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An�lisis de productividad en rodamientos de alto desempe�o hidrost�tico para m�quinas rotativas y turbinas hidr�ulicas

 

Productivity analysis in high hydrostatic performance bearings for rotating machines and hydraulic turbines

 

An�lise de produtividade em rolamentos de alto desempenho hidrost�tico para m�quinas rotativas e turbinas hidr�ulicas

 

Elvis Enrique Arguello II elvis.arguello@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0001-5083-1011

Jos� Francisco P�rez Fiallos I jperez@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0003-0229-4770

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	Rodrigo Rigoberto Moreno Pallares III rodrigo.moreno@espoch.edu.ec https://orcid.org/0000-0003-1877-6942

 

 

 

 

 

Correspondencia: jperez@espoch.edu.ec

Ciencias de la salud

Art�culos de investigaci�n

 

 

*Recibido: 16 de julio de 2021 *Aceptado: 30 de agosto de 2021 * Publicado: 06 de septiembre de 2021

 

       I.         Facultad Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

     II.         Facultad Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

    III.         Facultad Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

Resumen

Durante todo este tiempo existe una evoluci�n en cuanto a la aplicaci�n de uso de cojinetes con aplicaciones en el �rea de la hidrost�tica. Estos dise�os han permitido una mejora de ventajas que sus dise�os han alcanzado. Estas mejoras logran un gran desempe�o en aspectos de compresi�n en la tribolog�a. Esto permite que nuevas tecnolog�as y deseos se puedan implementar para alcanzar un mejor cometido y una mejor precisi�n en cuanto al dise�o de rodamientos. El presente documento revisa algunos procesos que optimiza los dise�os en cuanto ejercicio de geometr�a, aspectos de dise�o de hidrost�tica en funci�n de algunos sistemas hidr�ulicos.

Los aspectos considerados dentro de los estudios presentados son mediante un flujo de condiciones presurizadas y algunos dispositivos electr�nicos de control que consigue alcanzar una reducci�n en los costos de mantenimiento. Se muestra algunas tendencias actuales sobre el dise�o y fabricaci�n de cojinetes capaces de alcanzar gran desempe�o.

Palabras clave: Cojinetes; Rodamientos alto desempe�o; Hidrost�tica; tribolog�a.

 

Abstract

During all this time there is an evolution regarding the application of bearing use with applications in the area of hydrostatics. These designs have allowed an improvement of advantages that their designs have achieved. These improvements achieved great performance aspects of compression in tribology. This allows new technologies and wishes to be implemented to achieve better performance and better precision in bearing design. This document reviews some processes that optimizes designs in terms of geometry performance, hydrostatic design aspects of them bearings in function of some hydraulic systems.

The aspects considered within the studies presented within a flow of pressurized conditions and some electronic control devices that achieve a reduction in maintenance costs. It shows some current trends in the design and manufacture of bearings capable of achieving high performance.

Keywords: Bearings; High performance bearings; Hydrostatic; tribology.

 

Resumo

Durante todo esse tempo h� uma evolu��o quanto � aplica��o do uso de rolamentos com aplica��es na �rea de hidrost�tica. Esses projetos permitiram um aprimoramento das vantagens que seus projetos alcan�aram. Essas melhorias alcan�aram grandes aspectos de desempenho de compress�o em tribologia. Isso permite que novas tecnologias e desejos sejam implementados para obter melhor desempenho e melhor precis�o no projeto do rolamento. Este documento analisa alguns processos que otimizam projetos em termos de desempenho de geometria, aspectos de projeto hidrost�tico dos rolamentos em fun��o de alguns sistemas hidr�ulicos.

Os aspectos considerados nos estudos apresentados dentro de um fluxo de condi��es pressurizadas e alguns dispositivos de controle eletr�nico que permitem uma redu��o nos custos de manuten��o. Ele mostra algumas tend�ncias atuais no projeto e fabrica��o de rolamentos capazes de atingir alto desempenho.

Palavras-chave: Rolamentos; Rolamentos de alto desempenho; Hidrost�tico; tribologia.

 

Introducci�n

Las invenciones de los cojinetes y rodamientos de alto desempe�o permitieron que grandes avances en cuanto al dise�o mec�nico se lleven a acab� y logr� que se acoplen a las diferentes teor�as de lubricaci�n y tribolog�a.[1]

La lubricaci�n considera aspectos de aplicaci�n de un fluido entre dos superficies de fricci�n formando una pel�cula que permite que se adapte a los planos, y estos cojinetes con aplicaci�n hidrost�tica tienen ventajas como brindar una fricci�n totalmente menor disminuyendo las fuerzas de interacci�n de cizallamiento, consiguen un desgaste menor entre las superficies de fricci�n. [2]

Dentro del �rea de la generaci�n hidroel�ctrica es muy com�n el uso de rodamientos hidrost�ticos con aplicaciones en la turbina del hidrogenado, considerando que su funcionamiento presenta condiciones altas de fricci�n durante el inicio de rotaci�n y se debe reducir al m�ximo la presencia de los da�os superficiales. [3]

Dentro de la industria petroqu�mica en el �rea de refrigeraci�n, el caudal del flujo hidrost�tico es accionado hacia un compresor que requiere dentro de su dise�o un cojinete de alto desempe�o en la cuales se ha implementado un tratamiento superficial para que pueda adaptarse a las condiciones del flujo. [4]

Es importante considerar que debe tener en el dise�o del cojinete una correcta integraci�n en los aspectos mec�nicos e hidr�ulicos, establecer los subsistemas que se disponen as� como sus restricciones y efectos mutuos.

Existe una gran diferencia entre las almohadillas o bases hidrost�ticas, ya que se debe considerarse aspectos como rigidez y precisi�n del dise�o seg�n al lugar de impacto del flujo hidroest�tico, por lo que se recomienda dentro del dise�o el uso de tecnolog�a CNC en relaci�n al mecanizado y tener una aplicaci�n de un mayor n�mero almohadillas que brinden un soporte considerando el tama�o y la fuerza del flujo hidroest�tico. [5]

Los cojinetes con aplicaciones en ambientes de trabajo relacionado con la hidrost�tica ,dependen de las condiciones de presurizaci�n de alg�n tipo de fluido y est�n sometidos a una carga directa e indirecta en incluso cuando tiene aplicaci�n en el dise�o de ejes; y estos tienen un uso como soporte por lo cual tienen una ideal aplicaci�n en bombas para fluidos brindando una menor exigencia en aspectos mec�nicos. [6]

Una de las condiciones de gran exigencia para los cojinetes de aplicaci�n hidroest�tica considera de gran importancia que la rigidez superficial, es notable cuando se define el centrado de un eje con una alta precisi�n; considerando las fuerzas din�micas que producen un efecto de golpe sobre la superficie resultado de la comprensibilidad del fluido.

Es significativo definir que las fuerzas de cargas y rigidez est�tica a la que est�n sometidos los cojinetes deben ser independientes a las condiciones del fluido, siendo una de las grandes ventajas en cuanto a este tipo de dise�o. [7]

Los cojinetes hidroest�ticos que presentan en su dise�o un orificio como limitadores, tiene mejores resultados en cuando a la rigidez superficial debido a la dependencia de la presi�n de dep�sito y no tanto de las condiciones de tribolog�a de la superficie y el tipo de lubricante usado.

En la Figura 1 se puede observar las perforaciones o cavidad que ayudan al mejor acople de la superficie del cojinete y se pueda alcanzar un giro sin contacto. [8]

 

Figura 1. Almohadilla del cojinete con perforaciones de una turbina hidrodin�mica. [8]

Existen dise�os que reducen los inconvenientes en cuanto al acople de las superficies, se ha implementado cojinetes de soporte de empuje con lubricaci�n l�quida que permite una menor fricci�n, este acople se lo denomina soporte o base hidr�ulica, este tipo de dise�o podemos observar en la Figura 2.

 

Figura 2. Soporte hidr�ulico con cojinete hidroest�tico con anillo de goma. [8]

 

Los cojinetes hidrost�ticos son elementos necesarios de unas m�quinas de alto desempe�o en cuanto a la carga de fricci�n, es importante considerar la lubricaci�n y el tipo de soporte que son importantes para lograr el mejor rendimiento en relaci�n al movimiento. Conseguir una formaci�n de una pel�cula de lubricaci�n entre las superficies de contacto del cojinete. En cuanto a aspectos de capacidad de resistencia de carga con la aplicaci�n de espacios o soportes hidr�ulicos. El sistema encargado de conducir el aceite usa un tipo de inyecci�n de lubricaci�n dentro de las cavidades de lubricaci�n en los rodamientos, el dise�o de estas cavidades debe tener una mayor profundidad en relaci�n a la superficie de contacto para alcanzar una pel�cula de lubricaci�n viscosa en relaci�n al fluido. [9]

Esto puede ocasionar una p�rdida de presi�n cuando el l�quido lubricante fluye hacia las cavidades, pero en especial� la pel�cula de aceite generada en los extremos del cojinete logra ser m�s delgado, alcanzando un cizallamiento viscoso y esto permite lograr la presi�n de aceite necesaria.

En la Figura 3 se puede observar el direccionamiento de lubricante sobre la superficie de contacto. [10]

Figura 3. Flujo de lubricante entre las superficies del rodamiento.

 

Conseguir una reducci�n en la ausencia de estabilidad de la fricci�n, se localiza espec�ficamente en el cojinete cil�ndrico con las cavidades o almohadillas para la pel�cula de aceite, se pueden llegar alcanzar grandes desgates en esta zona por lo que es uno de los grandes desaf�os a futuro que se pueden llegar a eliminar, considerando que las diferentes aplicaciones que se pueden tener y las investigaciones en las diferentes propuestas se encuentran aun en estudios para conseguir eliminar en su totalidad las fuentes que generan momento dentro de la din�mica del giro del eje y la generaci�n del golpes en su funcionamiento. En la Figura 4 podemos observar la superficie que modifica en los cojinetes, de tal forma que se puede reducir la aparici�n de inestabilidad en el fluido del lubricante. [11]

 

Figura 4. Reducci�n de inestabilidad de fluido dentro de los cojinetes de superficie lisa.

 

Las cavidades, donde se aloja la pel�cula de aceite se pactan a la ecuaci�n resultante bajo el efecto de Reynolds en los ejes cil�ndricos, y se pueden calcular de forma anal�tica en funci�n de las condiciones de presi�n y la resistencia a los �ndices de capacidad de carga. Algunos estudios han tratado que ingresar entre algunas de las diferentes propuestas que la superficie de fricci�n para obtener diferentes tratamientos t�rmicos y alcanzar un mejor rendimiento en el soporte, considerando que una superficie plana es complicada en funci�n de trabajos de mecanizado. Las cavidad o �reas de soporte se adaptan perfectamente a la ecuaci�n de Reynolds de ejes cartesianos y es resultante de un buen modelo para observaci�n de tendencia lineal. Contrastando, en relaci�n a la superficie de apoyo circular de eje con dise�o tipo mu��n, requiere de una mayora t�cnica de mecanizado lo que vuelve compleja su fabricaci�n; por lo que hoy en d�a ha establecido estudios que permiten conseguir una propuesta que mejore la distribuci�n de la pel�cula de aceite bajo condici�n del dise�o c�nico y esf�rico, este tipo de dise�o no son tan comunes ya que existen una menor cantidad de m�quinas que disponen de este tipo de rodamiento. [12]

Estudios relacionados a cojinetes de empujes revisaron anal�ticamente el comportamiento ante fuerzas de inercia y fuerzas de inercia centr�petas considerando la rugosidad de la superficie del cojinete, tomando en cuenta dentro del cojinete de pel�cula de aire de empuje al momento que ingresa un nuevo dise�o en la superficie alcanzado mejores rendimientos din�micos en cuanto al soporte de un eje.� Dentro de este tipo de dise�o es muy com�n encontrar la aplicaci�n de ranuras en espiral lo que logra que el efecto de las vibraciones sea menor cuando estos se presentan en una alta frecuencia. En la Figura 5 se puede visualizar l dise�o en espiral de este tipo de rodamientos. [13]

 

Figura 5. Dise�o en espiral en cojinete hidroest�ticos.

 

Materiales y m�todos

Se considera que la cavidad debe tener una profundidad AR=bB. El fluido logra encaminarse desde el orificio hacia el �rea de la almohadilla y la presi�n ambiental a trav�s de los lados del cojinete, digamos Padmisi�n=0

Figura 5. Dise�o de la geometria de la cavidad de un rodamiento hidroestatico.

 

En donde, el caudal del fluido que circula a traves de la cavidad es una funci�n relacionada a la dismunci�n de presi�n. Qt=F considerando� (Ps-Pr)

 

����� (1)

 

Dentro del dise�o se considera el �rea, la perforaci�n y la descarga del coeficiente emp�rico, respectivamente. Son el di�metro y la longitud del conducto en dicha geometr�a desde brindar un espesor en la pel�cula considerando las turbulencias de las condiciones del fluido.

La pel�cula de aceite del rodamiento, la presi�n del fluido que va desde la presi�n media (Pr) hasta la presi�n exterior Padmisi�n. Dentro de este flujo que no llega a comprimirse, se presenta un caudal quien es una funci�n de la ca�da de presi�n.

� �(2)

 

Donde B, representa el ancho de la superficie de rodamiento y L es la dimensi�n en cuanto a longitud. No se considera el movimiento del rodamiento a trav�s de la superficie a lo largo del eje. Bajo condiciones del rodamiento y tambi�n las interacciones que pueden presentarse de forma estacionaria cuando permanece fijo el eje. [14]

�(3)

Los cojinetes hidroest�ticos de compresi�n que en su dise�o cuentan con un mayor di�metro en el orificio, son de mayor uso y es importante evitar la obstrucci�n de estos orificios ya que pueden causar problemas muy complejos en el funcionamiento din�mico del rodamiento, por lo que algunos sistemas usan micro filtros de protecci�n en el circuito del fluido, como tambi�n los tiempos necesarios de recambio del mismo. En la figura 6, se observa la condici�n de un cojinete con un fluido incompresible y un fluido laminar sin fuerza de movimiento. [15]

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Figura 6. Fluido Laminar sin inercia vs fluido incomprimible

 

El an�lisis presentado muestra algunos par�metros que se deben considera en los rodamientos hidroest�ticos en cuanto aspectos f�sicos y el comportamiento dentro de la rigidez derivada est�tica. Las condiciones en otras frecuencias pueden producir cambios en la interacci�n de la rigidez y la amortiguaci�n de fuerzas. La compresi�n del fluido tendr� sus caracter�sticas de desempe�o en funci�n de las dimensiones de la cavidad y la velocidad de las condiciones hidrodin�micas sobre la superficie del dise�o y considerar las interacciones de las fuerzas hidroest�ticas y tambi�n hidrodin�micas. [16]

 

Resultados

Se presentan algunas soluciones propuestas para mejorar el desempe�o de la estabilidad del rodamiento en las condiciones hidrodin�micas en los cojinetes hidroest�ticos para eliminar las condiciones de Reynolds mediante el fluido que circula por las cavidades del rodamiento, las cuales son las siguientes:

�       El uso de superficies en los apoyos del rodamiento que permiten dise�ar una zona texturizadas con esto se logra conseguir una reducci�n de los coeficientes de acoplamiento entre la fricci�n de las superficies.

�       Realizar cambios geom�tricos en los rodamientos espec�ficamente en las cavidades para lograr una reducci�n de la desviaci�n de la rigidez en la superficie; lo que se consigue con este dise�o una estabilidad al direccionar a la rigidez hacia una menor �rea de la superficie en el rodamiento.

�       Dentro de los cojinetes hidroest�ticos que tienen como medio de lubricaci�n el aire permite se recomienda el uso de una plataforma basculante de pivote del tipo flexi�n, aunque su dise�o y funcionamiento es complejo se adapta de una mejor manera en turbom�quinas de velocidad con este tipo de rodamientos.

�       La necesidad de incrementar mayores estudios en este tipo de rodamientos y la aplicaci�n de diferentes modelos matem�ticos que estudien el contacto en las superficies del cojinete y el �rea de contacto consideran el caudal del medio hidr�ulico.

 

Conclusiones

Este trabajo ha recopilado algunas de las condiciones de interacci�n y dise�o de rodamientos para ambientes hidroest�ticos y rodamientos de dise�o con cavidades que logran un mejor desempe�o.

Muchos de los estudios presentados en esta revisi�n consideran la capacidad de carga del rodamiento, adem�s de correlacionar las propiedades de los fluidos sobre la pel�cula de aceite que se forma entre las superficies.

Tambi�n se considera que al comportamiento de un fluido no newtoniano desaf�a a su ecuaci�n ya definida debido a interacciones que actualmente est�n siendo considerada en la hip�tesis del comportamiento del fluido.

 

Referencias

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2.     N. Patir, H.S. Cheng Application of average flow model to lubrication between rough sliding surfaces Journal of Lubrication Technology, 78 (Lub-78) (1978)

3.     S.C. Lee, N. Ren Behaviour of elastic�plastic rough surface contacts as affected by surface topography, load, and material hardness Tribology Transactions, 39 (1) (1996), pp. 67-74

4.     E. Dragoni, A. Strozzi

5.     Mechanical analysis of a flat, deformable layer underlain by a rigid foundation and indentation by a paraboloical punch M.H. Aliabadi, C.A. Brebbia (Eds.), Contact mechanics: computational techniques, Computational Mechanics Publications, Southampton (1993).

6.     Zienkiewicz OC, Taylor RL. The finite element method, volume1: the basis, 5th ed. Butterworth and Heinemann; 2000 ISBN0-7506-5049-4.

7.     van Beek A, van Ostayen RAJ. Analytical solution for tiltedhydrostatic multi-pad thrust bearings of infinite length. Tribol-ogy International 1997;30(1):33�9

8.     Ron A.J. van Ostayen, Anton van Beek, Mink Ros, A mathematical model of the hydro-support: an elasto-hydrostatic thrust bearing with mixed lubrication, Tribology International, Volume 37, Issue 8, 2004, Pages 607-616.

9.     A.N. Gent, P.B. Lindley The compression of bonded rubber blocks Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, 173 (3)� (1959), pp. 111-117.

10.  O.C. Zienkiewicz, R.L. Taylor The finite element method, volume 1: the basis (5th ed), Butterworth and Heinemann (2000) ISBN 0-7506-5049-4.

11.  C. Wu, L. Zheng An average Reynolds equation for partial film lubrication with a contact factor Journal of Tribology, 111 (1989), pp. 188-191.

12.  G. Liu, Q. Wang, C. Lin A survey of contact models for simulating the contact between rough surfaces Tribology Transactions, 42 (3) (1999), pp. 581-591.

13.  N. Patir, H.S. Cheng An average flow model for determining effects of three-dimensional roughness on partial hydrodynamic lubrication Journal of Lubrication Technology, 100 (January) (1978), pp. 12-17

14.  Manring, ND, Johnson, RE, Cherukuri, HP. The impact of linear deformations on stationary hydrostatic thrust bearings. J Tribol: T ASME 2002; 124: 874�877.

15.  Singh, UP, Gupta, RS, Kapur, VK. On the steady performance of hydrostatic thrust bearing: Rabinowitsch fluid model. Tribol T 2011; 54: 723�729.

16.  Hesselbach, J, Abel-Keilhack, C. Active hydrostatic bearing with magnetorheological fluid. J Appl Phys 2003; 9: 8441�8443.

17.  Horvat, FE, Braun, MJ. Comparative experimental and numerical analysis of flow and pressure fields inside deep and shallow pockets for a hydrostatic bearing. Tribol T 2011; 54: 548�567.

18.  Bai, X, Zhang, S, Cai, H. Characteristics of spherical hydrostatic supporting system for floated inertial platform. Tribol Int 2015; 90: 287�296.

19.  Li, J, Chen, H. Evaluation on applicability of Reynolds equation for squared transverse roughness compared to CFD. J Tribol: T ASME 2007; 129: 963�967.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

� 2021 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

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