo son para chumaceras redondas (=360).

GRFICAS DE RAIMONDI Y BOYD

NMERO CARACTERSTICO DEL COJINETE O NMERO DESOMMERFELD

donde S = nmero caracterstico del cojineter = radio del mun, pulg.c = holgura radial, pulg. = viscosidad absoluta, reynN = velocidad significativa, rpsP = carga por unidad de rea proyectada de cojinete

r/c = relacin de holgura radial

2r N

Sc P


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1. GRFICAS DE VISCOSIDAD (1)

Ref. [1]


20/32

1. GRFICAS DE VISCOSIDAD (2)

Ref. [1]

2 GR FICAS DEL ESPESOR


21/32

2. GR FICAS DEL ESPESORMNIMO DE PELCULA (1)

Ref. 1

2 GR FICAS DEL ESPESOR


22/32

2. GR FICAS DEL ESPESORMNIMO DE PELCULA (2)

Ref. [1]

3 GR FICA DEL COEFICIENTE DE


23/32

3. GR FICA DEL COEFICIENTE DEFRICCIN

Ref. [1]

4 GR FICAS DEL FLUJO DE


24/32

4. GR FICAS DEL FLUJO DELUBRICANTE (1)

Ref. [1]

4 GR FICAS DEL FLUJO DE


25/32

4. GR FICAS DEL FLUJO DELUBRICANTE (2) Ref. [1]

5 GR FICAS DE PRESI N EN LA


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5. GR FICAS DE PRESI N EN LAPELCULA (1) Ref. [1]

5 GR FICAS DE PRESI N EN LA


27/32

5. GR FICAS DE PRESI N EN LAPELCULA (2) Ref. [1]

6 GR FICA DE AUMENTO DE LA


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6. GR FICA DE AUMENTO DE LATEMPERATURA DEL LUBRICANTE

Ref. [1]


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En el diseo se distinguen dos grupos de variables: independientes y

dependientes. Las primeras pueden ser modificadas por el diseador,algunas impuestas por el proyecto general de mquina:

- la viscosidad .- la carga por unidad de rea proyectada de cojinete, P.- la velocidad de giro, N.

- las dimensiones del eje y del cojinete: r, c, L y .

Las segundas (llamadas tambin factores de diseo) no estndirectamente controladas por el diseador pero deben mantenerse dentrode los lmites admisibles:

- coeficiente de rozamiento, f.- incremento de temperatura, T.- flujo de lubricante, Q.- espesor mnimo de pelcula, ho.

CONSIDERACIONES DE DISEO

CRITERIOS DE DISEO DE


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donde D es el dimetro del mun en pulgadas.

CRITERIOS DE DISEO DETRUMPLER PARA CHUMACERAS

Si la carga que se somete a una chumacera se incrementa de manerarepentina, el aumento en la temperatura de la pelcula en el anillo es

inmediato. Como con frecuencia se tienen vibraciones del suelo debidas altrnsito de camiones, trenes y temblores de tierra, Trumpler us un factorde diseo 2 o mayor sobre la carga de operacin, pero no sobre la cargade inicio empleada en la ecuacin anterior:

0 0.0002 0.00004h D

max250T F

300stW

psilD

2dn

Ref. [1]


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Considere un cojinete de bloque con un colector de lubricantecomo cuero, cuyo mun gira a 900 rpm en aire agitado por elrbol a 70F con = 1. El rea lateral del cojinete mide 40 pulg2. El

lubricante est formado por aceite SAE grado 20. La carga radialde gravedad es 100 lb y la relacin L/D = 1. El cojinete muestra undimetro de mun de 2.000 + 0.000/-0.002 pulg, un dimetro delbuje de 2.002 +0.004/-0.000pulg.Para una holgura mnima de ensamble, estime las temperaturas deestado estable, as como el espesor de la pelcula mnimo y elcoeficiente de friccin.

EJEMPLO

REFERENCIAS


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[1] SHIGLEY, Joseph E. Diseo en ingeniera mecnica. Sexta edicin.Editorial Mc Graw Hill. Pg. 747-831. 2002

[2] NORTON, Robert L. Diseo de mquinas. Tercera edicin. Editorial McGraw Hill.

[3] ESCOBAR GOMEZ, Diego. Anlisis de lubricacin y refrigeracin delos bronces de los molinos del Ingenio La Cabaa S.A. Universidad delValle. Facultad de Ingeniera. Ingeniera Mecnica. Santiago de Cali.

2000.

[4] ROSERO FLREZ, Luis Fernando. Anlisis de falla de los bronces ycajas laterales de los molinos del Ingenio Mayagez S.A. Universidad delValle. Facultad de Ingeniera. Ingeniera Mecnica. Santiago de Cali.2005. [email protected]

[5] TECNUN. Campus Tecnolgico. Universidad de Navarra. Elementosde mquinas. Cp.1,2,3,4.

[6] UTN FRBB. Ctedra: Elementos de mquinas. Prof. Ing. Marcelo

Tulio Piovan 2004

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