Cojinetes lubricados con agua: principio de funcionamiento, materiales, aplicaciones y guía de selección.

Los cojinetes lubricados con agua se utilizan ampliamente en equipos que operan dentro o cerca del agua, como sistemas de propulsión marina, turbinas hidráulicas y grandes bombas de agua. En lugar de depender de aceite o grasa en la interfaz del cojinete, estos cojinetes utilizan agua para la lubricación y la refrigeración.

La idea parece sencilla, pero diseñar un cojinete lubricado con agua fiable no se trata simplemente de sustituir el aceite por agua. El agua tiene una viscosidad mucho menor que el aceite lubricante, por lo que el rendimiento del cojinete está estrechamente relacionado con la velocidad del eje, la carga, la holgura de funcionamiento, las propiedades del material, la calidad del agua y el estado del eje.

Esto cobra especial importancia durante el arranque y el funcionamiento a baja velocidad, o cuando el agua contiene arena y otras partículas abrasivas.

Esta guía analiza cómo funcionan los cojinetes lubricados con agua, dónde se utilizan, cómo se comportan los diferentes materiales y qué deben tener en cuenta los ingenieros al seleccionar un cojinete para una aplicación marina, hidroeléctrica o de bombeo.

Cojinetes lubricados con agua: una visión general

¿Qué es un cojinete lubricado con agua?

Un cojinete lubricado por agua es un cojinete deslizante que utiliza agua entre el eje y la superficie del cojinete para la lubricación y la refrigeración.

Cuando el eje gira, el agua penetra en la holgura de funcionamiento. Con la velocidad, la carga y la geometría adecuadas, se genera presión dentro de la película de agua, lo que ayuda a separar el eje de la superficie del cojinete. Esto reduce el contacto directo y permite que el cojinete soporte el eje, manteniendo la fricción y el desgaste bajo control.

Los cojinetes lubricados con agua se encuentran comúnmente en tubos de popa, sistemas de ejes de hélice, sistemas de timón, turbinas hidráulicas, bombas verticales y otros equipos de manejo de agua.

Lubricado con agua no significa autolubricante.

Estos dos términos a veces se usan juntos, pero describen cosas diferentes.

Lubricado con aguaSe refiere al método de lubricación. El agua es el lubricante y refrigerante de trabajo.

AutolubricanteSe refiere a las características de fricción del propio material del cojinete.

Un material utilizado en un cojinete lubricado con agua también puede contener componentes autolubricantes. Esto resulta útil durante el arranque, la parada y otros periodos en los que aún no se ha formado una película de agua completa. Sin embargo, un cojinete autolubricante no es automáticamente un cojinete lubricado con agua.

Esa distinción es importante a la hora de elegir materiales y comparar productos de rodamientos.

¿Cómo funciona un cojinete lubricado con agua?

Durante el funcionamiento normal, el eje giratorio aspira agua hacia el espacio entre el eje y el cojinete. La presión resultante en la película de agua sostiene el eje y reduce el contacto directo entre ambas superficies.

El proceso básico es:

Rotación del eje → el agua entra en el espacio libre → se desarrolla la presión de la película de agua → las superficies se separan → disminuyen la fricción y el desgaste

A una velocidad de eje suficiente, una película hidrodinámica estable puede soportar gran parte de la carga del cojinete.

Los periodos más difíciles suelen ser el arranque, la parada y el funcionamiento a muy baja velocidad.

¿Qué ocurre durante la fase de puesta en marcha?

Antes de que el eje alcance la velocidad de funcionamiento, es posible que no haya suficiente presión hidrodinámica para mantener una película de agua completa. Por lo tanto, algunas partes del eje y del cojinete pueden funcionar con lubricación mixta o límite.

Es aquí donde las características de fricción y desgaste del material del cojinete adquieren especial importancia.

Por lo tanto, un rodamiento utilizado en un equipo que arranca varias veces al día puede necesitar propiedades de material diferentes a las de uno utilizado en una máquina que arranca una sola vez y luego funciona de forma continua.

Lo mismo se aplica a las interrupciones temporales del suministro de agua. Un material puede tolerar un breve período de funcionamiento en seco, pero esto nunca debe interpretarse como una capacidad ilimitada para funcionar sin agua.

El agua también es el refrigerante.

El agua hace algo más que reducir la fricción. También disipa el calor del rodamiento.

Si el suministro de agua se ve restringido, tanto la lubricación como la refrigeración pueden deteriorarse. La temperatura local puede aumentar, la fricción puede incrementarse y el desgaste de los cojinetes puede acelerarse.

Por este motivo, el flujo de agua no puede separarse del diseño del rodamiento. El diámetro, la longitud, la velocidad, la carga, la disposición de las ranuras y la temperatura de funcionamiento del rodamiento influyen en la cantidad y distribución del agua necesaria.

¿Qué materiales se utilizan para los cojinetes lubricados con agua?

No existe un único material que funcione mejor en todos los cojinetes lubricados con agua.

Un tubo de popa que opera en agua de mar tiene requisitos diferentes a los de una bomba vertical que maneja agua de río cargada de sedimentos. Un cojinete guía de turbina hidráulica también presenta una combinación diferente de carga, velocidad y ciclo de operación.

Por lo tanto, la selección de materiales debe comenzar con las condiciones de funcionamiento y no con el nombre del material.

Cojinetes de caucho y elastómeros

Los materiales de caucho y elastoméricos se han utilizado en cojinetes marinos lubricados con agua durante muchos años.

Su elasticidad ayuda a absorber vibraciones e impactos, mientras que el material proporciona un buen deslizamiento en condiciones adecuadas de lubricación con agua. Estas propiedades hacen que los cojinetes elastoméricos sean especialmente útiles cuando se requiere absorber vibraciones del eje, golpes o pequeños cambios de alineación.

El rendimiento sigue dependiendo de la formulación. La capacidad de carga, la absorción de agua, la resistencia a la temperatura y el desgaste abrasivo pueden variar considerablemente entre los diferentes materiales elastoméricos.

Cojinetes de polímero de ingeniería

Los polímeros de ingeniería ofrecen otra alternativa para el diseño de cojinetes lubricados con agua. Según su formulación, pueden combinar baja fricción con resistencia al desgaste, resistencia a la corrosión, estabilidad dimensional y una capacidad de carga relativamente alta.

Techemer utiliza diversos sistemas de materiales porque los requisitos para agua limpia, agua con carga pesada y agua con sedimentos no son los mismos.

TSTN

Techemer TSTN es una aleación elastoplástica que contiene microcristales autolubricantes y partículas de extrema presión.

El material está diseñado para lograr un equilibrio entre baja fricción y resistencia al desgaste, especialmente en aplicaciones exigentes donde el rodamiento puede experimentar cargas pesadas, ciclos frecuentes de arranque y parada o períodos de lubricación límite.

Entre las aplicaciones típicas se incluyen los cojinetes de guía de bombas, los cojinetes del tubo de popa, los cojinetes del timón y los sistemas de cojinetes para centrales hidroeléctricas.

Los datos de materiales de Techemer proporcionan una presión superficial dinámica típica de hasta aproximadamente10 MPay un valor PV lubricado con agua de hasta aproximadamente100 MPa·m/s.

Estas cifras describen la capacidad del material bajo condiciones específicas. No deben utilizarse como límites de diseño universales sin tener en cuenta el tamaño del rodamiento, la velocidad, la temperatura, las condiciones del agua y el sistema completo eje-rodamiento.

PREM

PREM es un elastómero de ingeniería utilizado por Techemer en aplicaciones de bombas lubricadas con agua y ejes marinos.

Resulta especialmente útil cuando la aplicación requiere una mayor capacidad de carga junto con un funcionamiento estable en el agua. Entre las aplicaciones típicas se incluyen los cojinetes de bombas verticales y los sistemas de cojinetes de tubos de popa.

Como ocurre con cualquier material de cojinete, la selección final debe basarse en la presión real del cojinete, la velocidad del eje, las condiciones del agua, las dimensiones y la disposición de la instalación.

hRBR

El agua limpia y el agua cargada de sedimentos imponen exigencias muy diferentes a un rodamiento.

Techemer hRBR está diseñado para aplicaciones donde el agua lubricante contiene arena, limo y otras partículas abrasivas. Su combinación de resistencia al desgaste y elasticidad lo hace idóneo para bombas con sedimentos, equipos hidroeléctricos, dragas, embarcaciones de trabajo y otras aplicaciones en aguas severas.

En este ámbito, elegir simplemente el material más duro puede resultar engañoso. Un cojinete y un eje funcionan conjuntamente. El movimiento de las partículas a través del espacio libre, si quedan atrapadas y cómo interactúan con la superficie del eje pueden ser tan importantes como la dureza del propio cojinete.

Cojinetes cerámicos lubricados con agua

Los cojinetes cerámicos son útiles en aplicaciones específicas donde el desgaste, la corrosión, la exposición a productos químicos o la temperatura dificultan el uso de soluciones poliméricas convencionales.

Los sistemas de cojinetes cerámicos de Techemer pueden incorporar superficies de apoyo de SiC, carcasas metálicas, manguitos de eje rígidos y estructuras de amortiguación elastoméricas.

Entre las aplicaciones típicas se incluyen bombas, equipos hidroeléctricos y equipos que manipulan fluidos corrosivos o abrasivos.

La cerámica no es automáticamente la mejor opción solo por ser más dura. Aún hay que tener en cuenta la carga de impacto, la alineación, el acoplamiento del eje, la instalación y la vibración.

Cómo elegir el material adecuado para cojinetes lubricados con agua

La elección de un material práctico comienza con el entorno operativo.

Esta tabla es un punto de partida, no una especificación del material.

Dos bombas del mismo tamaño pueden requerir cojinetes diferentes si una maneja agua limpia de un embalse y la otra transporta arena en suspensión. Lo mismo ocurre con embarcaciones, turbinas y demás maquinaria lubricada con agua.

¿Dónde se utilizan los cojinetes lubricados con agua?

Cojinetes del tubo de popa y del eje de la hélice

A Cojinete del tubo de popa lubricado con aguaSoporta el eje de la hélice mientras que el agua de mar o el agua suministrada lubrica y enfría el cojinete.

Estos cojinetes deben soportar más que la simple rotación del eje. La carga de la hélice, la alineación del eje, las vibraciones, la exposición al agua de mar y las maniobras a baja velocidad influyen en su rendimiento.

El manguito del eje es igualmente importante. Un buen material de cojinete combinado con un manguito inadecuado o dañado puede provocar un desgaste rápido.

Por este motivo, al seleccionar los cojinetes del tubo de popa, se debe considerar el cojinete y el manguito del eje como un único sistema tribológico, en lugar de dos componentes independientes.

Cojinetes del timón

Los cojinetes del timón funcionan bajo un régimen de lubricación diferente.

El eje del timón se mueve lentamente y oscila en un ángulo limitado, en lugar de girar continuamente a alta velocidad. Por lo tanto, puede resultar más difícil mantener una película de agua hidrodinámica completa.

Las cargas estáticas elevadas, los impactos, la exposición al agua de mar y la lubricación límite se convierten en factores más importantes. La elasticidad del material y la fricción a baja velocidad pueden ser especialmente relevantes en este tipo de aplicaciones.

Cojinetes guía para turbinas hidráulicas

Los cojinetes guía de las turbinas hidráulicas controlan el movimiento radial del eje y ayudan a mantener la alineación del rotor.

El rodamiento debe funcionar de forma fiable bajo carga radial continua, teniendo en cuenta la calidad del agua presente en la estación. Cuando el agua del río contiene una cantidad significativa de sedimentos, el desgaste abrasivo puede convertirse en uno de los principales problemas de diseño.

La holgura, la estabilidad dimensional, el estado de la superficie del eje y las vibraciones también merecen una atención especial.

Cojinetes de bomba lubricados con agua

Los cojinetes lubricados con agua son comunes en bombas verticales, horizontales, de flujo mixto y de flujo axial.

Las bombas verticales son particularmente exigentes porque varios cojinetes guía pueden soportar un eje largo. Pequeños errores de alineación pueden acumularse, mientras que la vibración y la carga irregular pueden acelerar el desgaste de los cojinetes.

La calidad del agua también modifica significativamente el problema. Un cojinete guía que funciona en agua limpia no necesariamente es adecuado para la misma bomba que opera en agua de río con alto contenido de sedimentos.

¿Qué tipo de cojinete lubricado con agua es el más adecuado para mi aplicación?

La aplicación proporciona la primera pista, pero la decisión final siempre debe basarse en los datos operativos.

Cojinete lubricado con aguafrente a cojinete lubricado con aceite

La lubricación con agua y la lubricación con aceite resuelven el mismo problema básico de maneras diferentes. Ninguno de los dos sistemas es automáticamente mejor.

El agua resulta atractiva cuando la maquinaria ya opera en agua y cuando se desea eliminar el aceite lubricante de la interfaz del cojinete. Sin embargo, el aceite tiene una viscosidad mucho mayor y ofrece características de formación de película diferentes.

Por lo tanto, la elección debe basarse en el diseño del equipo, el entorno operativo, la carga, la velocidad y la estrategia de mantenimiento, en lugar de en una sola ventaja.

Ventajas de los cojinetes lubricados con agua

Una de las ventajas más evidentes es la eliminación del aceite lubricante en la interfaz del cojinete. Esto resulta especialmente útil en equipos marinos y de manejo de agua, donde las fugas de aceite son indeseables.

El agua también proporciona refrigeración directa. Con un material de cojinete adecuado, este mismo fluido puede lubricar las superficies deslizantes y disipar el calor generado por la fricción.

Los materiales de cojinete poliméricos, elastoméricos y cerámicos también ofrecen opciones resistentes a la corrosión que resultan útiles en entornos de agua dulce y agua de mar.

La lubricación con agua también puede reducir algunos aspectos del mantenimiento relacionado con el aceite, aunque no debe considerarse completamente libre de mantenimiento. El estado del eje, la holgura de los cojinetes, la alineación, el desgaste y el suministro de agua aún requieren atención.

Limitaciones que los ingenieros deben considerar

El principal desafío proviene del agua misma: su viscosidad es baja.

A velocidad normal de funcionamiento, un cojinete bien diseñado puede generar una película hidrodinámica útil. Al arrancar o a velocidades muy bajas, esta película se debilita considerablemente. En ese caso, el material del cojinete desempeña un papel más importante en el control de la fricción y el desgaste.

Los sedimentos representan otro desafío. La arena y el limo pueden entrar en el espacio libre del cojinete, perturbar la película de agua y actuar como partículas abrasivas.

La absorción de agua del material, la alineación del eje y la holgura de funcionamiento también son factores importantes. Un material que, de otro modo, sería adecuado, puede tener un rendimiento deficiente si la holgura de instalación no tiene en cuenta su comportamiento dimensional en el agua.

¿Por qué fallan los cojinetes lubricados con agua?

El desgaste prematuro de los cojinetes rara vez se debe a un problema aislado.

Una mejor manera de investigar una falla es examinar el sistema completo:

material del cojinete + eje/manguito + agua + carga + velocidad + holgura + alineación

El patrón de desgaste en sí mismo suele proporcionar información útil. El desgaste localizado puede indicar una alineación o distribución de la carga, mientras que las marcas abrasivas generalizadas pueden indicar contaminación en el agua.

¿Cómo afectan los sedimentos a los cojinetes lubricados con agua?

Los sedimentos merecen especial atención porque alteran el mecanismo de lubricación.

Las partículas que penetran en la holgura del cojinete pueden alterar la película de agua y provocar un desgaste abrasivo de tres cuerpos entre el cojinete y el manguito del eje. La gravedad del desgaste depende del tamaño y la concentración de las partículas, así como del material del cojinete, la dureza del eje, la holgura y el diseño de la ranura de agua.

Un rodamiento más duro no siempre es la solución más segura.

En determinadas condiciones, un material más flexible puede alojar partículas y reducir el daño a la superficie del eje de acoplamiento. Esta es una de las razones por las que Techemer utiliza hRBR en aplicaciones con agua abrasiva, como bombas con sedimentos, equipos hidroeléctricos y sistemas de dragado.

La elección final aún depende del sedimento en cuestión. El simple hecho de saber que se trata de "agua sucia" no proporciona información suficiente para la selección en ingeniería; el tamaño de las partículas, la concentración y las condiciones de operación son mucho más útiles.

Cómo seleccionar un cojinete lubricado con agua

El plano de un rodamiento nos indica su tamaño. No nos dice si el rodamiento funcionará.

Para una evaluación de ingeniería útil, se debe tener en cuenta la siguiente información.

1. Solicitud

Comience con el equipo: tubo de popa, timón, turbina hidráulica, bomba vertical, bomba horizontal, draga u otro sistema de manejo de agua.

2. Dimensiones del eje y del cojinete

El diámetro del eje, el diámetro interior del cojinete, el diámetro exterior y la longitud determinan la geometría básica y el área de apoyo proyectada.

3. Cargar

Las cargas radiales y, cuando corresponda, las axiales determinan la intensidad del trabajo que realiza el rodamiento.

4. Velocidad del eje

La velocidad influye notablemente en la formación de la película de agua. Los sistemas de baja velocidad y oscilantes pasan más tiempo en lubricación mixta o límite.

5. Condiciones del agua

El agua dulce y el agua de mar son solo el principio. La concentración de sedimentos, el tamaño de las partículas, la temperatura y la contaminación química pueden modificar los requisitos de los materiales.

6. Condiciones de arranque y parada

Una bomba que funciona de forma continua y una máquina que se pone en marcha docenas de veces al día pueden requerir características de rodamientos diferentes.

También se debe especificar cualquier período de arranque en seco previsto.

7. Estado del eje o manguito

El material, la dureza, el acabado superficial y la resistencia a la corrosión influyen en el desgaste de los cojinetes.

8. Espacio libre para correr

No existe una holgura universal para todos los cojinetes lubricados con agua. El diámetro, el material, la absorción de agua, la temperatura, la carga, la velocidad y el método de instalación influyen en el valor requerido.

9. Ranuras de agua

Las ranuras distribuyen el agua de refrigeración y lubricación y pueden ayudar a eliminar los contaminantes a través del rodamiento. Al mismo tiempo, las ranuras reducen la superficie de contacto disponible del rodamiento.

Por lo tanto, se debe elegir su número, forma y ubicación para la aplicación.

10. Material

Solo después de comprender estas condiciones de funcionamiento, la selección de materiales adquiere sentido.

Datos técnicos clave para la selección de rodamientos

Estos factores interactúan. Por ejemplo, aumentar la holgura no solo modifica el ajuste, sino que también afecta el soporte del eje y el comportamiento de la película de agua. Por lo tanto, el diseño de los cojinetes debe considerarse como un sistema integral, en lugar de una simple lista de valores independientes.

Aplicación real de cojinetes lubricados con agua: Estación de bombeo del nuevo río Qinhuai

Las grandes estaciones de bombeo son un buen ejemplo de por qué el diseño de cojinetes lubricados con agua va más allá de la selección de materiales.

En el centro de conservación de agua del nuevo río Qinhuai, Techemer suministró un juego completo de cojinetes de guía de agua para una bomba vertical abierta.

El proyecto utilizó el proceso de unión en caliente Dx de Techemer para integrar el revestimiento del cojinete con su soporte metálico.

Para una bomba de esta envergadura, el rendimiento del material por sí solo no es suficiente. La calidad de la unión, la geometría de los cojinetes, la alineación del eje, la instalación y el flujo de agua contribuyen al resultado final.

Esta es también la razón por la que los datos de materiales de laboratorio no deben utilizarse como sustituto del diseño completo del rodamiento.

Soluciones de cojinetes lubricados con agua de Techemer

Techemer desarrolla cojinetes lubricados con agua para aplicaciones marinas, hidroeléctricas, de bombeo y en entornos con aguas severas. Se utilizan diferentes sistemas de materiales debido a que las condiciones de funcionamiento varían considerablemente.

TSTNSe utiliza cuando es necesario equilibrar la baja fricción, la resistencia al desgaste, la capacidad de carga y el rendimiento de arranque y parada.

PREMEs adecuado para determinadas aplicaciones de bombas y ejes marinos que requieren un rendimiento de carga estable.

hRBREstá diseñado para aguas con sedimentos y abrasivas, incluyendo aplicaciones de bombeo, energía hidroeléctrica y dragado.

Sistemas de cojinetes cerámicosEstán disponibles para aplicaciones específicas de servicio severo donde la resistencia al desgaste, la corrosión o los productos químicos se convierten en el requisito dominante.

La elección entre ellos debería basarse en datos operativos y no en preferencias de producto.

¿Qué información debe enviar a un fabricante de cojinetes lubricados con agua?

Para un rodamiento de repuesto, el plano existente es el mejor punto de partida. Para un diseño nuevo, los datos de funcionamiento son igualmente importantes.

Cuanto más completa sea esta información, más fácil será evaluar el material, la holgura, la estructura del rodamiento y la compatibilidad del eje.

Preguntas frecuentes

¿Cómo funciona un cojinete lubricado con agua?

La rotación del eje introduce agua en la holgura de funcionamiento y puede generar una película hidrodinámica que separa el eje de la superficie del cojinete. Durante el arranque y el funcionamiento a baja velocidad, el cojinete puede funcionar temporalmente bajo lubricación mixta o límite.

¿Puede un cojinete lubricado con agua funcionar en seco?

Algunos materiales toleran un arranque en seco limitado o una interrupción temporal del suministro de agua. Sin embargo, esto no significa que sean aptos para un funcionamiento continuo en seco. La capacidad de arranque en seco debe confirmarse siempre para el material específico y las condiciones de funcionamiento.

¿Pueden funcionar los cojinetes lubricados con agua en agua de mar?

Sí. Los cojinetes del tubo de popa, del eje de la hélice y del timón lubricados con agua se utilizan ampliamente en sistemas marinos. El material del cojinete, el manguito del eje y los componentes circundantes deben ser compatibles con el agua de mar.

¿Qué ocurre cuando el agua contiene arena?

La arena y otras partículas en suspensión pueden alterar la película de agua y provocar desgaste abrasivo. La selección del material, la dureza del eje, la holgura y el diseño de la ranura cobran especial importancia en aguas con sedimentos.

¿Por qué se desgasta rápidamente un cojinete lubricado con agua?

Las causas comunes incluyen agua insuficiente, sedimentos, desalineación, holgura incorrecta, mal estado del eje, carga excesiva y material inadecuado. Se debe examinar el patrón de desgaste antes de reemplazar el rodamiento por uno del mismo diseño.

¿Qué holgura debe tener un cojinete lubricado con agua?

No existe una holgura universal. Depende del diámetro del rodamiento, el material, la temperatura, la absorción de agua, la velocidad del eje, la carga y el método de instalación. La holgura debe especificarse para el rodamiento y la aplicación específicos.

¿Cuál es la diferencia entre los cojinetes lubricados con agua y los autolubricantes?

El término «lubricado con agua» describe el método de lubricación. «Autolubricante» describe las características de fricción del material del cojinete. Algunos materiales de cojinete lubricados con agua también presentan propiedades autolubricantes, pero ambos términos no son intercambiables.

¿Es mejor un cojinete lubricado con agua que un cojinete lubricado con aceite?

Depende de la aplicación. La lubricación con agua es ideal para muchos sistemas marinos, hidroeléctricos y de bombeo, y elimina la necesidad de aceite lubricante en la interfaz de los cojinetes. La lubricación con aceite tiene características de formación de película diferentes y sigue siendo apropiada para muchas otras máquinas.

¿Necesita ayuda para elegir un rodamiento lubricado con agua?

Un rodamiento que se ajusta al eje no es necesariamente un rodamiento que se ajusta a la aplicación.

La carga, la velocidad, la calidad del agua, los sedimentos, el material del eje, la holgura de funcionamiento y las condiciones de arranque influyen en el rendimiento de un cojinete lubricado con agua.

Si está seleccionando un rodamiento para untubo de popa, timón,turbina hidráulica,bomba vertical,bomba horizontalo sistema de agua cargado de sedimentosEnvíe a Techemer su plano actual y las condiciones de funcionamiento.

Nuestros ingenieros pueden revisar la solicitud y ayudar a determinar la solución adecuada.material, estructura del cojinete, holgura y acoplamiento del eje.