Un eje vertical pasa a través de un cojinete y se lubrica: principios de ingeniería, desafíos y soluciones modernas

Entendiendo qué sucede cuando un eje vertical pasa a través de un rodamiento y se lubrica

Cuando un eje vertical pasa por un rodamiento y se lubrica, este debe soportar cargas radiales y axiales, permitiendo a la vez una rotación suave en contacto continuo con el fluido. A diferencia de los ejes horizontales, un sistema vertical depende en gran medida de la formación de una película hidrodinámica y de la capacidad del lubricante —a menudo agua— para mantenerse estable entre las superficies giratorias y estacionarias.

Esta configuración se utiliza ampliamente en bombas, sistemas de bocinas marinas, turbinas hidroeléctricas, mezcladores verticales y equipos de energía offshore. Si la lubricación se vuelve inestable, el eje experimentará contacto metal-polímero o metal-metal, lo que provocará un rápido desgaste, sobrecalentamiento, vibración, ruido y, finalmente, falla.

Comprender este mecanismo es esencial para los ingenieros que optimizan el rendimiento o resuelven problemas operativos.

Por qué los conjuntos de cojinetes de eje vertical son fundamentales para la confiabilidad del sistema

Las máquinas verticales se basan en cojinetes que:

• Soporta cargas combinadas radiales y axiales
• Mantener la alineación a lo largo de los tramos de eje largos
• Operar en entornos de inmersión o semi-inmersión.
• Resiste partículas abrasivas a menudo presentes en el agua.
• Establecer una película de fluido estable a baja y alta velocidad.

Dado que la gravedad actúa directamente a lo largo del eje, el empuje axial se convierte en una consideración de ingeniería crucial. Incluso una ligera desalineación puede multiplicar por dos o tres las fuerzas de contacto radial , acelerando drásticamente el desgaste.

En aplicaciones marinas e hidroeléctricas , los cojinetes pueden funcionar 24 horas al día, 7 días a la semana durante 10 a 25 años, lo que hace que los materiales, el comportamiento de lubricación y el diseño geométrico sean de vital importancia.

Dónde se utilizan cojinetes verticales: Marina, hidroeléctrica, sistemas de bombeo y más

Los cojinetes de eje vertical aparecen en sistemas como:

• Tubos de popa marinos (ejes de hélice)

Cojinetes sumergidos de gran diámetro que requieren un flujo de agua estable.

• Cojinetes guía de turbinas hidráulicas

Los ejes de turbinas hidráulicas verticales pueden superar las 40 toneladas, lo que exige un excelente rendimiento hidrodinámico.

• Bombas y circuladores verticales

Bombas municipales, bombas de agua de refrigeración, bombas de pozos profundos : muchas funcionan continuamente en agua con arena abrasiva o limo.

• Sistemas de energía renovable y offshore

Los generadores de olas y mareas utilizan cojinetes de agua de polímero para lograr sostenibilidad.

Cada aplicación expone el rodamiento a desafíos únicos de lubricación, carga y contaminación.

Principales desafíos de ingeniería cuando un eje vertical opera dentro de un cojinete lubricado

Incluso con lubricación presente, los cojinetes verticales enfrentan múltiples riesgos de falla:

1. Pérdida de película hidrodinámica a baja velocidad

Las fases de arranque y parada a menudo crean una lubricación límite, lo que aumenta drásticamente las tasas de desgaste.

2. Contacto inducido por carga axial

Un empuje excesivo comprime la película, aumentando la fricción y la temperatura.

3. Problemas de calidad del agua

Las partículas abrasivas (arena, limo) pueden aumentar el desgaste entre un 300 y un 500 % según las comparaciones de desgaste de caucho ASTM D5963.

4. Desalineación del eje

Incluso una desalineación de 0,1 a 0,2 mm puede provocar una distribución de presión no uniforme a lo largo del revestimiento de polímero.

5. Inestabilidad del flujo de lubricante

Un flujo de agua insuficiente altera la eliminación de calor y la sustentación hidrodinámica.

Por lo tanto, las máquinas verticales deben confiar en materiales con alta resistencia al desgaste, baja fricción y capacidad de funcionar con lubricación mixta.

Cómo funciona la lubricación por agua: película hidrodinámica, condiciones límite y comportamiento de arranque en seco

Los cojinetes lubricados con agua funcionan bajo dos regímenes de lubricación:

• Lubricación hidrodinámica (estado ideal)

La rotación crea presión que forma una película de agua que separa el eje y el cojinete.

Esto reduce la fricción a 0,02 – 0,05, similar a los sistemas lubricados con aceite.

• Lubricación límite (estado crítico)

Ocurre durante el inicio, el apagado y el funcionamiento a baja velocidad.

El contacto aumenta la fricción a 0,15 – 0,25, lo que exige materiales resistentes al desgaste.

El agua como lubricante : ventajas

• Ininflamable
• Seguro para el medio ambiente
• Eliminación inmediata del calor
• No hay riesgo de contaminación por petróleo

El desafío: el agua es fina (baja viscosidad), lo que significa que el material debe compensarlo mediante el diseño mecánico y la geometría.

Por qué los rodamientos de polímero lubricados con agua se están convirtiendo en el estándar de la industria

Los cojinetes de polímero modernos han reemplazado a los cojinetes de metal en muchos sistemas verticales debido a:

Alta resistencia al desgaste: Los compuestos de polímeros muestran un desgaste de 3 a 8 veces menor en las pruebas ASTM D5963 en comparación con los sistemas tradicionales basados ​​en caucho o metal.

Comportamiento superior de arranque en seco y lubricación límite: Las matrices de polímeros diseñadas tienen lubricidad incorporada que reduce la fricción de arranque.

Operación libre de corrosión y aceite: Sin óxido, sin reacción galvánica, sin contaminación de aceite.

Alineación regulatoria: La OMI, el VGP de la EPA y las regulaciones ambientales marinas fomentan los sistemas sin petróleo.

Donde Techemer / INDRON® encaja naturalmente

En aplicaciones lubricadas con agua, la calidad del material determina la vida útil del rodamiento.

Los cojinetes lubricados con agua INDRON® de Techemer , incluida la serie de polímeros TSTN , están diseñados específicamente para entornos de ejes verticales:

• Resistencia al desgaste comprobada significativamente mayor que los cojinetes de caucho comunes
• Película hidrodinámica estable gracias a la geometría de ranura optimizada
• Mayor vida útil en aguas abrasivas (río, costa, desalinización)
• Se utiliza en embarcaciones de trabajo marinas, turbinas hidráulicas y bombas verticales.
• Ideal para el reemplazo de cojinetes metálicos en tubos de popa y cojinetes guía.

Estos productos se integran perfectamente en las soluciones de ingeniería descritas , sin una marca excesiva , lo que aporta un valor real a los ingenieros que buscan mejorar el rendimiento.

Soluciones de ingeniería para mejorar la confiabilidad cuando un eje vertical funciona sobre un cojinete lubricado

1. Seleccione materiales de cojinetes de polímero avanzados

Los compuestos de alto rendimiento pueden reducir el volumen de desgaste entre un 40 y un 70 % en agua abrasiva.

2. Optimizar el flujo de agua hacia el rodamiento

Un caudal mínimo garantiza una refrigeración y una lubricación estable.

El flujo de agua deficiente es la causa más común de falla prematura.

3. Mejorar la dureza y el acabado de la superficie del eje

Recomendado:

Dureza ≥HRC 40

Rugosidad superficial 0,3 –0.5 μm Ra

4. Utilice la holgura adecuada para los cojinetes

Demasiado apretado: colapso de la película

Demasiado flojo: vibración del eje

Se deben seguir las pautas de ingeniería para los márgenes térmicos y de hinchamiento.

5. Incorporar geometría de rodamiento ranurado

Ayuda a la circulación del agua y mejora la elevación hidrodinámica al arrancar.

6. Verificar la alineación con herramientas láser

Reduce la presión desigual y prolonga drásticamente la vida útil del rodamiento.

7. Elija rodamientos lubricados con agua para cumplir con las normas ambientales

Especialmente importante para los buques que operan en aguas protegidas.

Conclusión

Cuando un eje vertical pasa por un rodamiento y se lubrica, es fundamental mantener un régimen de lubricación estable para prevenir vibraciones, desgaste y fallos. Los rodamientos de polímero modernos lubricados con agua se han convertido en el estándar de ingeniería para aplicaciones marinas, de bombeo e hidroeléctricas gracias a su alta resistencia al desgaste, sus beneficios ambientales y su fiable rendimiento hidrodinámico.

Mediante la selección adecuada de materiales, diseño de lubricación y control de ingeniería, los sistemas de cojinetes verticales pueden lograr una vida útil más larga, una mayor eficiencia y un menor riesgo operativo.