Cojinetes Axiales de Zapatas Oscilantes

Evaluación del comportamiento de cojinetes axiales de zapatas oscilantes con aditivo Patriot Power - MPC en el lubricante normal. La Universidad Nacional del Comahue Facultad de Ingeniería Desarrolló y estudio conjunto con la firma Dino Pezzetta S.A. - Rosario (Santa Fé).

Objetivos

El propósito es evaluar en un modelo diseñado ad-hoc:

El comportamiento de un cojinete axial, de zapatas oscilantes, de características similares a los instalados en los turbogrupos de centrales hidroeléctricas, cuya mecánica operacionales está gobernada por la teoría hidrodinámica de la lubricación, para dos condiciones de operación: 1- Lubricante normal; 2-Lubricante con aditivo Patriot Power - MPC.
El comportamiento de un cojinete axial antifricción, para dos condiciones de operación: 1-Lubricante normal; 2- Lubricante con aditivo Patriot Power - MPC.

Cuando se hace referencia al comportamiento, la mirada está centrada en evaluar, la compatibilidad fisicoquímica del aditivo cuya acción o performance se desea determinar, con los lubricantes usados y especificados por el diseñador de los equipos mecánicos en cuestión, y analizar comparativamente los parámetros operativos de los mencionados sistemas bajo distintas condiciones de operación, con la mezcla lubricante con aditivo, respecto del lubricante empleado sin aditivo.

Especificaciones de Diseño

En atención a los objetivos del ensayo expuesto precedentemente, el diseño del prototipo se ajustó de tal manera, que las condiciones de operación del cojinete de empuje del mismo, fueran análogas a las variables operacionales del cojinete axial, de zapatas oscilantes de los turbogrupos de la central hidroeléctrica El Chocón.

En tal sentido los valores adoptados para especificar el diseño del prototipo fueron:

Velocidad tangencial media del cojinete Vt=11.74 m/seg Presión media en las zapatas Pm=25 Kgr/cm2
Lubricante: Aceite Turbina ISO VG 68

Prototipo - Descripción General

A los fines del cumplimiento de los objetivos y las especificaciones expuestas precedentemente, se diseño y construyó un prototipo, cuyas características generales se describen a continuación.

Con un motor eléctrico, comandado por un variador electrónico de velocidad y mediante un acoplamiento dentado, se acciona un árbol. El mismo, de disposición vertical, se asienta sobre dos rodamientos de rodillos cilíndricos, que permiten el libre desplazamiento axial del rotor, permitiendo la transmisión de las cargas radiales al bastidor.

Solidario al rotor, se tiene un cono de empuje, que por intermedio de un collar, asienta sobre las zapatas oscilantes del denominado cojinete de empuje, cuyo soporte está montado sobre el bastidor del prototipo. La carga axial de acción sobre el sistema, se obtiene mediante el accionamiento de un tornillo, que por intermedio de una arandela cónica, asienta sobre la pista exterior de un rodamiento axial de rodillos a rótula, cuya pista interior, se desliza sobre el árbol del sistema, y está vinculado a la pista interior de uno de los rodamientos cilíndricos mencionados anteriormente, también deslizante sobre el árbol, y que a su vez está asentado sobre el cono de empuje. El diseño independiza la cadena cinemática de transmisión de las cargas radiales de las axiales. La presencia de la arandela cónica, con sus características particulares de relación carga - deformación, al quedar definido el punto de trabajo en la zona de invariabilidad de carga aparente, permite mantener la cara constante para pequeñas deformaciones axiales por efectos térmicos. La refrigeración del rodamiento axial, se realiza mediante la circulación forzada de aire, a través de dos mangas.

La cuba de aceite del cojinete de empuje, está vinculada a un depósito auxiliar, que dispone de un sistema de refrigeración. La circulación del aceite caliente de la cuba al depósito de refrigeración se realiza mediante una pequeña bomba. El retorno se produce por un proceso que combina la acción de una sobre presión hidrostática del depósito respecto de la cuba, y el efecto de succión que genera el collar de empuje del cojinete. El depósito dispone en su parte más baja de un orificio con la correspondiente válvula, para realizar el vaciado del sistema de lubricación. Dado que el cojinete de empuje de zapatas del sistema, estas operaciones deben realizarse indefectiblemente sin carga axial.

El bastidor, construido con perfiles de acero, está fijado al piso, constituido por una platea de hormigón alisado, por medio de anclajes químicos, marca HILTI.

En el Anexo 1, se puede observar un esquema del prototipo, y el Anexo 2 contiene fotografías con detalles del mismo.

Características de los principales componentes del Prototipo

Motor Eléctrico: Marca: SIEMENS, Potencia: 4CV, Velocidad Nominal: 1400 r.p.m.

Regulador Electrónico de Velocidad del Motor: Marca: DANFOSS, Modelo: VLT 2000

Cojinete de Empuje: Marca: WAUKESHA BEARINGS, Modelo: 208-601 (self leveling), Numero de zapatas: 6, Velocidad de giro: 1.450 r.p.m., Carga máxima: 17.000 Lbs., Material Antifricción: Babbitt.

Nota: dado que el tipo de Material Antifricción Babbitt no está especificado por el fabricante, se debe hacer notar que hay dos variantes:

Babbit con base de estaño- Composición: Sn 84% - Cu 8% - Sb 8%
Babbit con base de plomo- Composición: Pb 75% - Sn 10% - Sb 15%

La información citada está contenida en: Fundamentos de Diseño Mecánico Cojinetes y Lubricación - Autores Joseph SHIGLEY y Charles MISCHKE.

Sistema igualación de cargas: basculante con palancas.

Instrumentación: 2 detectores de temperatura RTD (embebidos) y 1 celda de carga.

Volumen de aceite de la cuba y depósito auxiliar: 7.450 cm3.

Rodamientos radiales: Superior (Tipo: rodillo cilíndrico, Marca: SKF, Modelo: N 315 ECP), Inferior (Tipo: rodillo cilíndrico, Marca: SNR, Modelo: N214 E G15)

Lubricante de los rodamientos: Grasa de litio SKF

Bomba de circulación de aceite: Marca: Delta Procedencia Italia, Caudal: 1.5 lt/min

Sistema de refrigeración de Aceite del Cojinete de Empuje: Refrigerador de unidad sellada con gas, y serpentín de cobre.

Sistema de refrigeración del Rodamiento Axial: Refrigerador de Aire marca Hitachi, Capacidad: 1.500 Frig./Hora.

Control e Instrumentación

Se dispone de tres tableros. El primero de ellos contiene el variador electrónico de velocidad, desde el mismo se opera el motor eléctrico. Complementariamente en el monitor, se tienen los datos sobre las distintas variables operacionales. Detalles se pueden observar en las fotografías del Anexo 2.

Desde un tablero particular, se tienen los comandos de las bombas de circulación de aceite del sistema de lubricación, y del sistema de refrigeración.

Se dispone de un tablero, con borneras de acceso, para la medición de resistencias de los RTD (Resistanse Temperature Detectors) ubicadas en las zapatas, y la variación de tensión provocada por la carga aplicada en la celda de carga ubicada en el soporte de uno de los patines de empuje.

En particular, se dispone de los siguientes censores e instrumentos:

Carga Axial: Se mide con una celda de carga ubicada en uno de los patines del cojinete de empuje. Mediante una interfase electrónica, construida al efecto, se obtiene una tensión eléctrica que es función de la carga aplicada. La tensión indicada se mide mediante un osciloscopio Marca FLUKE Modelo 99 Series II. Detalles del equipo pueden observarse en la fotografía correspondiente contenida en el Anexo 2. Previo a la instalación del sistema, se obtuvo la curva de calibración correspondiente.

Torque: La medición de torque en rotación, se puede realizar en forma directa mediante el torquímetro marca Sensor Developments Inc. Serie 01224 Modelo 023, colocado entre el motor y el árbol del sistema, con un monitor para realizar las lecturas, de la misma marca modelo PMAC 2000. La medición de torque se puede realizar en forma indirecta, mediante la relación entre la potencia erogada por el motor eléctrico, que se puede obtener directamente en el monitor del regulador electrónico de velocidad del motor y la velocidad de giro del árbol. A los efectos de medir la cupla estática necesaria, para lograr el giro del sistema, se emplea una celda de Carga Marca SISTEMEL, fija a un extremo de palanca. Este elemento se acopla al manguito del acoplamiento dentado, aplicándose una fuerza en el extremo. Mediante el empleo de un plotter x-t marca Philips, se registra la variación de la fuerza en el tiempo. Conocido el brazo de palanca se calcula la cupla resistente.

Velocidad de Giro: Se mide en forma directa mediante un fototacómetro. También se puede medir la velocidad de giro mediante la lectura correspondiente, que se obtiene en el monitor del regulador electrónico de velocidad del motor eléctrico.

Temperaturas: Se dispone de dos censores (resistencias) embebidos en sendas zapatas. Mediante el empleo de un osciloscopio marca FLUKE modelo 99 Serie II, se mide la resistencia correspondiente, que varía en función de la temperatura. Con las curvas de calibración, se obtiene la temperatura correspondiente. Se dispone además de dos termómetros portátiles, uno de infrarrojo, y otro de contacto, para realizar mediciones de temperatura en distintos puntos del sistema.

Vibraciones mecánicas: Los parámetros de desplazamiento y velocidad, se miden con un equipo marca Bruel-Kjaer modelo 2511, empleando un acelerómetro del tipo 4370. Detalles del equipamiento se pueden observar en las fotografías contenidas en el Anexo 2.

Medición de tiempo: En el tablero de comando del motor eléctrico, se dispone de un contador horario marca OMRON modelo H7ET, que permite determinar las horas de funcionamiento del sistema en forma acumulativa. Detalles se pueden observar en las fotografías contenidas en el Anexo 2.

Lógico de Operación y Mediciones

Para la puesta en servicio del sistema y la realización de las mediciones correspondientes, se siguen los siguientes pasos.

Verificación del nivel de aceite del sistema.
Verificación de la correcta lubricación de rodamientos.
Verificación del correcto funcionamiento del sistema de medición de cargas y temperaturas.
Puesta en marcha de la bomba de circulación de aceite.
Puesta en marcha del motor, llevando al sistema a la velocidad de régimen.
Aplicación de una ligera carga axial sobre el sistema.
Mantenimiento de la marcha en vacío durante treinta minutos.
Aplicación mediante el sistema de tornillo de fuerza, de la carga axial de ensayo.
Luego de quince minutos de giro con carga, encendido de los sistemas de refrigeración del sistema de lubricación del cojinete de empuje de zapatas oscilantes, y del rodamiento axial.
Hasta que el sistema alcance la estabilización térmica, se realiza un control cada quince minutos, de los parámetros operacionales.
Alcanzada la estabilización térmica, se realiza un control, con una frecuencia de una hora de los parámetros operativos.
Para la detención del sistema, se procede de la siguiente manera: 1- Descarga del sistema accionado sobre el tornillo de fuerza; 2- Detención del sistema, operando sobre el regulador electrónico de velocidad; 3- Detención de los equipos de refrigeración; 4- Detención de la bomba de circulación de aceite.
Con una frecuencia de setenta y cinco horas, se debe realizar un control de lubricación de los rodamientos.

Nota: tal lo indica en el ítem 3, el arranque y la detención del sistema, no puede realizarse con carga axial, debido a la no disponibilidad de una bomba de inyección de aceite.

La toma de muestra para el análisis de lubricantes, se realiza llenando el recipiente correspondiente, empleando la bomba de circulación, haciendo la extracción desde la cuba de aceite.

Ensayo para evaluar el comportamiento del cojinete axial de zapatas oscilante con aceite lubricante Turbina ISO VG 68

Siguiendo el procedimiento indicado en el ítem 6, el día 16 de junio de 1999, se procedió al llenado del sistema de lubricación del cojinete de empuje de zapatas oscilantes. El volumen de aceite colocado fue de 7.450 cm3. Luego de una marcha en vacío de treinta minutos, se procedió a extraer la muestra de ensayo, consistente en 1000 cm3, denominada UNC 3. El protocolo de ensayo, realizado por la empresa ENSI S.A., se encuentra en el Anexo 4. Acto seguido se procedió a reponer el volumen de aceite extraído, iniciando formalmente el periodo de ensayo, con una duración de doscientas horas, bajo condiciones normales de operación.

La carga de ensayo fue de 47.400 N. Teniendo presente la existencia de seis zapatas con un área unitaria de 3.400 mm2., se tiene una presión de servicio de 2.4 N/mm2. La información sobre la geometría del cojinete, está contenida en el. La temperatura media normal de servicio de los patines fue de 67°C. Bajo dichas condiciones, la potencia erogada fue de 0.90 kW. La tabla del Anexo 5, contiene la información sobre las principales variables operacionales del sistema.

Cumplidas las doscientas horas de ensayo, el día 07/07/99, se extrajo una muestra denominada UNC 4, del lubricante empleado, cuyo protocolo de ensayo se encuentra en el Anexo 4.

Por corte de energía, durante el ensayo, se dieron dos paradas, que no siguieron el procedimiento normal. En atención a lo expuesto, debido a la carga axial que expulsa el lubricante entre el collar de empuje y las zapatas, se produce una gran adhesión entre estos elementos. También se debe tener en cuenta en esta situación, la excelente terminación superficial de los elementos en contacto. Dada la circunstancia, a pesar de liberar la carga axial, no resulta posible un arranque normal con el motor eléctrico, debido a la gran cupla resistente por fricción. Por lo expuesto para el arranque, se dispone de un herramental especial, consistente en un brazo de palanca con una abrazadera, actuando sobre el manguito del acoplamiento dentado.

Una vez cumplido el periodo de ensayo, se procedió a parar el sistema bajo carga; luego accionado el tornillo de carga, se procedió a liberar el mismo. A los efectos de obtener la cupla de "liberación" del sistema en atención a lo indicado en el ítem 3, se empleó el equipamiento indicado en el ítem 5.2. En el Anexo 6, se dispone de la salida de plotter, donde se registró la variación de la fuerza en el tiempo. Considerando un brazo de palanca de 946 mm., el momento torsor de liberación del sistema (inicio del giro) fue de 67.2 kN.mm.

Del análisis de los protocolos de ensayos de lubricantes UNC 3 y UNC 4 contenidos en el Anexo 4, no se registran variaciones en las variables comprendidas en el análisis fisicoquímico (viscosidad - T.A.N. - inhibidor de oxidación). En relación al análisis de partículas, entendemos que los valores dados surgen en función del lugar de toma de la muestra, que fue el punto inferior del depósito auxiliar de aceite del sistema de lubricación. Si bien antes de iniciar el presente ensayo, se realizaron dos operaciones de recambio de lubricante, la realización de ajustes de cuplas, las características del recubrimiento protector de la cuba y depósito de lubricantes, y la limitada capacidad de filtrado de partículas del sistema de refrigeración por aire de rodamiento axial, con posibilidades de contaminar el circuito abierto de lubricación, pudieron traer aparejada la aparición de las partículas señaladas. Del análisis de metales, teniendo presente los componentes del material Babbitt, cuyo detalle está indicado en el ítem 4.3, sus componentes no fueron detectados. Se concluye que no hubo durante la operación arrastre de material antifricción, en la zapatas del cojinete de empuje de zapatas oscilantes.

Ensayo para evaluar el comportamiento del cojinete axial de zapatas oscilante con aceite lubricante Turbina ISO VG 68 y aditivo Patriot Power - MPC Concentrated Engine Treatment UIT MT-10™

Siguiendo el procedimiento indicado en el ítem 6, el día 08 de julio de 1999, se procedió al llenado del sistema de lubricación del cojinete de empuje de zapatas oscilantes. El volumen de mezcla aceite Turbina ISO VG 68 con el aditivo Patriot Power - MPC colocado fue de 7.450 cm3. En la mezcla lubricante, el contenido de aditivo es del 10%, siendo provisto el mismo por la firma Dino Pessetta S.A. Luego de una marcha de cinco horas, se procedió a extraer la muestra de ensayo, consistente en 1000cm3, denominada UNC 6. El protocolo de ensayo, realizado por la empresa ENSI S.A., se encuentra en el Anexo 4. Acto seguido se procedió a reponer el volumen de aceite extraído en las proporciones indicadas, continuando formalmente el periodo de ensayo, con una duración de doscientas horas, bajo condiciones normales de operación.

La carga de ensayo fue de 47.400 N. Teniendo presente la existencia de seis zapatas con un área unitaria de 3.400 mm2. se tiene una presión de servicio de 2.4 N7mm2. La información sobre la geometría del cojinete, está contenida en él. La temperatura media normal de servicio de los patines fue de 67.5°C. Bajo dichas condiciones, la potencia erogada fue de 0.89 kW. La tabla del Anexo 7, contiene la información sobre las principales variables operacionales del sistema.

Cumplidas las doscientas horas de ensayo, el día 03 de agosto de 1999, se extrajo una muestra denominada UNC 7, del lubricante empleado (mezcla aceite con aditivo), cuyo protocolo de ensayo se encuentra en el Anexo 4.

Por corte de energía, durante el ensayo, se produjo una parada, que no siguió el procedimiento normal. En atención a lo ya expuesto, debido a la carga axial que expulsa el lubricante entre el collar de empuje y las zapatas, se produce una gran adhesión entre estos elementos. También se debe tener en cuenta en esta situación, la excelente terminación superficial de los elementos en contacto. Dada la circunstancia, tal lo indicado, a pesar de liberar la carga axial, no resulta posible un arranque normal con el motor eléctrico, debido a la gran cupla resistente por fricción.

A las 50, 175 y 200 horas de servicio se procedió a parar intencionalmente el sistema bajo carga; luego accionado el tornillo de carga, se procedió a liberar el mismo. El objetivo fue evaluar la evolución de la cupla de fricción estática o de arranque. A los efectos de obtener la cupla de "liberación" del sistema en atención a lo indicado en el ítem 3, se empleó el equipamiento indicado en el ítem 5.2. En el Anexo 7, se dispone de las salidas de plotter, donde se registró la variación de la fuerza en el tiempo. Considerando un bazo de palanca de 946mm, el momento torsor de liberación del sistema (inicio del giro) fue de 62.6 kN.mm a las 50 horas, y 51 kN.mm a las 200 horas. Lo indicado, implica una reducción del 18% respecto del valor original.

Del análisis de los protocolos de ensayos de lubricantes UNC 6 (inicial) y UNC 7 (doscientas horas de marcha) contenidos en el Anexo 4, en cuanto a los parámetros fisicoquímicos el hecho observable de interes es la disminución del T.A.N. Dicha disminución es previsible tal lo indicado por Summers - Smith en su libro An Introduction Guide to Industrial Tribology, donde se indica que el agregado de aditivos implica generalmente e inicialmente índices de acidez mayor, decayendo luego. En relación al análisis de partículas, entendemos que los valores dados surgen en función del lugar de toma de la muestra, que fue el punto inferior del depósito auxiliar de aceite del sistema de lubricación. Si bien antes de iniciar el presente ensayo, se realizaron tres operaciones de recambio de lubricante, las características del recubrimiento protector de la cuba y depósito de lubricantes, y la limitada capacidad de filtrado de partículas del sistema de refrigeración por aire del rodamiento axial, con posibilidades de contaminar el circuito abierto de lubricación, pudieron traer aparejada la aparición de las partículas señaladas. Del análisis de metales, la presencia es despreciable. Además lo indicado adquiere mayor relevancia al tener presente que los principales componentes del material Babbitt, cuyo detalle está indicado en el ítem 4.3, arrojan valores mínimos minimorun. Se concluye que no hubo durante la operación arrastre de material antifricción, en la zapatas del cojinete de empuje de zapatas oscilantes.

A título referencial, se adjuntan en el Anexo 4, protocolos de ensayos de lubricantes de dos cojinetes de un turbogrupo de una central hidroeléctrica.

Evaluación

Considerando los resultados correspondientes a la primera parte de los ensayos del cojinete de empuje de zapatas oscilantes, con el lubricante normal aceite Turbina ISO VG 68, cuyo detalle se expone en el ítem 7, y con el lubricante normal con aditivo Patriot Power - MPC con MT-10™ en una proporción del 10%, evaluado en el ítem 8, se llega a las siguientes conclusiones:

En régimen normal de operación, es decir cuando el cojinete operó en la zona de película gruesa, gobernada por la teoría hidrodinámica de la lubricación, ver figura siguiente - zona I - el sistema tuvo un adecuado comportamiento, y análogo para amabas condiciones.
Para una condición particular de operación como por ejemplo, un arranque sin inyección de aceite, cuando el sistema no opera para condiciones de lubricación hidrostática, y / o gobernado por la teoría hidrodinámica de la lubricación, denominada condición de lubricación límite, ver figura siguiente - izquierda de la zona III- se observa una sustancial reducción del torque de fricción, para la condición de operación con aditivo respecto de cuando no se emplea. Para un tiempo de funcionamiento de 200 horas, el torque para la condición de operación con aditivo, es un 24% menor que para el caso de empleo de lubricante únicamente.
Tal lo indican los protocolos de ensayos contenidos en el Anexo 4, para doscientas horas de operación, para las dos condiciones expuestas en los ítem 7 y 8 no surgieron variaciones singulares en los parámetros fisicoquímicos. Solo cabe destacar, tal lo indicado en el ítem 8, que la disminución de la acidez durante el ensayo con aditivo, es previsible y normal.

Dada por concluida esta primera etapa de ensayos, donde se ha evaluado en términos comparativos, la performance de un cojinete axial, de zapatas oscilantes, los resultados obtenidos permiten afirmar que el aditivo incide favorablemente para condiciones límites de operación, es decir cuando tal lo indicado en la figura siguiente, no se da una situación hidrodinámica, que permita una sustentación tal que separe completamente las superficies con deslizamiento relativo. En otros términos, cuando el espesor mínimo de la película, no es compatible con la rugosidad máxima de las superficies indicadas.

Es de “buen arte” que los cojinetes de empuje se diseñen con un adecuado margen de seguridad, que en los hechos implica operar con un número de Sommerfeld de tres a cuatro veces el que corresponde al punto de mínima fricción (módulo del cojinete), de tal manera que el punto de funcionamiento normal se ubique netamente en la zona I indicada en la figura siguiente. Es usual que para los arranques y detenciones los cojinetes dispongan de bombas de inyección (lubricación hidrostática). No obstante lo indicado, para condiciones particulares y / o extraordinarias de operación, ya sea por disminución de la velocidad, de la viscosidad (aumento de la temperatura y / o degradación del lubricante), o aumento circunstancial de la carga, o la no operación eventual del sistema de inycción, hace que el cojinete pueda operar en la zona de lubricación límite (frontera), que en la realidad implica el contacto de metal - metal, con riesgos de arrastre de material, plastificaciones locales, con un probable deterioro progresivo del cojinete, pudiendo comprometer su funcionalidad.

Anexos

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