¿Cuál es el-principio de transporte de carga de un rodamiento de empuje terrestre cónico-?

ACojinete de empuje de tierra cónico-Es una especie de cojinete de empuje hidrodinámico con geometría fija. No tiene pivote, ni almohadilla de ajuste automático ni ajuste automático de inclinación. El rodamiento soporta carga axial mediante el uso de un área de entrada de cuña mecanizada directamente en la superficie del rodamiento.

La capacidad de presurización del rodamiento proviene de esta forma de cuña. Cuando la superficie giratoria mueve el lubricante hacia un espacio estrecho, se forma presión dentro de la película de aceite. Esta presión soporta la carga axial y mantiene la superficie separada durante la operación.

Dado que los rodamientos dependen enteramente de su geometría mecanizada, las dimensiones de los conos deben controlarse cuidadosamente. Los cambios menores en el ángulo del cono, el espesor de la película o la forma de la superficie pueden afectar la generación de presión y el rendimiento del rodamiento.

Para comprender cómo funcionan los rodamientos de empuje cónicos, es necesario examinar la hidrodinámica de la presión generada dentro de la película lubricante, en lugar de simplemente ver los rodamientos como componentes con una capacidad de carga específica.

El mecanismo central: presión hidrodinámica de una cuña convergente

Cada cojinete de película de fluido hidrodinámico, incluidos los cojinetes lisos, los cojinetes de empuje con plataforma basculante y los cojinetes de empuje cónicos para el suelo, tiene la misma capacidad de carga que los efectos físicos descritos por Osborne Reynolds en 1886. Cuando el líquido viscoso es arrastrado a través de un espacio estrecho mediante el movimiento de dos superficies, la presión dentro de la membrana del fluido aumenta. Esta presión, cuando se extiende al área de apoyo, soporta la carga sin contacto de metal-con-metal.

En un rodamiento de empuje de tierra cónica-, esta brecha cada vez más estrecha se logra fijando la geometría en lugar de moverla o ajustarla. Cada junta del anillo del rodamiento tiene dos áreas principales en el sentido de rotación.

Zona cónica (entrada): La superficie forma un pequeño ángulo con las pistas. Esto crea una brecha que se estrecha a medida que la rotación atrae el aceite hacia adentro. Gran parte de la presión hidrodinámica se genera en esta región.

Plano (salida): superficie paralela a las pistas. Esta área mantiene la presión después de que se produce y el aceite sale de la almohadilla en el borde trasero hacia la ranura de drenaje.

La relación entre la longitud del terreno plano y la longitud total de la plataforma es generalmente de 0,60 a 0,70. Si el terreno llano es demasiado corto, no habrá suficiente superficie para soportar la presión resultante. Si tarda demasiado, la zona de conicidad será demasiado pequeña y la presión no aumentará de manera efectiva.

La ecuación de Reynolds aplicada a la geometría cónica

La forma uni-dimensional de la ecuación de Reynolds para una película incompresible y de viscosidad-constante en condiciones estables es:

d/dx (h³ dp/dx)=6 μ U dh/dx

En esta ecuación, h es el espesor de la película local, p es la presión, mu es la viscosidad dinámica, U es la velocidad superficial relativa, x son las coordenadas de la dirección del movimiento.

Para entradas cónicas lineales, h (x) disminuye a una velocidad constante desde el espesor de la membrana de entrada h1 hasta la membrana mínima h2 en la unión cono-tierra. El gradiente de presión dp/dx depende tanto de μU como de dh/dx. Esto tiene los siguientes efectos directos:

• Una velocidad más alta aumenta la presión de la película y aumenta la capacidad de carga cuando el espesor de la película es el mismo.

• Una mayor viscosidad produce el mismo efecto que una mayor velocidad.

• Una reducción más pronunciada no siempre mejora el rendimiento. Si el ángulo del cono se vuelve demasiado grande, la presión aumenta demasiado cerca de la entrada y la distribución general de la presión se vuelve desigual. Esto reduce la capacidad de carga total.

La relación de cono óptima de h1/h2 de capacidad de carga máxima es aproximadamente 2,2 en condiciones de flujo laminar y viscosidad -constante. Esto significa que el espesor de la película de entrada es aproximadamente 2,2 veces más grueso que la película mínima. Específicamente, si el espesor mínimo de la película es de 15 a 25 micrones, la altura del escalón de entrada es de aproximadamente 33 a 55 micrones. Se trata de una función mecánica fija, no algo que cambie durante el funcionamiento.

Geometría versus inclinación adaptativa: en qué se diferencia el terreno cónico-del plano-inclinable

La principal alternativa al diseño de suelo cónico es el cojinete de empuje con plataforma basculante (Michell/Kingsbury). En este diseño, cada almohadilla está montada sobre un pivote. La junta se puede inclinar y angular según las condiciones de funcionamiento y el movimiento del corredor.

Este movimiento de ajuste automático-permite que la junta encuentre el ángulo más óptimo durante el funcionamiento. Ayuda a los rodamientos a formar una película de aceite estable en una amplia gama de velocidades y cargas.

La diferencia entre los dos diseños refleja tanto las ventajas como las limitaciones de los apoyos cónicos rectificados:

La conicidad fija se refiere a la mayor eficiencia del rodamiento de empuje de la tierra cónica-en el punto de trabajo de diseño. Debido a que la velocidad es mucho menor que la diseñada, la película hidrodinámica se adelgaza y los rodamientos se lubrican cerca del límite-la transición de lubricación mixta-que se describe a continuación.

Capacidad de carga, velocidad y número de Sommerfeld

La capacidad de carga de una plataforma de empuje terrestre cónica-se escala con lanúmero de rodamiento(a veces llamado número de Sommerfeld para cojinetes de empuje), definido como:

S=μNP(Rc)2S=PμN​(CR​)2

dóndeNes la velocidad de rotación (rev/s),Pes la presión media del soporte (carga ÷ área proyectada),Res un radio característico, yc¿Es el juego de referencia relacionado conh₂. Para una geometría dada, la capacidad de carga es aproximadamente proporcional aµNU- significa que la capacidad de carga aumenta linealmente con la velocidad.

Rangos prácticos de capacidad de carga para plataformas de empuje terrestres cónicas-en servicio industrial (Boyd y Rowe, 1982; Wilcock y Booser, 1957):

Si excede el límite pero no aumenta la viscosidad o la velocidad en la misma cantidad, entonces la película colapsará y obtendrá una lubricación límite. Si baja de la velocidad mínima, el rodamiento es demasiado grande para la carga. Esto crea un problema diferente: el aceite no entra ni barre la zona cónica de manera suficientemente uniforme, por lo que la temperatura no se distribuye uniformemente a lo ancho de la almohadilla.

Geometría de ranura y gestión térmica

Cada plataforma de tierra cónica-está separada de la siguiente por una ranura de drenaje circunferencial. La ranura tiene dos funciones: elimina el aceite caliente del borde posterior de una pastilla y proporciona entrada de aceite frío al cono frontal de la siguiente pastilla. Este intercambio de aceite es la forma principal de controlar el calor en un diseño de terreno cónico-. Debido a que los cojinetes de tierra cónicos-no tienen lubricación dirigida como los cojinetes de almohadillas-basculantes, dependen de la turbulencia de la ranura para mezclar el aceite frío y caliente antes de pasar al siguiente cono.

El ancho de la ranura suele ser del 15 al 25 % del paso total de la almohadilla. Las ranuras más estrechas reducen el espacio entre las almohadillas, por lo que aprovechan mejor el espacio. Pero también perjudican la mezcla del aceite y aumentan la temperatura de arrastre. La temperatura de arrastre es la temperatura del aceite que ingresa al cono en comparación con la temperatura de suministro. Ettles (1969) demostró que la fracción de arrastre-puede causar entre un 40% y un 70% del aumento de temperatura de la película en diseños de terrenos cónicos cuando se ejecuta a una velocidad de superficie de rodete superior a 50 m/s. Entonces esto reduce en gran medida la viscosidad efectiva y luego reduce la capacidad de carga.

A altas velocidades periféricas superiores a 60 m/s, el calentamiento viscoso se convierte en el principal límite de diseño en lugar de la carga. La temperatura del suministro de aceite generalmente debe permanecer entre 40 y 49 grados con aceite para turbinas ISO VG 32-46. Esto es para mantener la temperatura máxima de la película por debajo de 95 a 100 grados. Esa temperatura es el punto donde se acelera el daño térmico al paquete de aditivos del aceite.

Baja-velocidad e inicio-mecanismo de fallo de parada

La mayor limitación del diseño de suelo cónico es la forma en que funciona al arrancar, cerrar y correr a bajas velocidades. Debido a que la presión de la película hidrodinámica depende de la velocidad, la presión promedio del rodamiento de 2,0 MPa sólo puede ser del 20% (0,3 a 0,5 MPa) a velocidad normal. Si la carga de empuje aplicada es mayor que esta capacidad inferior de la membrana, el espesor mínimo de la película es menor que la suma de la rugosidad de la superficie (típicamente de 0,5 a 1,5 μm Ra para ruedas que soportan el suelo) y se produce un contacto de aspereza.

Los ciclos repetidos de arranque y parada bajo carga provocan un desgaste estable en la superficie plana, que es irreparable. A diferencia de los cojinetes de plataforma basculante, donde una pequeña cantidad de desgaste en el pivote aún puede volver a centrar la almohadilla, el desgaste en el área plana del piso cónico reduce directamente el área de presión y luego acelera más daños. La prueba de desgaste de cuatro-bolas ASTM D-4998 se utiliza comúnmente para examinar el rendimiento de los aditivos antidesgaste-del aceite en condiciones de arranque y parada de lubricación mixta. Esto se debe a que los aditivos de extrema presión del aceite proporcionan el único soporte de carga cuando la película hidrodinámica aún no se ha formado.

Para máquinas que a menudo arrancan bajo carga-como bombas accionadas por motor que realizan ciclos varias veces por turno-se debe considerar la opción de plataformas inclinables. Alternativamente, la especificación de suelo cónico debería incluir un sistema de elevación hidrostático para empujar el aceite externamente hacia la película a bajas velocidades.

Resumen de aplicación práctica

El concepto de rodamiento de los rodamientos axiales escalonados se materializa principalmente en los tres aspectos siguientes:

1.Forma de cuña convergente-Cortado en una entrada cónica en h1/h2 arco 2.2, de modo que genere presión hidrodinámica a través del mecanismo de Reynolds.

2. Terreno plano -60-70 por ciento de la longitud de la junta: proporciona el área presurizada para soportar la carga axial.

3. Canal de drenaje-Esto proporciona aceite más frío para el siguiente cono y detiene la viscosidad de la membrana de ruptura térmica.

Ninguno de los tres parámetros se puede cambiar per se, ya que cada cambio de parámetro afecta los tres valores de rendimiento: capacidad de carga, temperatura de la película y espesor mínimo de la película. Por lo tanto, los ingenieros deben comenzar con la presión promedio en los rodamientos a velocidad normal al seleccionar un dispositivo de tierra cónico para una máquina en particular. Luego deben verificar que el número de Sommerfeld correspondiente coloque el rodamiento en un estado de membrana completa. Luego deben confirmar que la frecuencia de inicio y parada y la temperatura de suministro del sistema de lubricación funcionan dentro de límites geométricos fijos. Esto se debe a que, a diferencia del diseño de almohadilla de pivote, los cojinetes cónicos rectificados no pueden reparar las condiciones operativas de su propio diseño.

Referencias

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