Análisis de la lubricación de los cojinetes de apoyo del cigüeñal del compresor reciprocante (página 2)

Balance térmico del cojinete

En la Fig. 2 se muestra el comportamiento del espesor mínimo de la película en el cojinete para la carga radial máxima que se produce en el cojinete en condiciones de mínima velocidad de giro. Para la velocidad de giro mínima se requiere el máximo torque en el compresor y por lo tanto las cargas sobre las correas serán máximas y la carga radial sobre el cojinete del lado del motor son las más grandes a pesar de que las fuerzas de inercia son más pequeñas como se pudo apreciar en el capítulo anterior. Pero además de esta situación al ser la velocidad de giro más pequeña la posibilidad de formar una película hidrodinámica de lubricante se ve reducida. Si se parte del hecho de que la clarencia debe ser mayor que el espesor mínimo permisible de la película ? > 9,6 µm ˜ 10 µm entonces, de la Fig. 3.2 se aprecia que la clarencia mínima del ajuste para lograr esta condición debe ser mayor que ? > 40 µm.

Fig. 2 Espesor mínimo de la película para velocidad de giro mínima

En la Fig. 3 se muestra el comportamiento del coeficiente de fricción en el cojinete.

En la Fig. 4 se muestra el flujo movido por el cojinete, necesario para poder realizar el Balance Térmico del mismo y en la Fig. 3.5 se da el comportamiento de la Temperatura Media Obtenida por las Ecuaciones del Balance Térmico (15) y (3.16).

Fig. 3 Coeficiente de Fricción en el Cojinete para Velocidad de Giro Mínima

Fig. 4 Flujo movido por el cojinete para velocidad de giro mínima

Fig. 5 Temperatura Media del Cojinete para Velocidad de Giro Mínim

Realizando los mismos cálculos para la velocidad de giro máxima del motor n = 1200 rpm y plotendo las mismas gráficas anteriores las cuales se muestran en las Figs. 6, 7, 8 y 9.

Fig. 6 Espesor mínimo de la película para la velocidad de giro máxima

Fig. 7 Coeficiente de Fricción en el Cojinete para Velocidad de Giro Máxima.

Fig. 8 Flujo Movido por el Cojinete para Velocidad de Giro Máxima.

Fig. 9 Temperatura Media del Cojinete para Velocidad de Giro Máxima.

De las Tablas y Gráficos obtenidos se puede apreciar que trabajando el compresor en la velocidad mínima de operación el valor de la clarencia para el cual se obtiene el espesor máximo de la película de lubricante es para ? = 60 µm y su valor es ho = 12,03 µm. La película es mayor que el Valor Admisible desde ? = 40 µm hasta ? > 170 µm, sin embargo, para que la temperatura de trabajo sea inferior a la permisible, o sea, menor que t = 66 oC la clarencia en el cojinete tendría que ser mayor que 120 µm, lo que nos indica que este cojinete no está optimizado, o se requeriría realizar un estudio de que viscosidad sería necesario emplear en el aceite para mejorar los resultados. El fabricante recomienda una clarencia para este cojinete de ? = 75 µm y para esta clarencia el espesor de la película en el cojinete es menor que el valor óptimo y la temperatura de trabajo del cojinete estaría por encima de t > 100 oC, lo que se contradice con la recomendación de que la temperatura de trabajo sea del orden de t ˜ 70 oC. Para el trabajo del Compresor a la Velocidad Máxima se tiene que el espesor óptimo de la película es de ho = 12,00 µm y se obtiene también para ? = 60 µm, por lo que se puede inferir que la velocidad de operación influye muy poco en este valor, sin embargo en este caso el espesor de la película de lubricante es es mayor que el Valor Admisible desde ? = 30 µm hasta ? ˜ 160 µm, sin embargo para que la temperatura de trabajo sea inferior a la permisible, o sea, menor que t = 70 oC la clarencia en el cojinete podría ser mucho menor que con la velocidad mímima, o sea, ? > 75 µm.

Se puede concluir que el Cojinete opera mejor con la velocidad máxima pero no está optimizado, fundamentalmente desde el punto de vista de la temperatura que resulta más bien alta. Esto se puede deber a que este compresor fue diseñado en Europa posiblemente para las condiciones normales de diseño t = 20 oC de entrada del agua de enfriamiento y en Cuba esa temperatura es muy superior a este valor. Para mejorar esta situación en las condiciones cubanas se podría:

Comprobación de la resistencia al agarramiento.

Aun cuando el cojinete esté optimizado y se garantice una lubricación hidrodinámica en condiciones normales de funcionamiento, esto no quiere decir que no se pueda producir contacto metálico entre las partes. Este contacto ocurre de hecho en los momentos de arranque y parada y puede ocurrir durante la operación en momentos de sobrecarga instantánea.

Para el caso de los cojinetes de los compresores de pistón en el contacto entre el cigüeñal y los cojinetes de apoyo del cigüeñal se recomienda para la superficie de contacto del buje del cojinete con el metal del cigüeñal de acero templado el metal Babbitt, para el cual:

Por lo que el cojinete no tiene reserva de resistencia al agarramiento lo que condicionó la avería.

Conclusiones

1. Se aplicaron las Técnicas de Optimización para los Cojinetes de Deslizamiento para la Velocidad de Giro Mínima y para la velocidad de Giro Máxima, pudiendo comprobarse que para la Clarencia Diametral recomendada por el fabricante el cojinete opera deficientemente, ya que en las condiciones cubanas la temperatura del agua de enfriamiento no garantiza una adecuada temperatura del aceite en la sección de entrada del cojinete

2. Se considera que esto se debe que este compresor fue diseñado en Europa posiblemente para las condiciones normales de diseño t = 20 oC de entrada del agua de enfriamiento y en Cuba esa temperatura es muy superior a este valor. Para mejorar esta situación en las condiciones cubanas se podría:

a. Aumentar la Velocidad del aire que circula alrededor del cojinete para aumentar la capacidad de disipación de calor de estos.

b. Recalcular la Superficie de Transferencia de Calor del Enfriador de aceite para las condiciones locales del agua de enfriamiento de la Planta.

3. Una avería en este Compresor como la analizada en el presente trabajo afecta la producción al 50% y en algunos momentos el otro compresor se ve sobrecargado con el fin de satisfacer la demanda de las neveras, sin tener en cuenta que esto acorta la vida útil del mismo.

Bibliografía

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• 6. Goytisolo Espinosa, R.; Martínez León, A.; Hernández Herrera H.; Miranda Pedreira, A. Desarrollo de la Metodología de Cálculo de las Fuerzas en los Muñones de Apoyo de un Cigüeñal de un Compresor Reciprocante de Refrigeración. Anuario Científico UCf. 2009

Autor:

M.Sc. Ángel Rafael Martínez León.

Dr. Rafael Goytisolo Espinosa

Dr. Rafael Goytisolo Espinosa

Doctor en Ciencias Técnicas. Profesor Titular de la Facultad de Mecánica de la UCf.

M.Sc. Ángel Rafael Martínez León.

Master en Ciencias.jefe de Mantenimiento de la Planta "Escambray"