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INDICE INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ 5 HISTORIA DE LA LUBRICACIÓN Y DE LA TRIBOLOGIA ..................................... 8 ASPECTOS TRIBOLÓGICOS GENERALES............................................................... 12 Aspectos económicos ....................................................................................................... 12 Aspectos energéticos ........................................................................................................ 12 Aspectos ecológicos ......................................................................................................... 14 Soluciones tribológicas..................................................................................................... 14 ROZAMIENTO .................................................................................................................. 15 LUBRICACIÓN ................................................................................................................. 17 LUBRICANTES ................................................................................................................. 19 ADITIVOS .......................................................................................................................... 20 Mejoradores del lubricante ............................................................................................... 20 Protectores del lubricante ................................................................................................. 22 Protectores de la maquinaria............................................................................................. 23 VISCOSIDAD ..................................................................................................................... 24 ACEITES............................................................................................................................. 26 Viscosidades SAE............................................................................................................. 26 Viscosidades ISO ............................................................................................................. 28 Grados de viscosidad AGMA........................................................................................... 29 Índice de viscosidad.......................................................................................................... 30 Densidad ........................................................................................................................... 31 Gravedad específica.......................................................................................................... 31 LAS GRASAS ..................................................................................................................... 32 FORMAS DE LUBRICACION ........................................................................................ 35 Lubricacion Hidrodinámica.............................................................................................. 35 Lubricacion Hidrostática .................................................................................................. 36
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Lubricacion Elastohidrodinamica..................................................................................... 36 LEH DURA ...................................................................................................................... 38 LEH BLANDA................................................................................................................. 38 Lubricacion de capa limite ............................................................................................... 38 Lubricacion de película sólida.......................................................................................... 39 LUBRICACION AUTOMOTRIZ .................................................................................... 40 Motor ................................................................................................................................ 40 Aditivos para aceites para motor ...................................................................................... 44 Transmisiones................................................................................................................... 47 Transmisiones automaticas............................................................................................... 50 LUBRICACION INDUSTRIAL ....................................................................................... 52 Lubricacion de rodamientos ............................................................................................. 52 Lubricacion con grasa....................................................................................................... 55 Lubricacion con aceite...................................................................................................... 58 Problemas de la lubricacion.............................................................................................. 59 Lubricacion de sistemas de engranajes............................................................................. 61 Metodos de lubricacion .................................................................................................... 65 Selección del lubricante.................................................................................................... 66 Cambios de lubricante ...................................................................................................... 66 ANALISIS DE LABORATORIO ..................................................................................... 69 PRINCIPALES PRUEBAS DE LA ASTM...................................................................... 83 APÉNDICE 1: VARIACIO DE LAS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS CON LA TEMPERATURA Y LA PRESION.................................................................................. 86 APÉNDICE 2: TABLA DE COMPARACIÓN DE VISCOSIDADES.......................... 88 APÉNDICE 3: INDICE DE VISCOSIDAD..................................................................... 90 APÉNDICE 4: TABLA PARA BÚSQUEDA DE FUENTES DE METALES DE DESGASTES....................................................................................................................... 92 APÉNDICE 5: LECTURAS .............................................................................................. 95
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LECTURA Nº1 EQUIVALENCIAS ENTRE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACION DE LA VISCOSIDAD ........................................................................................................ 96 LECTURA Nº2 ELEMENTOS DE TRIBOLOGIA ..................................................... 100 LECTURA Nº3 LUBRICANTES ECOLÓGICOS ....................................................... 106 LECTURA Nº4 ADITIVOS DETERGENTES DISPERSANTES .............................. 111 LECTURA Nº5 AGUA Y ACEITE ................................................................................ 114 LECTURA Nº6 ALTAS TEMPERATURAS DE OPERACION ................................ 116 LECTURA Nº7 BENEFICIOS Y PROBLEMAS CON LA IMLEMENTACION DE ACEITES SINTETICOS ................................................................................................. 118 LECTURA Nº8 DESGASTE EROSIVO........................................................................ 124 LECTURA Nº9 NIVEL DE ACEITE............................................................................. 130 LECTURA Nº10 SELECCIÓN CORRECTA DE UN ACEITE INDUSTRIAL ....... 133 LECTURA Nº11 TRIBOLOGIA PRODUCTIVA ........................................................ 142 LECTURA Nº12 LAS GRASAS ................................................................................................................... 144 LECTURA Nº 13 MODIFICACION DEL GRADO ISO DEL ACEITE DE ACUERDO CON LA TEMPERATURA AMBIENTE ................................................ 151 LECTURA Nº14 PROCEDIMIENTO PARA LA TOMA DE .................................................................. 156 LA MUESTRA DE ACEITE........................................................................................... 156 LECTURA Nº 15 TOMA DE MUESTRAS DE ACEITE PARA SU ANALISIS DE LABORATORIO ............................................................................. 162 LECTURA Nº16 EL TIEMPO MEDIO ENTRE FALLA COMO ENFOQUE PARA EL MEJORAMIENTO DE LA CONFIABILIDAD......................................... 168 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................. 171
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INTRODUCCIÓN
¿Qué significa la palabra tribología? La palabra viene del griego tribos que significa fricción o rozamiento y logos que significa tratado o estudio. Etimológicamente es la ciencia de la fricción, la ciencia que estudia los fenómenos que se producen cuando dos superficies en contacto se mueven una respecto a la otra. En una acepción más amplia, es la ciencia y la técnica de los sistemas en movimiento que se encuentran en contacto mutuo. Estudia y define todos los problemas relacionados con el transporte de carga. Pretende dar una visión conjunta del problema del rozamiento, el desgaste y la lubricación que tradicionalmente se venían estudiando por separado y por tanto abarca la fricción, el desgaste, la lubricación, el diseño, así como muchos aspectos relacionados con la Física, la Química, la Mecánica, la Metalurgia, la Reología, la Fisiología, etc., por lo que se convierte en una auténtica disciplina de Ingeniería. Antes de discutir la importancia y tipos de los problemas tribológicos en la industria, debemos tratar de esbozar una visión global del problema. La interacción de dos superficies sólidas en un entorno dado resulta en unas manifestaciones externas: Disipación de energía originada por la resistencia al movimiento, caracterizada por el coeficiente de rozamiento. Esta disipación resulta en una liberación de calor en el contacto y una pequeña, pero a veces significativa, generación de ruido. El hecho de que siempre son dos las superficies sólidas que interaccionan implica que el coeficiente de rozamiento hay que referirlo al par de superficies. Hablar del coeficiente de rozamiento del acero sin referirlo a la superficie sobre la que contacta es incorrecto y confuso. La idea de superficies sin fricción es científicamente imposible, lo mismo que la afirmación de que un bajo coeficiente de fricción implica un acabado superficial fino no siempre es cierta. Modificación de las características básicas de las superficies durante el proceso de deslizamiento. Pueden convertirse en más pulidas o rugosas, alterar sus propiedades físicas como la dureza e incluso perder parte del material en un proceso llamado desgaste. Los cambios pueden ocurrir de forma beneficiosa, como en el proceso de rodaje, cuando dos superficies se adaptan a condiciones casi ideales de funcionamiento, o pueden ocurrir de forma desastrosa, cuando se produce un fallo en la superficie de un componente que obliga a reemplazar la pieza averiada, o puede desembocar en la destrucción de la máquina. Prácticamente todo lo que se mueve forma parte de un sistema tribológico, en el que pueden intervenir dos o más sólidos, sólidos y líquidos y sólidos y gases. Ejemplos son los mecanismos para transmitir movimiento o transformar energía en trabajo, la fricción de los tejidos, la acción del aire sobre los vehículos terrestres o las aeronaves y muchos otros, incluidos los movimientos de las articulaciones animales.
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A primera vista podemos pensar que el objeto de la tribología es reducir la fricción y el desgaste. Una excesiva fuerza de rozamiento en la bisagra de una puerta sería inadmisible. De forma similar, toda la energía empleada en vencer la resistencia en rodamientos y otros mecanismos se transforma en calor, con la consiguiente pérdida de rendimiento. Pero hay muchas aplicaciones de ingeniería en las que se necesita aplicar la fricción para cumplir con los requisitos funcionales del sistema. Los frenos, embragues, ruedas de vehículos, etc., funcionan gracias a la existencia de la fricción, y la combinación de tuerca y tornillo trabaja por la fricción entre ambos componentes. Algo parecido ocurre con el desgaste. Hay casos, como la adaptación de las superficies durante el rodaje, en los que el desgaste evidentemente es deseable. En general, el desgaste es una consecuencia indeseable del rozamiento entre superficies. El hecho de que un componente se desgaste excesivamente nos conduce a la destrucción de la máquina tras superar cierto límite, creando la necesidad de remplazarlo antes de traspasar el límite citado. Cuando se conoce la evolución de este fenómeno en una fase de diseño hablamos de maquinaria o componente de "vida limitada". Un método de reducir la fricción y a menudo el desgaste consiste en lubricar las superficies. El estudio de la lubricación esta muy relacionado con la fricción y el desgaste. Incluso en ausencia de un lubricante exterior, los agentes atmosféricos, en especial el oxigeno y la humedad pueden actuar como verdaderos lubricantes y deben tenerse en cuenta en cualquier estudio de superficies en contacto. Con bastante frecuencia nos encontramos con situaciones en las que la lubricación resulta la responsable directa de muchas fallas. Por lo general se nos dice que la grasa falló, el aceite no sirvió y otras aseveraciones por el estilo. Pero al hacer un análisis de la falla, las causas son otras, y lo que consideramos una falla del lubricante no es más que un síntoma de otro problema. Normalmente es difícil para el personal de mantenimiento escoger un lubricante para una aplicación en particular, y esto se debe a que no se cuenta con la información adecuada para sustentar la decisión, o bien, se tiene la información pero no se sabe como interpretarla exactamente. Las preguntas más frecuentes en lubricación son cómo, cuándo y con qué lubricar un equipo o elemento en particular. Esta capacitación tiene como fin primordial dar una visión general a estos principios, en los cuales se basa toda la teoría de la lubricación moderna. Sin entrar en detalles de aspectos específicos, las nociones aquí presentadas servirán para sentar las bases que permitan conocer los elementos básicos de la lubricación. Se darán algunas nociones básicas a aspectos más particulares, que tienen que ver directamente con aplicaciones prácticas y elementos más técnicos de la tribología. Este material comprende una breve reseña de la historia de la lubricación, los principios físicos de la fricción, la viscosidad y las normas de medición actuales, las clasificaciones de los lubricantes y algunos conceptos de la lubricación de rodamientos y sistemas de engranajes, que son los más comunes en nuestro medio y los que presentan la mayoría de
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problemas Al final se presentan algunas tablas de uso práctico y una reseña de los principales resultados de las pruebas ASTM para lubricantes.
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HISTORIA DE LA LUBRICACIÓN Y DE LA TRIBOLOGIA La lubricación, tal como la conocemos actualmente, es el resultado de una larga cadena de descubrimientos, unos productos de la casualidad y otros de verdaderos procesos científicos- que se remontan a varios milenios antes de Cristo. El hombre siempre ha buscado la forma de facilitar su trabajo, de manera que este sea más efectivo y con la menor inversión de recursos. Como podemos ver, esta búsqueda del mejor resultado costo/rendimiento no es nada nuevo. Las primeras culturas tenían como recurso más valioso, para todo su quehacer, la fuerza del hombre y de los animales que le ayudaban en todos sus trabajos. Las construcciones milenarias son producto de la inversión de miles de horas hombre, con la participación de grandes masas humanas, que se hacían necesarias para la realización de cualquier obra. Es precisamente en estas construcciones que la búsqueda del ahorro de energía (la fuerza de los trabajadores) la que hace que el hombre comience a comprender algunos principios relacionados con el rozamiento y la pérdida de energía debido a este factor. Precisamente, el primer antecedente que se tiene del uso de lubricantes se encontró en la tumba del Faraón Tehuti-Hetap, en cuyas paredes aparecen figuras en el proceso de construcción de estatuas gigantes de piedra, las cuales son movidas utilizando grasas como lubricantes. También se sabe que en el tiempo del Faraón Amenholep II, 1 500 años A.C., utilizaban grasa animal para lubricar los ejes de los carros de guerra del faraón y eliminar la fricción en otros puntos. Estas grasas eran hechas a partir de productos vegetales y animales, extraídos principalmente de carneros, cerdos y bueyes. Se tienen muchas evidencias de que los romanos usaban el banano y otros productos similares para engrasar las ruedas de sus carros. También sabemos que se fabricaban aceites lubricantes a partir de girasoles, lino y coco desde mucho tiempo atrás. Para darles cierta consistencia, estos eran mezclados con arcillas, cal y algunos otros sólidos finos. Más recientemente, hacia 1 850 D.C., la mayoría de vagones que tiraban los caballos eran lubricados con grasa de cerdo, carnero y bueyes. Se probaron innumerables materiales como lubricantes, incluido el aceite de ballenas, pero realmente ninguno llegó a sustituir las grasas de cerdo, carnero y buey hasta el advenimiento de las grasas obtenidas del petróleo. Se sabe que mucho antes de que la civilización llegara, los indios de Norteamérica usaron el petróleo como lubricante, el que obtenían de las fuentes que manaban el líquido a la superficie, sin que llegaran a conocer el verdadero valor de este producto. Muchos años después, aparecieron buhoneros y engañadores que lograron este aceite de los indios y lo embotellaron para venderlo como la medicina milagrosa (curalotodo). Esos elixires y mezclas (sin ningún valor medicinal y que muchas veces resultaban peligrosas), eran vendidas a cualquiera que fuera lo suficientemente tonto como para creerle a estos habilidosos vendedores viajeros. Aún cuando estas milagrosas pociones no tenían ningún valor medicinal, si sentaron las bases para invenciones posteriores más útiles, como fue el descubrimiento de los ungüentos y las vaselinas. Años más tarde, a estos primeros farsantes les siguieron nombres más osados, pero con un verdadero interés científico en el potencial de estos productos derivados del petróleo. Es así como hacia el siglo XIX, estos nuevos negociantes perforan las mismas fuentes naturales y Historia de la lubricación y de la tribología
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mezclaron el aceite con jabones a base de cal para inventar la primera grasa lubricante de la época moderna. La primera perforación de que se tiene registro fue hecha en 1859 en Titusville, Pennsylvania, por el Coronel Edwin Drake. En 1884, veinticinco anos más tarde, fue perforado el primer pozo en Chiapas, México. Este resultó un verdadero desastre, debido a que no había forma de transportar el petróleo a través de los suampos plagados de lagartos de las selvas mexicanas. El verdadero padre de la comercialización de una grasa industrial, fue un anciano, conocido como "Old Man Oom”, quien uso los aceites minerales para sustituir las grasas animales, y dados los resultados, inició el mercadeo de este producto. Rápidamente se corrió la voz entre la industria de que la grasa de Old Man Oom permitía a las máquinas operar a mayores velocidades, y sin que por estas condiciones resultaran dañadas (que no es muy diferente a lo que queremos nosotros). Su grasa se solidificaba a una temperatura diferente a las grasas animales. Este evento en la historia de la lubricación, focalizó la atención de la industria en la gran posibilidad de obtener mejores resultados de las maquinarias utilizando mejores grasas, debido a que estas permiten máquinas más rápidas y más poderosas. Otro acontecimiento importante se da en 1840, cuando un hombre llamado William Little comienza a fabricar un aceite improvisado para la iluminación con lámparas. El resultado fue un verdadero fracaso. Posteriormente se da cuenta de que su invento resulta más adecuado para lubricar maquinaria, por lo que la industria de aceite para lámparas fracasó, pero en 1949 patenta su invento y resulta ser el primer registro escrito que se tiene de un lubricante mineral. Con estos productos logró una grasa a partir de jabón de soda. La transición entre el uso de la grasa animal al uso de las nuevas grasas derivadas del petróleo se da en forma lenta, y fue paulatinamente aceptado en el mundo. Dentro de las ventajas que se fueron notando en el uso de estos nuevos lubricantes, es que estos no tenían los malos olores de los productos animales, además, poco a poco se fueron descubriendo otras ventajas. Así, por ejemplo, las grasas animales, al descomponerse generaban muchos ácidos que corroían y picaban la maquinaria. Algo similar ocurría con los aceites vegetales, los cuales no tenían la suficiente adherencia y por lo general se hacían gomosos, cosa que no pasaba con los lubricantes minerales. La lubricación como ciencia puede decirse que se inició con los trabajos de Beaucahmp Tower y Osborne Reynolds, con los aportes que hacen otros científicos en los años siguientes. En el ano 1883 aparecen las primera publicaciones sobre las investigaciones en lubricación, realizadas en forma paralela por Tower en Inglaterra y Nikolay P. Petrov en Rusia. El primero tuvo la ventaja de que la comunicación en la comunidad científica era mucho más eficaz, por lo que la transferencia de información en conferencias y otros medios hace que más persona conozcan los resultados de estas investigaciones. Petrov, además de estar en una sociedad más cerrada, tenia la desventaja del idioma. No obstante, Petrov desarrolló trabajos sumamente importantes en el campo de la lubricación y en otros campos de la ingeniería. Los trabajos de Tower aparecieron en una serie de publicaciones entre 1883 y 1891. Los primeros trataron sobre la lubricación de cojinetes, y los dos trabajos posteriores fueron sobre cojinetes de anillo y de pivote. A pesar de sus investigaciones, quien les dio forma y
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desarrolló los modelos necesarios para el estudio de la lubricación hidrodinámica fue Osborne Reynolds, quien publicó en 1886 los principios para la interpretación de los resultados experimentales. La aplicación de estos principios fue desarrollada en forma casi simultánea por Albert Kingsbury en Estados Unidos y A. G. M. Mitchell en Australia. Este último desarrolló el rol de empuje junto con el planteamiento matemático para la lubricación de este rol, con lo que se añade un importante aporte a la teoría desarrollada por Reynolds. En 1931 Kingsbury desarrolla la teoría analógica eléctrica, con la que hace importantes aportes en el campo de la lubricación. Los principios desarrollado por Reynolds requerían de un cálculo de integración de series trigonométricas para determinar la presión en cojinetes. Estos cálculos resultaban demasiado largos y no daban resultados correctos para casos en que la excentricidad fuera superior a 0,5. En 1904 el profesor Arnold Sommerfeld desarrolló una sustitución que hacia posible el cálculo de integración y es aplicable a todos los valores de excentricidad. Dentro de las aportaciones importantes de Petrov, una de ellas, motivada por razones meramente económicas, fue que inició la sustitución de las grasa animales y vegetales por aceites derivados de petróleo. En estos procesos realiza una serie de estudios sobre la influencia de la viscosidad en la lubricación de ejes, lo que lo lleva a realizar selecciones de viscosidad para diferentes aplicaciones. La publicación de estos trabajos le mereció el premio Lommosoff de la Academia Rusa de Ciencias. En 1886 realiza una nueva publicación sobre este tema y se hace acreedor a un nuevo reconocimiento de la Academia. Como podemos ver, son muchos los años de esfuerzo de ingenieros para desarrollar las teorías de la lubricación que nos han llegado a nuestros días. Algunos son aún más antiguos, como la expuesta por Isaac Newton en su Principia, Proposición LI, Theorema XXXIX, Cor II, en que hace una consideración sobre la viscosidad, la cual... es incorrecta. La solución correcta a esta propuesta fue desarrollada por primera vez por Sir G. G. Stokes en 1.845. Dejo a su iniciativa investigar cuál fue el error de Newton. No es la intención de este trabajo desarrollar las teorías matemáticas de la lubricación, pero en los casos en que sea oportuno, haremos tal desarrollo. Muchos otros investigadores iniciaron las pruebas con los nuevos lubricantes, a fin de lograr mejorarlos. En todas partes se utilizaban las nuevas grasas y eran sometidas a pruebas por los ingenieros, quienes en este afán de lograr superar los problemas, aportaban sus descubrimientos para la mejora de los productos. Con los aceites sucedieron cosas similares. Existía un principio de que un aceite es un aceite, y así se usaban los aceites vegetales indistintamente, hasta que las experiencias demostraron que el comportamiento de los nuevos aceites, extraídos del petróleo, tenían capacidades que no se encontraban en los aceites vegetales. Aún cuando suene extraño, algunos creen todavía que un aceite es un aceite. Conforme la industria va creciendo, las necesidades de lubricación se hacen cada vez más complejas. La producción en serie trae nuevos retos, ya que los costos de paralización se hacían enormes, puesto que la parada de una de las máquinas significa detener toda la planta. La industria automotriz y el transporte por trenes y barcos van agregando nuevas
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perspectivas al desarrollo de los lubricantes y nuevos descubrimientos se incorporaban al conocimiento para ir mejorando los productos. Dentro de este panorama comienzan a hacer su aparición las grandes compañías petroleras, que gracias a los grandes beneficios que obtienen de sus inversiones, pueden realizar investigaciones más intensas, gracias a las cuales hemos llegado a tener los productos que actualmente se encuentran en el mercado. Hoy se pueden obtener lubricantes de muy alto rendimiento sin tener que recurrir al petróleo, con lo que algunas compañías no dependen de los caprichos de este mercado. Los productos se están desarrollando con la idea de lograr lubricantes que no tengan mayor impacto en el medio ambiente, por lo que se han logrado incluso lubricantes biodegradables, sin generar los desperdicios que actualmente se producen y que afectan muchos ecosistemas, como ha ocurrido con los derrames de petróleo.
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ASPECTOS TRIBOLÓGICOS GENERALES
Aspectos económicos Las principales consecuencias de la fricción son el desgaste y la pérdida de energía. No nos ha de sorprender la estimación de Rabinowicz que cerca del 10 % de la producción de energía mundial se use para superar las resistencias por algún tipo de fricción. Utilizando las mejores prácticas tribológicas podemos contribuir de forma efectiva a la conservación de los recursos que tanto preocupa a la sociedad en la que vivimos. Por estos motivos, los gobiernos de los países desarrollados han realizado estudios para valorar las pérdidas e invierten recursos para mejorar sus prácticas tribológicas. Durante la Segunda Guerra Mundial (1939 a 1945), el Tercer Reich Alemán, a través de la Universidad Técnica de Dresde y con la colaboración estadística de varios Ministerios, emprendió una intensa labor de investigación sobre los fenómenos de la fricción y el desgaste en los motores térmicos y sus consecuencias en el orden industrial y económico. Se toma de este trabajo la siguiente cita: La economía de una nación puede quedar gravemente afectada por efecto de los desgastes excesivos de los elementos constitutivos de los motores y de la maquinaria de sus industrias, por lo que creemos que para lograr un mejor rendimiento y una mayor productividad, es preciso emprender una intensa campaña contra el desgaste y los fenómenos de la fricción. Aunque nos quede un poco distante en el tiempo, es obligado citar los resultados del informe Jost de 1966, elaborado por el comité británico de Lubrication (Tribology), Education and Research. El informe estimó que, por la correcta aplicación de los principios tribológicos, se podrían ahorrar anualmente en el Reino Unido una cantidad no inferior a 515 millones de libras por año. En 1970 los Estados Unidos consumían 1/3 de la energía mundial, ¾ de la cual provenía del petróleo. Solamente el 10% de las reservas mundiales correspondían a este país mientras la Unión Soviética contaba con el 26%. Además, USA había gastado la mitad de sus reservas mientras los soviéticos solo explotaban un 6% de las suyas. Se pusieron en marcha estudios para el ahorro energético. En 1978 el comité de investigación de ASME, en su informe Strategy for energy conservation trough tribology, indicó que los ahorros de energía se pueden obtener en cuatro grupos principales: transporte por carretera, generación de potencia, turbomaquinaria y procesos industriales. Estimó en un 11% el potencial de ahorro, valorándolo en unos 16 billones de dólares, con una inversión mínima de tan solo 24 millones de dólares. Aspectos energéticos La pérdida de energía aparece como consecuencia del trabajo que se realiza para superar las fuerzas de fricción y por tanto, la reducción de este trabajo representa directamente un ahorro. Además de este ahorro directo, la tribología ayuda con la investigación de mejor maquinaria y produce un ahorro considerable al disminuir el desgaste, lo que repercute en menos paradas para sustituir partes desgastadas (que a su vez requieren consumo de energía para fabricarlas, e incluso operaciones de minería) y en el costo de los repuestos.
Aspectos Tribológicos generales
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Los tres factores que contribuyen directamente a la disipación de energía de fricción son: el contacto directo, el esfuerzo viscoso y las pérdidas por histéresis. Son manifestaciones de las fuerzas de atracción entre los átomos o moléculas y de la existencia de bajos estados de energía potencial. El tipo de contacto depende de la naturaleza de los materiales, el acabado de las superficies, la intensidad de la carga a la que están sometidas y la velocidad relativa. El deslizamiento produce siempre un cierto grado de desgaste. Los bajos coeficientes de fricción no siempre van unidos a desgastes pequeños. Por eso el diseñador de una maquina eficiente debe equilibrar el desgaste y la fricción buscando siempre el óptimo resultado. Cuando se evita el contacto directo entre superficies introduciendo un lubricante, se produce disipación de energía debido a las fuerzas de viscosidad. En la mayoría de los casos la energía consumida en cizallar el lubricante se controla por las leyes del flujo laminar de fluidos, pero cuando las fuerzas de inercia son altas comparadas con las fuerzas viscosas del fluido, aparece la turbulencia que origina una gran disipación de energía. Cuando se produce un aumento de la viscosidad al incrementar la presión se ayuda a mantener la separación entre superficies sometidas a cargas hertzianas, se reduce o elimina el desgaste, pero se produce un aumento en la fricción debido a la alta viscosidad. El tercer fenómeno que produce disipación de energía es la histéresis. La histéresis mecánica es una pérdida de energía dentro de la masa de los materiales sólidos y ocurre por ejemplo en los rodillos fuertemente cargados. Consiste en la falta de coincidencia entre las curvas de extensión y contracción en los diagramas que muestran la correlación entre esfuerzo y deformación de un material plástico. La histéresis eléctrica y la magnética pueden aparecer en cojinetes magnéticos y en cojinetes donde están presentes campos magnéticos y películas de aceite. La aportación de la tribología en la conservación de la energía no solo se reduce a controlar la fricción, sino que también influye en el proceso. Las temperaturas a las que pueden trabajar los cojinetes y los cierres normalmente limitan las temperaturas de operación que pueden tolerarse en máquinas de motor caliente. Aumentando las primeras se consigue mayor eficiencia del ciclo de Carnot y por tanto conservación de energía a lo largo de la vida de la máquina. La segunda ley de la termodinámica afirma que aunque es posible convertir el trabajo completamente en calor, el proceso no es reversible, es decir, el calor puede convertirse en trabajo tan solo parcialmente. El máximo trabajo que puede obtenerse de una cantidad determinada de calor esta definido por la eficiencia de Carnot, que solamente depende de dos parámetros, las temperaturas absolutas iniciales y finales del sistema. Para alcanzar la máxima eficiencia posible se debe tener la máxima temperatura de entrada, Ti, y la más baja de salida, Tf. η=
T f − Ti Ti
El sector del transporte consume en torno al 25 % de la energía total consumida en el planeta. Según estudios realizados, sólo el 12 % de la energía consumida por un auto llega a las ruedas, que junto con el 2,5 % consumido por los accesorios supone un aprovechamiento del 15 %. El restante 85 % es energía perdida. Hay que estudiar un mejor
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aprovechamiento, mejorando los materiales, los lubricantes y otros puntos relacionados con la tribología. Los puntos más importantes que pueden afectar a la economía del motor de los automóviles son el conjunto pistón camisa, la viscosidad del aceite, la transmisión y el tipo de motor. Aspectos ecológicos La justificación desde el punto de vista ecológico esta relacionada fundamentalmente con la lubricación. Mejorando las propiedades de los lubricantes se pretende optimizar sus prestaciones y consumos, por lo que se generarán menos residuos. En el desarrollo de lubricantes sintéticos una característica importante es que sean biodegradables. Con el diseño de máquinas herméticas se ha conseguido lubricar los cojinetes con el propio fluido trasegado permitiendo a las máquinas trabajar sin generar lubricantes usados. Los mismos beneficios se consiguen con los cojinetes magnéticos. Los últimos avances están en la línea de cojinetes hidrostáticos que evitan el contacto entre partes metálicas en arranques, paradas y durante la operación de la máquina, consiguiendo que el lubricante teóricamente sea “eterno”. Soluciones tribológicas En este punto vamos a introducir de forma conceptual diferentes soluciones, de uso común en la industria, al problema de soportar un esfuerzo a través de unas superficies, con un nivel aceptable de fricción y desgaste. Lubricación: Las superficies de contacto están separadas por un producto gaseoso, líquido o sólido. En los dos primeros casos, el fluido esta sometido a la presión necesaria para mantener las superficies separadas. La presión puede producirse por un sistema externo de bombeo, lubricación hidrostática, o generarse en el mismo sistema debido a su particular geometría y condiciones de funcionamiento. Este sistema da lugar a la lubricación hidrodinámica y depende fundamentalmente de la viscosidad del fluido. También se utilizan lubricantes sólidos como el grafito y el bisulfuro de molibdeno así cómo productos visco plásticos (grasas) obtenidos al espesar un aceite mineral o sintético con un jabón normalmente metálico. Rodamientos y cojinetes: Las superficies se separan interponiendo bolas o rodillos o bien piezas porosas autolubricantes. La gran variedad de cojinetes y rodamientos usados en la industria evidencia el valor de esta solución. Tratamientos y recubrimientos de materiales: Modificación de las propiedades físicas de los materiales en contacto y/o de sus superficies mediante tratamientos térmicos (temple, cimentación, nitruración) o con aportación de elementos metálicos, químicos o plásticos.
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ROZAMIENTO Más que una simple acción, la lubricación es todo un proceso, en el que intervienen muchos factores de muy variada naturaleza: físicos, químicos, metalúrgicos, de mecánica de fluidos, y sobre todo, humana. Aún cuando generalmente se la define como la forma de eliminar la fricción o rozamiento entre partes que tienen movimiento relativo entre si, la lubricación tiene muchas otras finalidades, como vamos a ver en los puntos expuestos más adelante. Para iniciar nuestro estudio, analizaremos primeramente los principios que interfieren en el rozamiento. Dado que este es el principal factor que queremos eliminar en nuestros equipos, es importante considerar estos principios físicos que lo rigen. En todo lo que nos rodea encontramos la fricción o rozamiento. En realidad está presente tanto para beneficiarnos como para darnos problemas; es deseable en muchos casos y es necesario eliminarla en otros. Incluso cuando caminamos debemos vencer el rozamiento que tenemos con el aire para poder avanzar, pero sin el rozamiento de nuestros pies con el suelo, sería imposible movernos. Normalmente se define el rozamiento como: La fuerza que se opone al movimiento de una superficie sobre otra, debido su atracción mutua, o a sus irregularidades o a ambas cosas. Esta fuerza depende de varios factores, de los cuales los más importantes son los siguientes: a.- La fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza que comprime las superficies entre si, la cual llamamos fuerza normal (N). Es decir, si deseamos mover un cuerpo que tiene un peso x, necesitamos una fuerza igual a x para ponerlo en movimiento. Si sobre este cuerpo ponemos otro igual, necesitaremos una fuerza igual a 2x para ponerlos en movimiento. Esta fuerza es perpendicular a las caras de contacto mutuo. Esta relación es afectada por la fuerza de la gravedad. b.- La fuerza de rozamiento depende de las superficies enfrentadas. Esto nos permite lograr una disminución de la fricción si logramos que las superficies en contacto estén más pulidas. Si observamos en un microscopio potente una superficie lo suficientemente pulida, podemos comprobar que esta no es totalmente lisa, sino que está formada por valles y picos microscópicos. Cuando dos superficies entran en contacto, estos picos soportan la carga, y la fuerza de atracción hace que se "suelden”. De hecho, es en estos puntos que se soportan las cargas y no en la totalidad de la superficie.
c.- La fuerza de rozamiento no depende del área de contacto. Un ladrillo tendrá la misma fuerza de rozamiento independientemente de la cara que pongamos en contacto contra una superficie.
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d.- La fuerza de rozamiento depende de la clase de movimiento de las superficies. Es decir que tenemos un rozamiento estático y un rozamiento cinético. El primero se da cuando los cuerpos se encuentran en reposo y el segundo se refiere a las fuerzas que afectan el movimiento. e.- La fuerza de rozamiento depende de la velocidad de las superficies en contacto. La fuerza requerida para poner en movimiento el bloque del ejemplo anterior es mayor que la fuerza requerida para mantenerlo en movimiento. Esto se debe a que una vez que el bloque se mueve, los componentes de su las superficies tienden a formar una película de átomos que se mueven para facilitar el movimiento, con lo que se reduce la fricción. De aquí podemos concluir también, que el rozamiento estático es mayor que el rozamiento cinético. Estos principios fueron descubiertos experimentalmente por Leonardo Da Vinci, y redescubiertos en 1699 por el ingeniero francés G. Amontons. Lo más notable de los enunciados de Da Vinci es que estos se dan dos siglos antes de que Newton desarrollara por completo el concepto de fuerza. La relación de la magnitud de la fuerza máxima de rozamiento estático a la magnitud de la fuerza normal se llama coeficiente de rozamiento estático para estas superficies, y la relación de la fuerza del rozamiento cinético a la magnitud de la fuerza normal se llama coeficiente de rozamiento cinético. Matemáticamente se define la fuerza de rozamiento como: Fr = kFn Donde k es una constante llamada coeficiente de rozamiento, y su fórmula puede deducirse de la anterior: F k= r Fn El coeficiente de rozamiento varia de un material a otro. Son muchos los inconvenientes del rozamiento en el desempeño de las máquinas, ya que además de causar el deterioro al friccionarse una superficie con otra, se da una pérdida de fuerza para vencerla, genera calentamiento al transformarse la fuerza en energía térmica, dando como resultado final fallas en los equipos.
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LUBRICACIÓN Como dijimos anteriormente, nos vamos a referir a la lubricación considerando la totalidad de factores que intervienen en este proceso. El principal objetivo, -y no el único- de la lubricación, es reducir al máximo posible el rozamiento o fricción entre las superficies. Para reducir este rozamiento podemos recurrir a varias alternativas, entre las cuales tenemos tres que se consideran como elementales: la selección de materiales con bajo coeficiente de rozamiento, diseños de ingeniería y el uso de los lubricantes. Para la primera alternativa debemos recordar que no todos los materiales tienen el mismo índice de rozamiento. Así, por ejemplo, la madera sobre madera tiene un coeficiente de rozamiento de 0,16; metal sobre metal de 0,15; piedra sobre madera de 0,40; etc. Con base en estos datos, al diseñarse un elemento que tendrá movimiento relativo con otro, se escogen los materiales que además de cumplir con las otras normas de ingeniería relativas a cargas, torsiones y demás requisitos técnicos, tengan un bajo coeficiente de rozamiento. Ejemplo de esto es el material usado para fabricar los bearings de un motor o el acero usado para fabricar rodamientos. La otra alternativa se refiere al diseño de elementos que ayuden a reducir el rozamiento, como son los roles, muñoneras, chumaceras, etc. La industria fabrica todo tipo de elementos mecánicos que reducen la fricción para un sin fin de aplicaciones. Esto permite a los diseñadotes de equipos contar con las herramientas adecuadas para dar a cada aplicación los mejores componentes. La tercera alternativa es el uso de las sustancias lubricantes, tales como los aceites, las grasas, aire, agua, etc. La elección del lubricante adecuado está basada en una diversidad de factores que permiten determinar el tipo y calidad de lubricante que mejor se adapte a cada aplicación en particular. Muchos de los principios básicos de ingeniería intervienen en este proceso, tales como matemática, estática, dinámica, mecánica de sólidos, mecánica de fluidos, procesamiento de metales y metalurgia, química, termodinámica y transmisión de calor. La industria moderna ha desarrollado lubricantes especializados para cada aplicación, pero depende del ingeniero que diseña el equipo (o del usuario cuando no cuenta con esta información) el poder determinar exactamente el lubricante que debe usar en cada una de ellas. Dependiendo de los factores, el tipo de lubricante puede ser líquido (aceite o agua), semisólidos o sólidos (grasas), o gaseosos (aire). Como resultado primario, se necesita que la lubricación reduzca la fricción, retarde el desgaste y minimice los incrementos de la temperatura, además de ayudar a economizar energía y que el uso mismo del lubricante sea económico (recuérdese que el lubricante va a tener dos costos diferentes: el costo de adquisición y el costo de usarlo. Esto lo analizaremos más adelante). Estos deben dar como consecuencia secundaria que la vida útil de los equipos se alargue, que los tiempos muertos sean mínimos y que los costos de producción tengan los niveles más bajos (como producto de operaciones ininterrumpidas, menores costos de mantenimiento y menores reemplazos de partes). Una lubricación efectiva es parte integrante de cualquier plan de mantenimiento preventivo (en contraposición al mantenimiento correctivo). Con esto se logra que los equipos se mantengan en operación por periodos más prolongados, con los menores daños posibles y con la producción en sus niveles más altos. Lubricación
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Un plan de lubricación que se integre a un mantenimiento preventivo, deberá incluir una programación de la lubricación que indique con toda certeza cuatro puntos básicos, a saber:
El lubricante correcto
En el lugar correcto
Al momento correcto
La cantidad correcta
Existen fórmulas diseñadas especialmente para mantener un control adecuado de la lubricación de equipos industriales y de flotas de transporte. Así mismo, muchas empresas de lubricantes ofrecen a sus usuarios programas de computadora que pueden utilizarse para montar un verdadero plan de lubricación para toda una planta. En el mercado existen muchos sistemas de cómputo desarrollados especialmente para el control de mantenimiento, en los cuales se considera la lubricación como uno de los factores importantes dentro de este proceso. Esto ya no es casualidad, sino que se ha logrado comprender la verdadera importancia de la lubricación y las consecuencias de su descuido. Los costos que se conjugan para llegar a un costo total de mantenimiento, son influenciados directamente por este factor, y en algunos casos se ha demostrado que puede presentar variaciones muy importantes.
Lubricación
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LUBRICANTES Normalmente se define un lubricante como la sustancia que se usa para reducir el rozamiento (y sus consecuencias) entre los elementos de una máquina que tienen movimiento relativo entre si. Actualmente se espera que un lubricante realice otras funciones en algunos equipos, tales como sellar, disipar el calor, efectuar la limpieza de las partes, evitar la acción de contaminantes, transmisión de fuerza (sistemas hidráulicos), transferencia térmica y otras aplicaciones más. En el mercado actual se dispone de lubricantes líquidos (como los aceites, esteres sintéticos, líquidos silicónicos y el agua), o sólidos (como el politetrafluoruroetileno), semisólidos (como las grasas) y gaseosos (como el aire usado en cojinetes de gas). Cada uno de ellos ha sido diseñado para brindar la protección que requieren los elementos en movimiento, pero su acción solo es efectiva si su aplicación es la correcta. Hasta hace poco se han considerado los lubricantes formulados a partir del refinado del petróleo, pero el desarrollo tecnológico ha permitido la fabricación de nuevos lubricantes, que mediante procesos de síntesis llegan a tener una pureza mucho mayor y que han demostrado tener capacidades de lubricidad y resistencia mejores que las de los lubricantes minerales, a la vez que sus costos van en disminución, que los hace más accesibles. Los aceites extraídos del petróleo se obtienen en diferentes fases del proceso de refinado. A estos se les llama productos de base parafínica, de base nafténica, y, en mucho menor proporción, de base aromática, dependiendo de la parte del petróleo que sean extraídos. Esta diferencia hace que los productos tengan comportamientos diferentes en su desempeño (y en su costo), dado que los componentes químicos que contienen afectan su rendimiento, sus capacidades y los resultados de su uso. Algunos fabricantes de lubricantes han establecido procedimientos de fabricación en los que eliminan muchos de los componentes indeseables en un lubricante, por lo que el grado de pureza establece un punto de diferencia importante. Buscando un mejor desempeño, los lubricantes han sido mejorados con la adición de nuevos productos químicos llamados aditivos. De hecho un aceite o una grasa actual difieren enormemente de los que se utilizaban hace algunos años. Los aditivos son compuestos químicos que, en pequeñas cantidades, se agregan al aceite base para mejorar sus propiedades. Algunos se usan para mejorar el desempeño del lubricante, otros para proteger el equipo y un grupo de estos es para proteger el lubricante mismo.
Lubricantes
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ADITIVOS Los aditivos son compuestos químicos que se adicionan al aceite para cumplir varias funciones, tanto protectoras del equipo como del lubricante y mejoradores de su desempeño. Los aditivos son constituyentes importantes en la formulación de cualquier lubricante, y las cantidades que se adicionan de cada uno de ellos son controladas, a fin de lograr el comportamiento correcto. Algunos de estos aditivos pueden tener efectos adversos si son utilizados en cantidades mayores, como por ejemplo, el hidróxido de potasio (KOH). Dependiendo de la función que se requiere del aceite, el paquete de aditivos que contiene está orientado para que éste cumpla funciones específicas y tenga un comportamiento controlado. La ingeniería química ha logrado desarrollar compuestos químicos que hacen de muchos aceites unos verdaderos super lubricantes. Cuando la industria automotriz se desarrolló más ampliamente y se iniciaron los procesos de fabricación en serie en grandes plantas industriales, los lubricantes no lograban los objetivos básicos, por lo que fue necesario mejorar su comportamiento. Para esto las compañías fabricantes de lubricantes se dieron a la tarea de buscar como mejorar las capacidades del aceite puro. Estas investigaciones dieron como resultado una serie de compuestos químicos que, agregados en pequeñas cantidades, dan al lubricante capacidades de desempeño mucho mejores. Los aditivos podemos dividirlos en tres grupos principales, los cuales se detallan a continuación. Es importante aclarar que estos son los usados más comúnmente, ya que existen otros tipos de aditivos que se utilizan en casos muy específicos para algunos equipos, dependiendo de factores ambientales, de diseño, de la operación propia del equipo, etc. Mejoradores del lubricante Como su nombre lo indica, la función de estos aditivos es mejorar las capacidades de lubricidad, protección y funcionamiento del lubricante. El aceite tal y como sale de la refinería seria inútil por si solo para llenar a cabalidad las funciones que se espera cumpla dentro de una máquina. Por esta razón deben ponerse los aditivos necesarios para que sus capacidades físicas y químicas llenen estos requisitos. En el cuadro 1 se muestran con detalle los principales aditivos que se usan para mejorar el desempeño de los lubricantes. La primera columna indica el tipo de efecto que logra el aditivo, la segunda su función específica y la tercer los productos químicos que se añaden para lograr este efecto. No todos los aceites cuentan con todos los aditivos, ya que se tienen aplicaciones en las que uno de estos componente no debe utilizarse. Por ejemplo, si se tiene un sistema de engranes en los que la corona es de bronce, algunos de los aditivos de extrema presión (EP) atacan el bronce y dañarán la corona, dependiendo de la ubicación del tornillo sin fin. Entre los principales aditivos de tecnología moderna que se adicionan al aceite están los anti-fricción, que reducen la fricción a niveles sumamente bajos, en condiciones de lubricación al límite. Estos aditivos reaccionan químicamente con la superficie metálica o sus óxidos para formar capas con baja resistencia a los cortes. Estos aditivos son
Aditivos
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generalmente largas cadenas de alcoholes, aminas y ácidos grasos, así como compuestos orgánicos polarizados. Un alto número de saponificación indica que el lubricante tiene mejores características antifricción. El número de saponificación es una prueba química que indica la cantidad de material grasoso que contiene el aceite, la cual es determinada en la prueba ASTM 0-94, y el resultado es la cantidad de miligramos de KOH que se combinan con un gramo de aceite para formar un jabón. La saponificación propiamente dicha es el proceso mediante el cual las grasas se convierten en jabón. La determinación de las capacidades anti-fricción de un lubricante se llevan a cabo en el laboratorio, midiendo la capacidad del lubricante en condiciones de lubricación al límite. Aunque no se ha podido fabricar una máquina que realice el trabajo de un equipo en condiciones reales, los resultados de estas pruebas ayudan mucho a determinar con bastante aproximación los resultados que se obtendrán en las condiciones de operación reales. En todo caso, la prueba exacta es poner el lubricante a trabajar y medir los resultados finales. Otro aditivo importante es el que permite mantener un control adecuado del desgaste. Estos forman una película de sales orgánicas, metal-orgánicas o metálicas en la superficie del metal, logrando reducir el contacto metal-metal. Estos compuestos ayudan a reducir el desgaste, aunque este es siempre inevitable. La diferencia real se presenta en cuánto se logra extender la vida útil de los componentes con el uso de uno u otro lubricante. CUADRO 1 ADITIVOS MEJORADORES DEL LUBRICANTE ADITIVO Mejoradores del índice de viscosidad Agentes de extrema presión
ACCION Reduce la pérdida de viscosidad a altas temperaturas. Aumentan la resistencia de la presión película lubricante
QUIMICO Polímeros de isobutelino de copolímeros acrílicos. Compuestos de cloro, zinc, azufre y fósforo
Agentes oleaginosos
Aumentan la capacidad de lubricidad Aumentan la adhesión del lubricante al metal Permiten la dispersión del aceite en agua Mejoran la capacidad para soportar cargas elevadas Dan consistencia sólida o semisólida al lubricante
Esteres sintéticos de ácidos grasas Polímeros de alto peso molecular Sulfonatos de calcio
Agentes adhesivos Emulsificantes Metales sólidos Agentes espesadores
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Grafito, boro, calcio, disulfuro de molibdeno Jabones o complejos de jabones diversos
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Protectores del lubricante Estos aditivos tienen como propósito lograr que el lubricante tenga una vida útil mayor, aumentar su capacidad de protección contra los agentes externos y "mantenerlo en forma” para que su trabajo sea productivo. Si tenemos en cuenta que el aceite derivado del petróleo es un producto mineral, está expuesto a muchos elementos que lo atacan, y pueden llegar a degradarlo rápidamente: la humedad, las impurezas del medio ambiente, la temperatura y otros factores físicoquímicos derivados del mismo equipo y de la operación del lubricante. Por esta razón estos aditivos son importantes y están presentes en los lubricantes de buena calidad. Algunos de estos aditivos se muestran en el cuadro 2. Se muestran, sus funciones, el resultado que se espera de ellos y los productos químicos que los componen. Uno de los más importantes aditivos de este grupo, son los inhibidores de la oxidación. Los aceites minerales reaccionan con el oxígeno, formando a elevadas temperaturas hidroperóxidos, que luego se convierten en ácidos orgánicos, Estos últimos causan una elevación de la viscosidad, además de que permiten la formación de lodos y barniz, la decoloración del aceite, olores ácidos, causan el desgaste corrosivo, facilitan la formación de espuma y la tendencia del lubricante a la emulsificación. Si bien este punto es crítico, lo es más en equipos que operen a altas temperaturas, y en los cuales el cambio del lubricante se hace en periodos prolongados, como los sistemas hidráulicos, turbinas y equipos similares. La efectividad de los antioxidantes se mide en el laboratorio mediante pruebas realizadas en procesos acelerados, a altas temperaturas y con la presencia de oxígeno, catalizadores y posiblemente agua, generalmente llamadas pruebas de estabilización de la oxidación.
Aditivos
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CUADRO 2 ADITIVOS PROYECTORES DEL LUBRICANTE ADITIVO Agentes antioxidantes
Depresores del punto de fluidez Anticorrosivos
Agentes demulsificantes Estabilizadores del color Agentes deodorizantes
Antisépticos
ACCION Previenen la descomposición del lubricante por oxidación Mejoran la fluidez a bajas temperaturas Previenen ataque compuestos químicos nocivos al metal Previenen la emulsión con el agua Estabilizan el color del lubricante Evitan los olores desagradables en el lubricante Previenen la formación de bacterias
QUIMICO Compuestos de zinc, azufre y fósforo Polímero de ácido esteárico metacrilico Ditiofosfatos de zinc, aminas solubles, derivados fenólicos Polímetros de silicones orgánicos Colorantes fluorescentes solubles en aceite Formaldehído
Germicidas solubles en aceite
Protectores de la maquinaria Como dijimos anteriormente, el aceite tal cual sale de la refinería no es capaz de brindar la protección que requieren los equipos. Como puede verse en el cuadro 3, estos aditivos cumplen funciones sumamente importantes, ya que permiten al lubricante dar una protección completa a las partes de las máquinas. Algunos de estos aditivos trabajan en conjunto para lograr su objetivo, Así por ejemplo, los detergentes trabajan en combinación con los dispersantes: los primeros eliminan la suciedad que se forma en el equipo, los dispersantes se encargan de mantener estas partículas en suspensión hasta que el aceite sea drenado, para evitar que se adhieran a otras partes del equipo. En el cuadro 3 se muestran los principales aditivos de este grupo, sus funciones específicas y sus componentes químicos más comunes. Los aditivos antiherrumbre son algunos de los más importantes, debido a que los metales, especialmente el hierro, reaccionan fácilmente con el oxígeno extraído del agua, formando el herrumbre (óxido de hierro hidratado). Estos aditivos forman una película protectora en el metal, o bien actúan por neutralización de los ácidos. Los componentes típicos de estos aditivos son compuestos altamente básicos, sulfonatos, fosfatos, ácidos orgánicos, esteres o
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aminas. Uno de los puntos más críticos de la formación de herrumbre, es que esta puede soltar pequeñas partículas al flujo de lubricante, volviéndose altamente abrasivas, sobre todo en los casos en que la película lubricante tiene solamente unos micrones de espesor. CUADRO 3 ADITIVOS PROYECTORES DE LA MAQUINARIA ADITIVO Agentes antidesgaste Detergentes/dispersantes Agentes alcalinos Agentes antiherrumbre Desactivador de metales Agentes grasos
Anticorrosivos de la plata
Aditivos
ACCION Reducen la fricción y el contacto metal a metal Previenen la formación de depósitos dañinos Neutralizan los ácidos dañinos Previenen la formación de óxidos en metales Previenen la acción catalítica de algunos metales Previenen el lavado por agua de la película lubricante Previenen la corrosión de los componentes de plata
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QUIMICO Compuestos de cloro, azufre, fósforo y zinc Compuestos de calcio y bario en ácidos silfónicos Hidróxido de potasio Sulfonato de sodio y aluminio Trialkil fosfitos y triaril fosfitos Grasas animales
D-carpetanos
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VISCOSIDAD Este es quizás uno de los factores que más se consideran al elegir un lubricante para cualquier aplicación. No obstante, su comprensión requiere de un estudio más detallado acerca de la forma en que opera en las funciones de lubricación. La viscosidad se define como la resistencia de un líquido a fluir. Esta resistencia se debe principalmente a las fuerzas intermoleculares y el rozamiento interno que se da al moverse unas moléculas sobre otras. Para explicar esto con más claridad, veamos la siguiente figura: Aquí podemos ver una placa A que se mueve a una velocidad u sobre una capa de lubricante de espesor h. Para lograr comprender lo que sucede, imaginemos que las capas de lubricante son como cartas de naipe que se mueven unas sobre otras, como pequeñas láminas, accionadas por la fuerza F que se aplica a la placa A. Se supone que las capas que están en contacto con la placa que se mueve adquieren una velocidad u, y las que están en contacto con la superficie estacionaria tienen velocidad nula. La velocidad de las capas que se encuentran en el medio tienen una velocidad que depende de la distancia, y, medida desde la superficie inmóvil. Newton expuso que el esfuerzo tangencial (o cortante) que se genera en el fluido es proporcional a la tasa de variación (o razón de cambio) de la velocidad con respecto a y lo que podemos expresar matemáticamente como:
τ=
F du =µ A dy
Donde µ es una constante de proporcionalidad que se define como viscosidad absoluta, y se le llama también viscosidad dinámica, y es realmente la medida de la resistencia friccional interna del fluido, es decir, su viscosidad. La derivada du / dy es la intensidad de cambio de la velocidad con respecto a la distancia transversal, puede denominarse como la intensidad del esfuerzo deslizante o gradiente de velocidad. La unidad con que medimos las viscosidad dinámica es, en el Sistema Internacional, el newton por metro cuadrado multiplicado por segundo (Ns/m2) o bien (Pa s). En la práctica se usa como medida de la viscosidad dinámica el centipoise (cP). Para efectos de medir mejor la viscosidad de un lubricante, se usa la viscosidad cinemática en lugar de la viscosidad dinámica. En esta medición se elimina toda consideración de fuerza o masa. La viscosidad cinemática, es igual a la dinámica dividida entre la densidad del fluido. µ υ= ρ En el sistema SI, la unidad de medida de la viscosidad cinemática es el metro cuadrado por segundo. Actualmente se utiliza el centistoke (cSt) como la unidad de medición en el sistema cgs.
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µ = poises o Pa s
1 Pa s = 10 poises = 1000 centipoises
m2/s = 1x104 stokes = 1x106 centistokes Los lubricantes no siempre operan bajo las mismas condiciones de presión y temperatura y los intervalos que se presentan en cualquier sistema son sumamente amplios, lo que puede llevar a variaciones en la viscosidad del lubricante, por lo que es recomendable considerar las relaciones viscosidad-presión y viscosidad-presión-temperatura al seleccionar un lubricante. En la actualidad se cuenta con diferentes tablas de viscosidades establecidas para los diferentes lubricantes, dependiendo de su aplicación (industrial o automotriz), la cuales se basan en las viscosidades cinemáticas. Se toman como base las viscosidades a 40°C y a 100°C o bien las Unidades Saybolt Universales a 100°F y a 212°C. Esto permite una estandarización en la forma de medir las diferentes viscosidades, y resultan de gran ayuda.
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ACEITES
Viscosidades SAE La Sociedad de Ingenieros Automotrices ha establecido tablas de viscosidad para los lubricantes de motor y las transmisiones automotrices. Esta clasificación fue establecida en el documento SAE J300 y en la publicación 1509C, en la que se detallan los grados de viscosidad de los aceites monogrados para motor como sigue: CLASIFICACIÓN SAE PARA MOTOR (Monógrado) Grado SAE
0W 5W 10 W 15 W 20 W 25 W 20 30 40 50 60
Viscosidad a 100°C cSt Min Max 3,8 3,8 4,1 5,6 5,6 9,3 5,6 9,3 9,3 12,5 12,5 16,3 16,3 21,9 21,9 26,1
CLASIFICACIÓN SAE PARA ACEITES DE TRANSMISIONES MECÁNICAS (Engranajes) (Monógrado) Grado SAE
70 W 75 W 80 W 85 W 90 W 140 250
Viscosidad
Viscosidad a 100°C cSt Min Max 4,1 4,1 7,0 11,0 13,5 24,0 24,0 41,0 41,0 60,0
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Aceites Monogrado: Como su nombre lo indica tiene un solo grado de viscosidad : La W que precede a los primero números indica que el aceite es apropiado para el uso en invierno (winter), en temperaturas muy bajas. Los restantes son aceites para usarse en altas temperaturas. Los grados 20W y 20 son dos clasificaciones separadas. No obstante, debido a los nuevos procesos de refinado, ambos casos pueden tener la misma viscosidad. Posteriormente se desarrollaron los aceites multigrados, gracias a nuevos métodos de manufactura y a los aditivos mejoradores del Índice de viscosidad. Cada fabricante tiene sus aceites multigrados, pero, normalmente los que encontramos son 5W30, 5W40, 20W50 y 15W40, aunque pueden aparecer otras. Estos aceites multigrados son de uso más amplio hoy, ya que su comportamiento ayuda a mantener los motores en mejor condición, al estar más fluidos al momento del arranque en frío. Asimismo, se han clasificado de acuerdo con los niveles de temperatura a que opera el motor. En el aparte dedicado a la lubricación automotriz se analizará con más detalle lo relacionado a los aceites para motor. CLASIFICACIÓN SAE PARA MOTOR (Multígrado) Grado SAE
Viscosidad a 100°C cst Min Max 16,3 19,7 9,3 13,7 13,7 16,3 16,3 19,7 5,6 9,3 9,3 13,7 13,7 16,7 16,3 19,7
5 W 50 10 W 30 15 W 40 15 W 50 20 W 20 20 W 30 20 W 40 20 W 50
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CLASIFICACIÓN SAE PARA ACEITES DE TRANSMISIONES MECÁNICAS (Engranajes) (Multígrado) Grado SAE
Viscosidad a 100°C cst Min Max 14,0 15,0 16,5 17,3 34,1 26,0
80 W 90 85 W 90 85 W 150 Viscosidades ISO .
Inicialmente se utilizaba la escala de viscosidades basada en las mediciones de la viscosidad en Segundos Saybolt Universales (SUS) a temperaturas de 100°F y a 212°F. Posteriormente, la Organización Internacional de Estandarizaciones (ISO), en su propuesta 3448-1975 estableció la medición de las viscosidades de aceites industriales en centistokes (cSt), medidas a 40°C y a 100°C de temperatura. Esta nueva escala tiene varias ventajas:
Aceptación internacional, lo que beneficia a los usuarios, fabricantes de equipos y productores de lubricantes.
El grado de lubricante recomendado por el fabricante del equipo es el mismo que se pone en el nombre del producto.
Se eliminan virtualmente las conversiones de una viscosidad a otra.
El número en el nombre del producto representa normalmente la viscosidad del lubricante.
En el siguiente cuadro se designan los grados de viscosidad ISO. Cada grado es un 50% mayor que el grado precedente.
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GRADOS DE VISCOSIDAD ISO PARA ACEITES INDUSTRIALES Grado ISO
2 3 5 7 10 15 22 32 46 68 100 150 220 320 460 680 1000 1500
Viscosidad a 100°C cSt Min Max 1,98 2,42 2,88 5,52 4,14 5,06 6,12 7,48 9,00 11,00 13,50 16,50 19,80 22,00 28,80 35,20 41,40 50,60 61,20 74,80 90,00 100,00 135,00 165,00 198,00 241,00 288,00 352,00 414,00 506,00 612,00 748,00 900,00 1100,00 1350,00 1650,00
Grados de viscosidad AGMA La Asociación Americana de Fabricantes de Engranajes ha establecido su propia tabla de viscosidad es para los lubricantes recomendados en sus equipos. En la tabla siguiente se detallan los grados de viscosidad para los números AGMA. Los aceites de la columna R&O son minerales puros, mientras que los EP son lubricantes con aditivos de extrema presión. Los grados compuestos incluyen generalmente grasa animal o cebo como espesante. Las viscosidades están dadas en cSt; los grados ISO que se muestran en la columna central son la equivalencia más aproximada. Para los engranajes automotores se cuenta con una clasificación especial, dada por la SAE y los grados de calidad API. Por norma general, un aceite para engranajes industriales no debe usarse en un diferencial automotriz y viceversa.
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GRADOS DE VISCOSIDAD AGMA PARA ENGRANAJES INDUSTRIALES GRADO R&O
VISCOSIDAD
GRADO
GRADO
@40ºC
ISO
EP
MIN
MAX
1
14,4
50,6
46
--
2
61,2
78,4
68
2EP
3
90,0
100,0
100
3EP
4
135
165
150
4EP
5
198
242
220
5EP
6
288
352
320
6EP
7 COMPOUND
414
512
460
7EP
8 COMPOUND
612
748
680
8EP
8A COMPOUND
900
1100
1000
8A EP
Debe tenerse presente que la equivalencia de viscosidad no indica que un lubricante pueda usarse indistintamente en diferentes aplicaciones. Es decir, aunque un aceite para motor sea equivalente a un aceite mineral ISO 46, por ejemplo, no significa que ambos aceites puedan intercambiarse al lubricar un equipo específico. Índice de viscosidad Todos los aceites tienden a variar su viscosidad con forme cambia la temperatura. Es deseable que esta variación sea lo menor posible, ya que en algunos casos una baja en la viscosidad puede tener consecuencias fatales, como en el caso de los aceites para sistemas hidráulicos, donde una situación de estas genera problemas en la operación de los equipos. Para evitar que se presenten estas variaciones, al aceite se le adicionan aditivos que mejoran el comportamiento de la viscosidad en estas condiciones. A la capacidad del aceite para mantener su viscosidad ante los cambios de temperatura está definida por su Índice de Viscosidad (IV). Es decir, que el IV es una medida de la capacidad del aceite para mantener su viscosidad ante los cambios de temperatura. Se considera como aceptable un valor (N) arriba de 100, aunque en algunas aplicaciones es deseable un Índice de viscosidad mayor. Para determinar el N de un aceite se usan los procedimientos de las pruebas ASTM D-567 y ASTM 0-2270. En el segundo caso, se calcula el N a partir de la viscosidad cinemática a 40° C y a 100° C, con dos métodos diferentes: uno para aceites con N menor que 100 y otro para los que son mayores que 100. Otra forma de determinar el N es mediante una gráfica, en la cual se indica la viscosidad a 40°C, la viscosidad a 100°C (en dos escalas diferentes),
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y se traza una recta que pasa por estos puntos y en la parte inferior va a marcar en otra escala el N. (Ver anexos) Por lo general todos los fabricantes de aceites indican este dato en las especificaciones de sus productos, y es un factor a considerar al seleccionar un aceite, sobre todo para aquellas aplicaciones en las que las variaciones de temperatura son una variable que debe tomarse en cuenta. Los aceites que se fabrican actualmente incluyen en su formulación mejoradores del N. Estos ayudan a mejorar el comportamiento de los aceites en condiciones difíciles, como lo son altas temperaturas o condiciones de congelación. Los resultados se ven en una mejora del punto de fluidez, que es el punto a que un aceite deja fluir. Este es uno de los fenómenos en que la temperatura afecta directamente la acción del lubricante. El primer punto en que se nota esta pérdida de fluidez es debida a la congelación y cristalización de las partículas de cera que contiene el aceite. Entre mayor sea la viscosidad del aceite, menor será su punto de fluidez. (un ISO 46 tiene un punto de fluidez de alrededor de -39° C, mientras que un ISO 460 es de -15° C). Densidad La densidad se define como la masa por unidad de volumen de una sustancia. En los aceites se usa para determinar la masa de un volumen dado, o bien, el volumen de una masa dada. En lubricación se utiliza para identificar un aceite, una fracción de aceite y en la medición de la viscosidad cinemática (que es igual a la viscosidad absoluta divida entre la densidad). También es una de las variables que se usan para determinar el incremento de temperatura en una película lubricante y para determinar el Número de Reynolds (que determina si el flujo de lubricante es laminar o turbulento). La medida de la densidad en el sistema SI es el kg/m3 Gravedad específica Esta es una medida de la relación entre la masa de un volumen dado de un líquido y la masa de un volumen igual de agua. La gravedad específica es adimensional. Para los aceites, la gravedad específica varía generalmente entre 0,86 a 0,98, mientras que la gravedad especifica del agua a 15,6° C es 1. Es corriente obtener en una hoja de especificaciones de un lubricante la Gravedad API. Esta una indicación de los grados de gravedad API en lugar de la gravedad específica. Esta medida es una expresión de la densidad del lubricante medida con un hidrómetro, y tiene una relación inversa con la gravedad específica.
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LAS GRASAS Las grasas están compuestas por un aceite base, al cual se le adiciona un espesante, que puede ser un jabón, una mezcla de jabones, un espesante metálico, algunos compuestos (complejos) u otras sustancias no jabonosas. Los jabones de uso más frecuente son los jabones de litio, de aluminio, de calcio, de bario, de sodio y más recientemente un compuesto a base sulfonato de calcio sobrecomplejo. De acuerdo con su composición, se obtienen resultados diferentes en el comportamiento de las grasas. Al final de este apartado se incluye una tabla en la que se muestran los diferentes tipos de grasas y sus características de comportamiento más sobresalientes. IMPORTANTE: No todas las grasas son compatibles entre si, por lo que debe tenerse cuidado de no poner a trabajar grasas que no sean compatibles ya que perderán todas sus capacidades de lubricación. La selección de una grasa como lubricante en lugar de un aceite, ha sido definida en forma clara en el reporte informativo J310a de la Sociedad de Ingenieros Automotrices de Estados Unidos, el cual dice: “Las grasas se prefieren en lugar de un fluido cuando se requiere que el lubricante se mantenga en su posición original en un mecanismo, especialmente en aquellos casos en que una relubricación frecuente pueda ser limitada o económicamente injustificable. Este requerimiento puede deberse a la configuración física del mecanismo, el tipo de movimiento, el tipo de sello o la necesidad de que el lubricante forme parte o toda la función de sellado para prevenir la pérdida del lubricante o la entrada de contaminantes externos. Debido a su naturaleza sólida, las grasas no pueden llevar a cabo las funciones de enfriamiento y limpieza que se asocian con los lubricantes líquidos. Salvo estas excepciones, se espera que las grasas cumplan con todas las funciones de lubricación de los lubricantes fluidos”. El comportamiento de la grasa, así como sus propiedades y su estructura están determinadas por los componentes que se usen en su fabricación, el rango de composición entre el aceite y el espesante, y los componentes suplementarios que se agreguen a la misma. Comúnmente se denomina el tipo de grasa dependiendo del tipo de espesante que se usa en su formulación, los cuales son llamados "base”, y generalmente pueden ser de tres tipos diferentes: Jabones simples: que son formulados a partir de una combinación de ácidos grasos (derivados de grasas animales o vegetales) y un metal activo. El metal es el componente que da nombre a la grasa. Jabones complejos: son formadas por la reacción conjunta de un metal activo con un ácido graso y un ácido no graso. Normalmente, la reacción con un ácido graso se conoce como un jabón, y con un ácido no graso se conoce como una sal. Los jabones complejos generalmente tienen como agente activo el bario, el aluminio, el litio, el calcio y el sodio. Las grasas de complejo de litio y de sodio no son consideradas químicamente como complejos en el sentido estricto, pero no obstante se clasifican como grasas. Algunas de las ventajas que ofrecen estos tipos de grasas son puntos de goteo más elevados y una mejora en su comportamiento general, comparadas con las grasas de jabones simples.
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No jabonosas: este tipo de componentes se dividen en dos tipos principales: Inorgánicas: en estas se usa un tipo de espesante de origen mineral, entre los cuales se encuentran la bentonita, el grafito, el carbón negro, un gel de silicio y otros tipos de óxidos metálicos. Algunas veces, dependiendo de la severidad de las condiciones de operación de la grasa, se adiciona como espesante el disulfuro de molibdeno. Una de las principales características de estas grasas es su excelente comportamiento en condiciones de temperaturas extremas. Orgánicas: este tipo de espesante son principalmente de naturaleza polimérica y se aplican en la formulación de grasas para aplicaciones especiales. Algunos de estos son la polyurea, polietileno, polipropileno, policarbohidratos y politetrafluoretileno (PTFE), que es uno de los materiales con el más bajo Índice de fricción que se conoce. Así mismo, los aceites que se usan en la formulación de las grasas les dan a estas otra serie de características. Entre los más importantes de estos aceites, podemos citar los siguientes: Aceites de petróleo para las grasas de uso general, en rangos de temperatura que van desde los -340 C a los 1490 C. Los aceites diestéricos se usan para operaciones hasta los -540 C. Los aceites de ésteres cubren un rango de temperaturas mayores que van desde los -730 C hasta los 1770 C. Los aceites de silicona soportan rangos de temperaturas más amplias, desde los -730 hasta los 2320 C, pero tienen la desventaja de que su capacidad para soportar cargas es muy limitada. Las bases de aceite de fluorosilicona, además de las capacidades de la anterior, tienen una capacidad de carga mucho mayor, además de una alta resistencia a la acción destructiva de los combustibles, disolventes y sustancias corrosivas. Son especiales para aplicaciones aeroespaciales, ya que tienen una volatilidad en el vacío sumamente baja, de hasta 10-7 torr. Las grasas de aceites perfluorados tienen una alta inercia química y son totalmente no inflamables. Poseen alta capacidad de carga y pueden usarse en temperaturas de hasta 1800ºC por periodos prolongados, lo que las hace especiales para plantas de procesos químicos y aeroespaciales, en los que la necesidad de una alta confiabilidad justifica su costo más elevado. En resumen podemos decir que una grasa es un aceite base más el espesante. Cuando se habla del espesante hablamos de un ácido graso y un metal activo, que el que da el nombre a la base de la grasa. Por ejemplo, una grasa a base de litio significa que el metal activo es el litio. Cuando se habla de una grasa con una base compleja, por ejemplo, complejo de litio, es que además de los componentes anteriores, se adiciona un ácido no graso. Los diferentes grados en que se clasifican las grasas son establecidos por la NLGI (Instituto Nacional de Grasas lubricantes de Estados Unidos), y para determinar el grado de textura de las grasas se ha establecido una medición de la penetración que presenta una grasa. Para determinarla se utiliza los procedimientos de la prueba ASTM 0-217, la cual incluye el uso
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de un aparato llamado "penetrómetro” y se mide en una escala graduada de cuántas décimas de milímetro penetra el cono en la grasa después de 60 batidas y a una temperatura de 77° F. Estas mediciones establecen rangos máximos y mínimos para determinar el grado de la grasa, según la siguiente tabla:
GRADO
PENETRACION 60 BATIDAS
NLGI
MÍNIMA
MÁXIMA
000
445
475
00
400
430
0
355
385
1
310
340
2
265
295
3
220
250
4
175
205
5
130
160
6
85
115
Para tener una idea de la consistencia de una grasa en condiciones de operación, se considera importante tener los datos del resultado de la prueba de penetración a 60 batidas y a 10 000 batidas, a una temperatura de 77° F, de manera que se pueda obtener la tasa de variación, la cual debe ser lo menor posible. Para efectuar las batidas de la grasa, se utilizan equipos especiales.
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FORMAS DE LUBRICACION Con el advenimiento de las nuevas máquinas, los problemas que presentaban las necesidades de lubricación fueron variando de acuerdo con los nuevos equipos. Cada nueva máquina implicaba nuevas complicaciones para su mantenimiento adecuado, por lo que tanto los lubricantes como su forma de aplicarlo fueron variando, para satisfacer las nuevas necesidades. Actualmente se consideran cinco formas de lubricación básicas, cada una aplicada de acuerdo con los equipos, sus necesidades de protección y el tipo de lubricante que se utiliza. Son varios los factores que se toman en consideración para determinar el tipo de lubricación que ha de aplicarse. Un cojinete de deslizamiento o chumacera, el extremo de un eje o muñón que gira u oscila en el interior de un casquillo, un émbolo que se desliza dentro de un cilindro o los dientes de un engrane que embonan entre si, son ejemplos de movimientos tanto deslizantes como rodantes que requieren de un lubricante para reducir la fricción, el desgaste y el calentamiento. Para cada uno de estos elementos se nos presentan problemas diferentes, y la forma en que deben lubricarse también son diferentes. Vamos a hacer un breve análisis de las cinco formas diferentes de lubricación que se tienen definidas en la industria actualmente.
Lubricacion Hidrodinámica En este tipo de lubricación las superficies que soportan la carga están separadas por una capa de lubricante relativamente gruesa, de manera que se impide el contacto directo metal a metal. No se requiere meter el lubricante a presión (aunque algunas veces puede darse), ya que el movimiento mismo de las partes fuerza al lubricante a entrar en el área de contacto. Se requiere un suministro constante de lubricante, el cual es arrastrado en forma cuneiforme o cuña al área de contacto. La velocidad es un factor importante, ya que es el mismo movimiento el que se encarga de introducir el lubricante para evitar el contacto entre las superficies. Generalmente se considera la forma de lubricación ideal, ya que da un bajo rozamiento y la mayor resistencia al desgaste. En este tipo de lubricación juegan un papel importante tanto la viscosidad del lubricante como su resistencia a los esfuerzos de corte y el acabado de las superficies en contacto. La lubricación hidrodinámica se fundamenta en tres factores que deben darse para que esta opere correctamente: 1- Un fluido viscoso debe separar las superficies lubricadas 2- Debe existir movimiento relativo entre las partes 3- La configuración geométrica de la película debe ser mayor a la entrada que a la salida, de manera que se forme una cuña convergente del lubricante. Es necesario que la película lubricante sea mayor que el tamaño máximo de las asperezas de la superficie, por lo que las propiedades físicas del lubricante determinan el
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comportamiento del contacto, de manera que la película sea insensible incluso a la acción química en capas superficiales de dimensiones moleculares. Debe recordarse que en algunos casos puede presentarse algún tipo de rozamiento al momento del arranque o la parada, debido a que si el lubricante que se usa no tiene la suficiente calidad, no entrará al área de contacto cuando la velocidad no sea la suficiente para generar la presión necesaria para hacer que el mismo entre en esta área. Son muchos los factores que intervienen en este tipo de lubricación, algunos muy importantes, que cuando están fuera de los requisitos para que la lubricación sea efectiva, causando problemas que la mayoría de las veces no son detectados, por lo que nos dedicamos a “solucionar” síntomas, sin llegar al verdadero problema. Es posible, por ejemplo, que una elevación en la relación de excentricidad de una muñonera (debida a un desgaste excesivo) cause que la grasa se salga del elemento, y normalmente se dice que el problema es la grasa.
Lubricacion Hidrostática Al contrario del caso anterior, este tipo de lubricación requiere que el lubricante (normalmente aire o agua), sea introducido en el área de contacto con la suficiente presión para separar las superficies en contacto. Esta lubricación se usa cuando los cojinetes tienen velocidades nulas o muy bajas y la resistencia friccional debe reducirse al mínimo. Este tipo de lubricación es utilizada en los casos en que la velocidad es muy baja o las cargas son muy elevadas, y su principal diferencia con la lubricación hidrodinámica es que el lubricante es introducido al área de contacto a presión, desde el exterior. En este sistema la capacidad de carga es independiente del movimiento o de la viscosidad, y la carga máxima que pueda soportarse dependerá más de la capacidad del flujo o la fuerza que lo impulse al punto de contacto. Algunas de las aplicaciones de este tipo de lubricación la encontramos en las chumaceras hidrostáticas utilizadas en equipos de laminado, máquinas-herramientas, telescopios, grandes antenas para radar y equipos similares, que tienen altas cargas, movimientos muy bajos y que operan con una fuerza impulsora mínima.
Lubricacion Elastohidrodinamica Esta una forma especial de la lubricación hidrodinámica, en la que la deformación elástica de las superficies que entran en contacto debe tomarse en cuenta. Se aplica principalmente a superficies que tiene contacto rodante, como sistemas de engranes y cojinetes de rodamiento, que tienen baja conformidad y las cargas son normalmente altas. Otros métodos de lubricación con aceite pueden ser por goteo, por nebulización o por aire con aceite. En estos sistemas se requiere de equipos especializados, de manera que el lubricante llegue al rodamiento en la cantidad necesaria. La inyección de aceite se utiliza cuando se requiere estar renovando el lubricante constantemente debido a las elevadas temperaturas. La elección de cada método dependerá de todos los factores que pueden
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incidir en una lubricación adecuada. Cada método tiene sus propias ventajas y desventajas, tales como los costos y la facilidad de instalación en los equipos. Los aceites que se utilizan para la lubricación de rodamientos pueden ser de varios tipos, entre los que se prefieren los aceites minerales puros, aunque pueden utilizarse aceites sintéticos, ésteres, glicoles polialquilénicos, polialfaolefinas, aceites a base de siliconas, combinaciones de cloro-flúor y algunos líquidos hidráulicos especiales. El factor de elección más importante es la viscosidad del aceite. Esto se debe a que la viscosidad es afectada en forma directa por la temperatura, por lo que los aceites con alto Índice de viscosidad son mejores. Los aceites minerales son estables hasta aproximadamente los 150 a 1800ºC. Las temperaturas altas van generando partículas contaminantes que se van depositando y generan efectos adversos en la lubricación. Una de las desventajas de estos aceites es que son muy vulnerables a la presencia de agua, lo cual puede causar danos por corrosión. Los ésteres pueden ser ésteres o diésteres y tienen la ventaja de ser térmicamente más estables, poseen una mejor correlación velocidad-temperatura, lo que los hace ideales para situaciones de altas velocidades con altas temperaturas. Por lo general pueden ser mezclados con los aceites minerales. Los que contienen aditivos básicos tienen la desventaja de que se descomponen con la presencia de agua. Los glicoles polialquilénicos tienen un buen comportamiento a bajas temperaturas y una relación velocidad-temperatura buena, por lo que pueden operar en rangos de temperatura más amplios (entre -50 a +2000ºC). Gracias a su capacidad para proteger contra la corrosión, los intervalos de cambio pueden ser de hasta cinco veces los usados con aceites minerales. Una de sus desventajas es que no son solubles en agua y su capacidad para separarse es muy mala y nos son miscibles con aceites minerales. Debe tenerse cuidado con las jaulas de aluminio, las cuales son atacadas por estos aceites, así como algunas de las lacas que protegen a los soportes. Las polialfaolefinas (PAO) son combinaciones de hidrocarburos fabricados sintéticamente. Pueden ser aplicadas en una amplia gama de temperaturas. Por sus capacidades de protección contra la corrosión, que les permite una operación mucho más prolongada, se prefieren a los aceites minerales. Poseen una buena correlación velocidad-temperatura y pueden mezclarse en cualquier proporción con los aceites minerales. Debido a la deformación que sufre el metal, las superficies de contacto se hacen mayores, lo que da una mayor capacidad de carga que puede ser predicha por la teoría elastohidrodinámica. Esta lubricación requiere superficies muy bien pulidas, para prevenir el contacto de las asperezas. El módulo de elasticidad de los materiales ha dado dos clasificaciones a esta lubricación, por lo que se dividido en dos, la lubricación elastohidrodinámica dura (LEH DURA) y lubricación elastohidrodinámica suave, dependiendo del módulo de elasticidad de los materiales.
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LEH DURA Está directamente relacionada con aquellos materiales que poseen un alto módulo de elasticidad, como los metales. Se consideran importantes la deformación elástica y los efectos de la presión-viscosidad. En este tipo de lubricación se incluyen los engranajes y las chumaceras con o sin cojinetes. LEH BLANDA Se relaciona con materiales que tienen bajo módulo de elasticidad, como el caucho. En estos materiales las distorsiones elásticas son muy grandes, aún con cargas muy bajas. Adicionalmente, en este tipo de materiales el efecto de las presiones es relativamente bajo sobre la viscosidad del fluido lubricante. Este tipo de lubricación es importante en aplicaciones de ingeniería y fisiológicas, como sellos, articulaciones humanas, neumáticos de automóvil y varios elementos de máquinas que se fabrican con materiales elastoméricos lubricados. El desarrollo de la lubricación elastohidrodinámica es uno de los principales desarrollos de la tribología en el presente siglo. Esto ayudó no solo a explicar mejor el comportamiento de una lubricación efectiva, sino que permitió una comprensión mejor de los diferentes tipos de lubricación. No es el objetivo de este trabajo entrar en los detalles técnicos, pero es importante mencionar que en este tipo de lubricación entran en consideración las diferentes formas de contactos que se dan entre los componentes de las máquinas (conformantes y no conformantes), así como muchas otras variables, tal como el grosor mínimo de película requerida en cada aplicación, que pueden ser consultadas en libros de ingeniería apropiados.
Lubricacion de capa limite En algunas ocasiones se da una elevación de la presión, de la temperatura, de la velocidad o una disminución en la viscosidad del lubricante que hace que la película lubricante sea de solamente algunas moléculas de grosor que puede llegar a permitir un contacto entre las partes altas (picos) de las superficies, que se aproxima a la fricción en seco entre las partes, que puede llegar a causar desgaste. En estos casos al lubricante se le adicionan aditivos especiales, á base de compuestos orgánicos formados por largas cadenas de moléculas con un grupo final activo, que generalmente puede ser un alcohol, una amina o un ácido graso. Cuando estos componentes encuentran una superficie metálica u otra superficie sólida, este grupo se adhiere al sólido y forma una película sumamente resistente que evita el contacto metal a metal. La formación de estas películas lubricantes pueden darse por tres medios diferentes, en los cuales la energía de ligación de las moléculas de la película con la superficie determina el comportamiento de la película lubricante. Formas de lubricación
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Absorción física Esta forma de adsorción es rápida, reversible y no específica. No es la más efectiva, debido a que las energías de enlace son débiles. Puede ser monomolécular o de capas múltiples. No se da traspaso de electrones. La reducción del desgaste es más limitada que en otras formas. Absorción química Para lograr esta forma se agregan al lubricante componentes de origen vegetal y animal. Estos componentes tienen en sus terminales activos moléculas de ácidos grasos de cadena larga que tienen gran afinidad con los metales, y que se sitúan en forma perpendicular a la superficie, formando como una alfombra. Estos componentes forman un jabón metálico con muy baja resistencia al corte y que logran bajar los coeficientes de rozamiento. La temperatura es el factor que determinan la efectividad de esta película, ya que los jabones se descomponen a cierto nivel, por lo que deben escogerse aditivos que reaccionen con lo metales y soporten temperaturas altas. Los enlaces son más fuertes, y tienen lugar transferencias de electrones. Reacción química Presentan la mayor resistencia y se utiliza en condiciones más críticas. En ella se utilizan compuestos que soporten mayores temperaturas, como el cloro, azufre, fósforo y zinc, que se adicionan como aditivos de extrema presión. El azufre, por ejemplo, reacciona a temperaturas de alrededor de 100°C, para formar sulfuros con puntos de fusión superiores a los 1000ºC. Esta formación de película es irreversible, y puede darse en forma lenta o rápida, dependiendo de la reactividad, temperatura u otras condiciones.
Lubricacion de película sólida Cuando se dan temperaturas extremas, en las que los lubricantes ordinarios no pueden operar, se utilizan los lubricantes sólidos, como el grafito o el disulfuro de molibdeno. Estos componentes normalmente se ponen en un vehículo (grasa o aceite), que se disipa con la temperatura, liberando el lubricante sólido. En algunos casos, debe tenerse cuidado cuando los equipos que operan a altas temperatura se detienen por alguna razón (mantenimiento, falla, falta de energía, etc.), ya que algunos lubricantes sólidos deben eliminarse antes de poner el equipo en marcha, y debe reemplazarse con nuevo lubricante. Esto se debe a que algunos lubricantes sólidos pueden causar daño cuando se ponen a operar en baja temperatura. Algunos lubricantes utilizados en hornos u otros puntos en los que las temperaturas son realmente elevadas, se requiere que la aplicación del lubricante se efectúe a ciertas temperaturas (alrededor de los 1000ºC), de manera que el vehículo logre disiparse y el lubricante sólido se mantenga en la superficie. Si se aplican en frío, por lo general el lubricante se derrama o se cae de la superficie antes de que esta llegue a la temperatura adecuada.
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LUBRICACION AUTOMOTRIZ El mayor porcentaje del aceite que se vende en el mundo es utilizado en la industria automotriz. No obstante, a pesar de que cuando tenemos un auto queremos darle el mejor cuidado, normalmente no sabemos cual es la mejor forma de proteger sus partes. La selección del aceite del motor es uno de los puntos vitales para que este nos dé el máximo de rendimiento por muchos años. Así mismo, la lubricación de otros componentes, tales como la transmisión, dirección hidráulica, ejes y otros componentes es importante. Vamos a analizar la lubricación del equipo automotor, teniendo en cuenta las recomendaciones de los fabricantes y los lineamientos que nos dan las instituciones especializadas en este campo.
Motor La selección del aceite para el motor debe hacerse, en primer término, de acuerdo con la recomendación del fabricante. Todos los vehículos (autos, camiones, agrícola, etc.), tienen en su manual la indicación de la viscosidad del aceite que se requiere, dependiendo de los rangos de temperaturas en las que opere el equipo. Esta viscosidad se recomienda tomando en cuenta todos los factores de construcción del motor, tanto en los materiales usados como en las tolerancias permitidas. Todos los aceites tienen en su envase la indicación de la viscosidad SAE para ese aceite. El aceite en el motor debe cumplir con una serie de funciones, por lo que la calidad del mismo debe ser tal que no se presenten complicaciones en el funcionamiento del equipo. Algunas de estas funciones son las siguientes:
Facilitar el arranque en frío: sobre todo en condiciones climáticas adversas, el momento en que se pone en operación el motor es cuando sufre el mayor desgaste. Se estima que casi el 70% del desgaste del motor se da en este momento, por lo que el aceite debe tener la viscosidad necesaria para llegar a todas las partes móviles en el menor tiempo posible. Debido a esta situación, se prefiere el uso de los lubricantes multigrado, los cuales tienen una viscosidad menor a temperatura ambiente, incrementando su viscosidad conforme se eleva la temperatura.
Prevenir el desgaste: mediante una película lubricante que debe ser lo suficientemente fuerte para no romperse en los puntos en que la fricción seria critica, como lo son los bearings y el sector de los pistones. La película lubricante debe permanecer en estas partes para reducir al mínimo la fricción, evitando el desgaste de estos componentes.
Proteger contra la corrosión y el herrumbre: cuando los combustibles (gasolina o diesel) no se queman completamente, estos se escurren hacia el cárter, donde forman complejos químicos muy nocivos para el motor. Estos compuestos llegan a obstruir los ductos del lubricante y son responsables de la formación de muchos contaminantes, tales como el carbón y el barniz, que afectan directamente el funcionamiento del motor y su vida útil. La formación de agua como subproducto de la combustión es otro de los problemas que el aceite debe combatir. Esta agua causa la oxidación de las partes metálicas, por lo que el lubricante debe tener la capacidad para proteger al motor de este elemento.
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Mantener el motor limpio: como parte de sus funciones, el aceite debe "manejar" los contaminantes, para lo que se emplean los jabones y dispersantes. la formación de barro dentro del motor y otros depósitos debe ser eliminada, y para esto el aceite debe contar con la formulación necesaria para cumplir con esta función. Estos compuestos forman fracciones químicas complejas que reaccionan con el oxigeno, formando sustancias sumamente dañinas para el motor. Algunas veces sucede que cuando se pone un aceite de una mejor calidad, al limpiarse todas las áreas críticas las tolerancias se hacen más difíciles de manejar y comienza a quemarse el aceite.
Enfriar el motor: no todo el motor es enfriado por el agua. Muchas de sus partes, tales como el cigüeñal, el árbol de levas y otros deben ser enfriados por el aceite, por lo que este debe tener una buena conductividad térmica, a fin de transmitir el calor hacia el exterior del block. Es importante recordar que los metales que forman el motor tienen una temperatura límite que pueden soportar, por lo que el enfriamiento del mismo es de suma importancia. Todos sabemos lo que ocurre cuando un motor se sobrecalienta, y más aún cuando en estas condiciones el aceite no tiene la calidad suficiente para dar la protección adicional que se requiere.
Sellar: en el sector de los anillos, ya que estos no están completamente pegados a la superficie del cilindro (de ser así, el pistón no se movería). Visto con un microscopio, se puede observar el espacio que se encuentra entre el anillo y la pared del cilindro. El aceite debe sellar este espacio, de manera que los gases de la combustión y la compresión no se escapen hacia el cárter. La película lubricante en este sector llega a tener un grueso de algo así como 0.025 mm, por lo que el lubricante debe soportar la carga y proteger las paredes, a la vez que evitar el trasiego de la compresión y los gases fuera de la cámara de combustión.
Considerando estos factores: ¿cómo podemos escoger el mejor aceite para el motor? Gracias a dos institutos que hacen estos análisis por nosotros, la selección del aceite es más sencilla. En primer término, dijimos que la viscosidad debe seleccionarse de acuerdo con lo que recomienda el fabricante del motor, y ya sabemos que las viscosidades de los aceites para motor nos la da la Asociación de Ingenieros Automotrices (SAE). Pero, ¿cómo sabemos cuál es el aceite de mejor calidad? Para esta pregunta la respuesta nos la da el Instituto Americano de! Petróleo (API), el cual en conjunto con la Asociación de Fabricantes de Automóviles de Japón (JAMA) y la Asociación de Fabricantes de Motores (EMA) realizan las pruebas necesarias para certificar la calidad de los aceites lubricantes. Efectivamente, todos los envases de lubricantes para motor tienen en su anverso una "dona" conocida como la "dona API". En la ilustración de la siguiente página vemos esta dona tal como aparece en cualquier aceite de calidad.
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En la parte superior se nos indica la calidad del aceite. Esta calidad está dada por un código formado por letras y número, como por ejemplo CG-4, CF-4/SH. Esto quiere decir que el aceite tiene la especificación más alta para motores diesel, una clasificación SH para gasolina. Cuando se inicio el mercadeo de autos, los fabricantes de lubricantes no tenían forma de certificar la calidad de sus lubricantes, comparados unos con otros, así que el API se dio a la tarea de clasificar la calidad de los aceites mediante pruebas de laboratorio, llamadas "secuencias". Los aceites que pasaban estas pruebas reciben una especificación de calidad, la cual se compone de las letras "S" para gasolina (de "spark", que es la palabra para indicar la "chispa" de la candela para la ignición), y la letra "C" (de la palabra "compression" para el diesel), aún cuando la API ha considerado esto una mera coincidencia. A cada lubricante se le asigna el código de calidad, el cual se muestra completo para la gasolina y el diesel en las tablas, que aparecen al final de este apartado, las cuales fueron tomadas de la publicación AP11509C. Aún cuando un motor tenga un año de fabricación viejo, lo recomendable es usar siempre el aceite con la más alta calificación de calidad, ya que de una calificación a otra, la protección general del motor se incrementa considerablemente. En el centro de la dona aparece la especificación del grado de viscosidad SAE para ese aceite y en la parte inferior se indica si el aceite está clasificado como un economizador de energía. El uso de aceites con esta clasificación en una forma amplia en un país significa que se puede obtener un ahorro de combustible en forma general (como un todo), pero no significa que un usuario en particular pueda notar un verdadero ahorro de combustible, ya que este puede variar dependiendo de diversos factores, tales como el estado del motor, las condiciones de operación, los componentes del motor y el mantenimiento que se le de al mismo, así como el aceite usado previamente. Esta designación solamente se aplica a aceites para automóviles de pasajeros y vehículos livianos. En términos generales, una designación Energy Conserving I implica alrededor de un 3% de ahorro de combustible y la clasificación II un 7% de ahorro. No existe una norma para definir la regularidad de los cambios de aceite del motor. En este punto existen muchas opiniones, algunas encontradas a veces, pero en la realidad, la única forma de determinar si los cambios se están haciendo con la regularidad apropiada es mediante un análisis de laboratorio del aceite en cuestión. En lo personal, esta es mi recomendación, dado que el paquete de aditivos no es exactamente igual de un aceite a otro, las condiciones de operación son diferentes, las prácticas de manejo ni las distancias recorridas en un intervalo de tiempo dado son iguales. Como norma, un aceite de un motor que recorre cortas distancias con paradas y arranques, debe cambiarse antes que uno usado en un motor que recorre largas distancias. Así mismo, las condiciones ambientales deben considerarse lo mismo que la calidad del combustible usado. En algunos casos, como en los motores diesel, existen aditivos que se "gastan" más rápido, y que son vitales para la protección del motor, como lo es el TBN (Total Base Number) y que al igual que otros aditivos de los aceites para motor merecen un poco de atención adicional.
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CLASIFICACIÓN API PARA ACEITES DE MOTORES A GASOLINA 4T Clasificación A.P.I. SA
Descripción API de Uso del Motor Originalmente usado para motores diesel y gasolina SB Requerimientos mínimos para Antioxidante motores a gasolina SC Garantía en el servicio de mantenimiento para motores a gasolina (1964) SD Garantía en el servicio de mantenimiento para motores a gasolina (1968) SE Garantía en el servicio de mantenimiento para motores a gasolina (1972) SF Garantía en el servicio de mantenimiento para motores a gasolina (1980) SG Garantía en el servicio de mantenimiento para motores a gasolina (1989) Garantía en el servicio de SH mantenimiento para motores a SI gasolina (1992) SJ (1997) Fuente : Esso 1994
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Descripción ASTM Aceite sin aditivo Provee alguna capacidad antidesgaste Aceites que cumplen los requerimientos de los fabricantes (1964-1967) Requerimientos de los fabricantes de los automotores (1968-1971) Requerimientos de los fabricantes de los automotores (1972-1980) Requerimientos de los fabricantes de los automotores (1980-1989) Requerimientos de los fabricantes de los automotores 1989 en adelante Requerimientos de los fabricantes de los automotores 1992 en adelante
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CLASIFICACIÓN API PARA ACEITES DE MOTORES DIESEL Clasificación A.P.I. CA
Tipo de Servicio
Características del Aceite
Para motores Diesel de Aceites que satisfacen la especificación trabajo liviano, aspiración militar Mil - L 2104 A. Protección: Corrosión, formación depósitos natural en motores con combustibles de alta calidad CB Para motores Diesel de Satisfacen la especificación militar Mil - L Antioxidante trabajo liviano a moderado 2104 A Protección: Desgaste, formación depósitos en motores con combustibles de inferior calidad (alto contenido de azufre) CC Para motores Diesel de Aceites que satisfacen la especificación trabajo moderado a severo y militar Mil - L 2104 B o Mil - 46152. algunos motores a gasolina de Protección: evita depósitos a altas temperaturas, herrumbre o corrosión. servicio severo. Aspiración natural o turbo- Corrosión y depósitos a bajas temperaturas en motores a gasolina alimentados CD Para motores Diesel de Aceites que satisfacen la especificación militar Mil - L 45199B o Mil - L 2104 D. trabajo severo. Aspiración natural o turbo- Protección: desgaste, formación depósitos en motores con combustibles de diversas alimentados calidades y corrosión CE Máquina pesada que trabaja Aceites que satisfacen la especificación militar Mil - L 2104 D. en condiciones críticas. Protección: Formación depósitos a altas y Aspiración natural o turbo. Máquinas fabricadas a partir bajas temperaturas, desgaste, oxidación y corrosión. de 1983 CF - 4 Motores sobrecargados a altas Aceite tipo multígrado 15w40. Controla cargas mejor los depósitos y el consumo de aceite. CG - 4 Trabajo pesado Aceite multígrado. Protección : desgaste, herrumbre, mayor TBN. Fuente : Esso 1994 Aditivos para aceites para motor El combustible diesel lleva implícito un componente que es dañino para el motor: el sulfuro, que se presenta en forma de cenizas sulfatadas y que como residuos de la combustión atacan las paredes del. cilindro y los pistones, además de otros factores que aceleran la formación de ácidos, como lo son ciertos aditivos. El TBN es la medida de la cantidad de hidróxido de potasio (KOH), medida en miligramos, que se requiere para neutralizar la acidez de una muestra de aceite y que se adiciona al aceite. Este funciona como un neutralizador del sulfuro y por tanto es importante que su contenido en el aceite se mantenga a cierto nivel. Se considera aceptable un TBN de entre 7 y 10. En algunos casos,
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como los motores que queman búnker mezclado con diesel, el TBN debe tener niveles de hasta 100 o más. La determinación del TBN se lleva a cabo por medio de las pruebas ASTM 0-664 o 0-974. Dispersantes Como resultado de una combustión inadecuada, de la degradación del mismo aceite o la acción de especies activas (tal como los ácidos) contra las superficies metálicas, o la descomposición de algunos otros aditivos, como los de extrema presión, el aceite de va llenando de contaminantes insolubles en aceite, los cuales son mantenidos en suspensión por los dispersantes, hasta que el aceite se drene o estos contaminantes se queden en el filtro. Esto evita que se formen depósitos indeseables en el motor, que se formen partículas abrasivas, se altere la viscosidad del aceite o causen daños más severos en el motor. Detergentes Trabajando en conjunto con los dispersantes, los detergentes juegan un papel muy importante en el funcionamiento del lubricante del motor. Algunos de los beneficios que se logran con el uso de los detergentes es la suspensión de los productos de la oxidación y partículas de lodo; neutralizan los ácidos de la combustión y la oxidación; ayudan a controlar la corrosión, la formación de herrumbre y evitan su formación dentro del motor. Los detergentes más usados están compuestos de calcio, magnesio y algunas veces de sales de sodio de ácidos orgánicos. Inhibidores de oxidación Como ya hemos mencionado, todos los productos hydrocarbonados están propensos a la oxidación, ya sean estos combustibles o lubricantes. Todos los componentes del aceite (el aceite base, los aditivos y lo modificadores de viscosidad) pueden oxidarse. El ataque del oxigeno en los aceites da como resultado la formación de hidroperóxidos, así como radicales oxi y peroxi, incrementándose su formación con la temperatura. Si estos procesos no se detienen, pueden llegar a causar serios danos al lubricante y ser responsables de fallas fatales en el motor. La forma en que operan estos aditivos es actuando como desactivadores metálicos, descomponedores de los hidroperóxidos o como "predadores" de los radicales. Algunos de estos aditivos son neutralizadores de ácidos, los cuales hacen inicuos los agentes químicos activos que promueven la corrosión. Demulsificadores Algunos lubricantes tienden a formar emulsiones en la presencia de agua. Para evitar esto se agregan al aceite aditivos que evitan esta situación. Estos aditivos están formados de mitades hidrofílica y mitad hidrofóbica, y operan básicamente formando una interfase entre el agua y el aceite, creando una zona de baja viscosidad, permitiendo la formación de gotitas que son separadas por medio de la gravedad.
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Modificadores de friccion y Refrozadores de la pelicula lubricante Se espera que el aceite base forme la película lubricante para evitar el contacto de las superficies en movimiento, pero bajo ciertas condiciones de temperatura y otros factores, el aceite falla en la formación de esta película. Para esto se añaden al aceite agentes que ayudan a formar esta película, tales como los modificadores de fricción, agentes antidesgaste y agentes de extrema presión (EP). Los primeros tienen un grupo polar que actúa físicamente, y algunas veces por adsorción química, sobre las superficies, al asociarse con la parte no polar del lubricante, lo que da por resultado una película mucho más tenaz de lubricante. Por su parte, los agentes antidesgaste y los EP actúan químicamente formando películas más durables. Los modificadores de fricción se usan corrientemente en aceites para motor de gasolina, fluidos para transmisiones automáticas, fluidos para sistemas hidráulicos de equipo agrícola y aceite usado en compensadores. Estos aditivos incluyen moléculas lineales de hidrocarbonos, compuestos de molibdeno y algunas veces grafito. La mayoría de los aditivos EP están formados por cloro, azufre, fósforo y boro o combinaciones de ellos. Estos agentes requieren alta temperatura para activarse, al contrario de los modificadores de fricción. Otros reforzadores de la película lubricante son los inhibidores de la corrosión y el herrumbre. Estos forman una película protectora que protegen las superficies del ataque químico o electroquímico. Recuerde que todos los metales, excepto los metales nobles, se corroen. Algunos se corroen de forma electroquímica (por medio de electrolitos, tales como sales), mientras que otros lo hacen químicamente por el ataque de agentes activos, los cuales son producto de la combustión, aditivos presentes en el lubricante que contengan sulfuro y el lubricante mismo. Inhibidores de espuma La formación de espuma se debe a la presencia de gases en el lubricante, y debe ser controlada, ya que afecta considerablemente la efectividad de la lubricación, además de que causa la oxidación y degradación del lubricante. A mayor viscosidad del aceite, la espuma es más estable, y está en relación directa con la tensión superficial del aceite que facilita la separación de las burbujas de la fase del aceite. Comúnmente se utilizan se utilizan silicones y polyacrilatos, los cuales son efectivos cuando la espumación se mantiene en niveles inferiores a 150 ppm. Aditivos polimétricos Los materiales con estructura polimérica son la base para la fabricación de los aceites de alto rendimiento, los cuales pueden usarse para el aceite base (aceites sintéticos) o bien como mejoradores del aceite mineral. Algunos de estos productos aditivos poliméricos son principalmente dispersantes, modificadores de viscosidad, depresores del punto de fluidez, desmulsificadores e inhibidores de espuma. Estos polímeros son los que han permitido la fabricación de los aceites multigrados, debido a su capacidad para mantener la viscosidad a altas temperaturas. Para estos se han creado
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compuesto que son mitad dispersantes y mitad modificadores de viscosidad, dando una doble función. A baja temperatura, estos compuestos ocupan poco espacio, pero al elevarse la temperatura su tamaño se agranda, por lo que elevan la resistencia al flujo (viscosidad). Comercialmente, los polímeros que usan son de dos clases: los polímeros a base de olefinas y lo polímeros a base de ésteres. Los primeros incluyen polímeros de poluisobutileno y copolímeros olefínicos, entre otros. Los segundos son a base de polymetacrilatos y polímeros de estireno. Estos modificadores de viscosidad tienen su mayor aplicación en aceites multigrados para motor y sistemas de engranajes, fluidos para transmisiones, fluidos para servotransmisiones y algunos fluidos hidráulicos. Además de esto, ofrecen otras ventajas muy importantes, tales como su resistencia al corte, estabilidad térmica y alta resistencia a la corrosión, así como estabilidad mecánica ante los esfuerzos.
Transmisiones Las transmisiones automotrices están formadas por varios elementos que complementan la transmisión de la fuerza hasta la ruedas de tracción. Actualmente tenemos vehículos con transmisión automática, tracción delantera y tracción en las cuatro ruedas, además de los equipos de servicio pesado, como son los camiones y el equipo agrícola y de construcción, que tienen algunas características especiales. Al igual que con los aceites de motor, los aceites que pongamos en un sistema de transmisión automotriz deben cumplir una serie de funciones, además de lubricar, las cuales son vitales para que el equipo pueda operar por largo tiempo sin requerir mantenimiento.
Minimizar la fricción y el desgaste de los componentes, para lo cual una película de lubricante debe mantenerse entre las superficies para evitar el contacto metal-metal cuando se tienen altas cargas y fuertes torsiones entre los dientes de los engranajes. Los engrane hipoidales de los diferenciales son especialmente difíciles de lubricar, ya que se da un acción de desplazamiento del lubricante cuando los dientes engranan, por lo que el aceite debe mantener la película a pesar de estas presiones.
El enfriamiento de los componentes es muy importante, ya que el calor generado por la fricción puede elevarse, llegando a dañar los engranes por sobrecalentamiento del metal. El aceite debe tener capacidad para transferir el calor hacia la carcaza, donde el aire exterior debe enfriar el sistema.
El aceite no debe ser corrosivo para el bronce, a la vez que debe proteger todas las superficies contra la corrosión y la oxidación. Una situación especial se presenta cuando hay presencia de agua en el sistema, ya que se da una oxidación más elevada y el aceite llega a perder su viscosidad debido a la emulsión con agua.
La protección del embrague húmedo es otro factor importante, ya que estos se "cristalizan" y patinan perdiendo su función si el aceite se degrada debido a las temperaturas. Por tanto, el aceite y sus aditivos deben ser térmicamente estables. Los sellos también pueden perder su capacidad elastomérica por la temperatura, produciendo fugas de aceite del sistema.
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Los aceites para transmisiones manuales y sistemas de ejes tienen una clasificación de viscosidad, dada por la SAE en su reporte J306. En la tabla siguiente se detallan estos grados. Los aceites deben tener la suficiente viscosidad para fluir libremente por los ejes cuando está frío, pero debe mantener la adherencia y viscosidad necesaria cuando sube la temperatura. CLASIFICACIÓN SAE PARA ACEITES DE TRANSMISIONES MECÁNICAS (Engranajes) (Monógrado) Grado SAE
70 W 75 W 80 W 85 W 90 W 140 250
Viscosidad a 100°C cSt Min Max 4,1 4,1 7,0 11,0 13,5 24,0 24,0 41,0 41,0 60,0
CLASIFICACIÓN SAE PARA ACEITES DE TRANSMISIONES MECÁNICAS (Engranajes) (Multígrado) Grado SAE
Viscosidad a 100°C cSt Min Max 14.0 15.0 16.5 17.3 34.1 26.0
80 W 90 85 W 90 85 W 150
Para transmisiones automotrices se tienen también los aceites multigrados, siendo los más comunes el 70W90, el 75W90 y el 85W140. Estos deben usarse cuando sean recomendados por el fabricante del equipo. En todos los casos, siempre debe seguirse la recomendación del fabricante, tomando en cuenta los niveles de temperatura en que se opera. Para estos aceites también tenemos una tabla de clasificación en la que se indica la calidad del mismo, aunque es mejor decir en este caso que se establecen los tipos de servicios para los cuales está designada cada categoría. Esta clasificación está designada por las letras GL (Gear Lubricant) y un número, que indica el nivel de uso del aceite. Cada aceite es formulado para una aplicación en particular, y de esto depende la cantidad y calidad de aditivos que se ponen en el aceite, a excepción del GL-1, que no contiene ningún aditivo. Estos aditivos son los que le dan las características particulares de desempeño a cada aceite.
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Además de las pruebas que realiza la API, algunos fabricantes de equipos tienen sus propias secuencias para probar los aceites, y los fabricantes de lubricantes someten sus aceites a estas pruebas, a fin de lograr la aprobación de uso. Algunas de estas son las de Mack, que contemplan una serie de secuencias dependiendo del tipo de servicio que se requiere.
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CLASIFICACIÓN API PARA ACEITES DE TRANSMISIONES MECÁNICAS (Engranajes) Clasificación Tipo de Engranajes A.P.I. GL -1 Cónicos Helicoidales Sin fín Corona GL - 2 Cónicos Helicoidales Sin fín Corona GL - 3 Corona
GL - 4
Todos los tipos de engranajes, en particular los hipoidales GL - 5 Todos los tipos de engranajes, en particular los hipoidales GL - 6 Todos los tipos de engranajes Fuente : Esso 1994
Condiciones de Operación Características del Aceite No contiene EP ni Carga liviana, presión baja modificadores de fricción y deslizamiento Protección : herrumbre, Carga muy liviana. Baja oxidación, espumas. Depresor del punto de presión fluidez Moderadas condiciones de Bajo EP deslizamiento, carga y velocidad Severas condiciones de Medio EP deslizamiento, velocidad y carga. Mil - L 2105 Alto EP Condiciones severas de presión, choque y deslizamiento. Mil - L 2105 B Condiciones severas de Alto EP. Con choque y deslizamiento modificadores de fricción
Transmisiones automaticas Al contrario de lo que normalmente creemos, las transmisiones automáticas no operan con aceite, sino con un fluido especial, conocido normalmente como ATF (Automatic Transmisson Fluid). Este es uno de los lubricantes más complejos en la industria de los lubricantes de petróleo. En el se incluyen alrededor de 15 componentes diferentes, los cuales están cuidadosamente balanceados para llenar los requerimientos específicos de este tipo de transmisiones. En términos de viscosidad, puede decirse que es un SAE 20. Entre sus componentes se incluyen algunos de los aditivos de los aceites para motor, junto con otros materiales que le dan gran estabilidad térmica y propiedades lubricantes y de control de la oxidación. Dadas sus capacidades excepcionales de operación a baja temperatura y antidesgaste, algunas veces se le usa en sistemas hidráulicos industriales y en compresores de aire. Los ATFs cumplen al menos cinco funciones básicas en la transmisión automática:
Transmisión de fuerza hidrodinámica en el convertidor de torsión.
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Transmisión de energía hidrostática en los circuitos lógicos de control hidráulico y en los servomecanismos.
Lubrica todo el sistema de bearings y los engranes.
Desplaza la energía friccionante en las bandas de transmisión y el embrague.
Controla la temperatura del sistema al transmitir el calor al sistema de enfriamiento, ya sea este de aire o de líquido.
Como siempre, debe seleccionarse el aceite adecuado según las recomendaciones del fabricante del vehículo, según las especificaciones del mismo. Como nota especial, el nivel del sistema de transmisión automática siempre debe revisarse con el motor en movimiento.
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LUBRICACION INDUSTRIAL Debido a la gran diversidad de elementos que entran en juego en la lubricación industrial, para efectos de lograr una mejor comprensión vamos a referirnos a cada equipo y elemento en particular. La información que se suministra sirve para tener un lineamiento general de las recomendaciones que se dan normalmente en este tipo de trabajo, pero la selección de un lubricante debe hacerse siempre tomando en cuenta todas las variables que entran en juego en esta selección, tales como velocidades, cargas, temperaturas, condiciones ambientales, materiales de fabricación del equipo y, por supuesto, las características del lubricante en cuestión. Siempre es importante dar un adecuado seguimiento a los aceites, sobre todo en aplicaciones de sistemas cerrados, tales como cajas reductoras, sistemas hidráulicos, compresores, etc. No basta con poner el lubricante, sino que es necesario determinar si este está cumpliendo con las finalidades que se esperan de él. Para esto es necesario establecer un sistema de seguimiento o monitoreo del lubricante, y la forma ideal de llevarlo a cabo es mediante los análisis de laboratorio adecuados. En el aparte final dedicado a los análisis de laboratorio damos detalles acerca de los análisis y sus resultados. Lubricacion de rodamientos Debido a que están presentes en la mayoría de los equipos, y que cumplen una función sumamente importante en la eliminación de la fricción, vamos a referirnos en forma especial a la lubricación de estos elementos, ya sean estos cojinetes de rodamiento o chumaceras. Estos soportan ejes en que la carga principal se transmite a través de elementos que están en contacto rodante y no deslizante, y es importante recordar que la fricción que se genera al inicio de la rodadura es igual a dos veces la fricción que se tiene en la marcha normal. Básicamente son cuatro los objetivos de la lubricación para los cojinetes:
Formar una película lubricante que impida el contacto metal-metal entre las superficies.
Ayudar a la distribución y disipación del calor generado.
Proteger las superficies contra la corrosión.
Formar un sello que impida la entrada de contaminantes externos.
A efectos de elegir un lubricante adecuado, la siguiente tabla es una guía básica para seleccionar entre una lubricación con aceite y una lubricación con grasa. Recuerde que deben considerarse muchos factores al seleccionar un lubricante, como lo veremos más adelante.
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SELECCIÓN DEL TIPO DE LUBRICACION PARA RODAMIENTOS USE GRASA CUANDO
USE ACEITE CUANDO
La temperatura no sea superior 100ºC.
Las velocidades sean altas
La velocidad es baja
Las temperaturas sean elevadas
Se requiera protección especial contra la entrada de contaminantes
Se puedan utilizar sellos fácilmente
Se tienen alojamientos sencillos
El tipo de cojinete no sea apropiado para lubricarlo con grasa
Es necesario operar largos periodos sin dar mantenimiento ni relubricar
La lubricación se hace por medio de un sistema centralizado
Más adelante analizaremos con más detalle cómo seleccionar el lubricante más adecuado. En primer término vamos a detallar los conceptos involucrados en la lubricación de chumaceras, y posteriormente lo relacionado con rodamientos. Vamos a entender por una chumacera un elemento en el cual un eje gira dentro de un componente que tiene un agujero, el cual está generalmente recubierto de algún material especialmente fabricado para soportar altas cargas y con un bajo índice de fricción. Sin entrar en los detalles matemáticos que regulan los cálculos para este tipo de lubricación, diremos que su desarrollo se remonta hasta el siglo pasado. En este proceso de lubricación intervienen todos los elementos de la lubricación hidrodinámica, y se inicia su estudio formal a principios de la década de 1.880. En Inglaterra se presentaron serios problemas de desgaste en las chumaceras de los vagones de ferrocarril, y se le encomendó al ingeniero Beauchamp Tower que investigara la mejor forma de lubricarlos. El desarrollo de la teoría fue el resultado de un análisis serio de lo que realmente ocurre dentro de la chumacera. Estas chumaceras tenían un diámetro de 4 pulgadas, una longitud de 6 pulgadas y el arco de recubrimiento era de 157°, lubricada por baño. Lo primero que hizo Tower fue perforar un orificio en la parte superior para introducir el aceite, pero al poner en movimiento el muñón, el aceite brotó por el orificio. Para tratar de mantener el aceite dentro del cojinete, puso un tapón de corcho, que fue expulsado por la presión del aceite; luego puso uno de madera con el mismo resultado, Entonces se dio cuenta de que algo pasaba dentro la muñonera. Entonces decidió poner un manómetro en el agujero, y el resultado de la medición fue de una presión dos veces mayor que la carga unitaria del cojinete. Luego realizó una serie de mediciones a todo lo largo y ancho de la muñonera, con lo que obtuvo una gráfica de la distribución de la presión en todos los puntos. Estos resultados, por ser sumamente regulares, demostraron que necesariamente existe una ley definida que relaciona la fricción, la presión y la velocidad. Toda la teoría de la lubricación hidrodinámica se rige por las reglas formuladas por Osborne Reynolds, quien la desarrolló siguiendo los resultados de Tower, y que fueron expuestos en su "Teoría de la Lubricación", publicado en 1.886.
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Todas las consideraciones relativas a estas teorías pueden ser consultadas en libros especializados en lubricación. Para el caso nuestro, basta con decir que debemos considerar las tres variables importantes que intervienen en esta lubricación al escoger un aceite o grasa para aplicar a una muñonera: la velocidad, la carga y la viscosidad. Estas se correlacionan con otras variables, tales como temperatura, humedad, contaminantes y consideraciones de diseño. Existen fórmulas y gráficas que permiten correlacionar las variables para obtener resultados exactos acerca de la viscosidad y temperaturas en que opera una chumacera. En algunos casos, la elevación de temperatura puede causar que la lubricación normal no permita que esta sea disipada en forma conveniente, por lo que se recurre a la lubricación por presión. En estos casos se introduce aceite fresco por un extremo opuesto al área de presión, el cual al circular provoca una disipación mayor de calor. Se utiliza una ranura circunferencial en el centro del cojinete. De esta forma se originan dos medios cojinetes, de manera que se obtienen dos medios cojinetes, con un espesor de película menor que el original. Este tipo de cojinete puede soportar mayores cargas sin sobrecalentamiento. Normalmente, este tipo de elementos se lubricación con una película muy delgada, de manera que se presenta una lubricación al límite. Por lo general, se presenta esta situación al iniciarse el movimiento o al momento de detenerse, cuando se da una elevación en la carga o disminución en la viscosidad del lubricante. Previendo estas situaciones, el desarrollo de los lubricantes se les adiciona aditivos que sean afines con el metal, de manera que su adherencia a las superficies impida el contacto metal-metal. Estos aditivos se conocen como de extrema presión (EP), y se combinan con ácidos grasos, tales como el esteárico, el palmítico o el aleico, lo cual da como resultado una película lubricante orgánica entre las superficies. Cuando se pueden prever estas condiciones, la elección de los metales necesarios para la fabricación del cojinete son importantes, ya que estos deben tener capacidad para soportar la carga y la temperatura. Algunos de estos son el bronce, ya sea fundido o poroso, el hierro poroso, fenólicos, varios tipos de teflón y otros. La lubricación de rodamientos formados por roles o balineras, ya sean estas de bolas, rodillos cilíndricos, cónicos o helicoidales, tambores, agujas o cualquier otro diseño, tiene sus propias particularidades. Aquí la selección del tipo de lubricante conlleva el análisis de otros elementos, tales como la facilidad para dar mantenimiento, la velocidad, la carga, la capacidad de! rodamiento para retener el lubricante y todas la consideraciones pertinentes para una correcta y prolongada operación del rodamiento. La operación de los cojinetes de rodamiento implica movimientos de rodadura y de deslizamiento, por lo que, dependiendo de la velocidad, su lubricación puede ser hidrodinámica o elastohidrodinámica, cuando se trata de contacto rodante puro. Aquí vamos a referirnos a la lubricación de rodamientos que no tienen placas de sellado, por lo que desde el momento de la instalación, deben ser lubricados manualmente. Esto debido a que los sellados ya vienen lubricados de fábrica, y por tanto la cantidad y calidad del lubricante depende directamente del diseñador. En las demás condiciones, depende del personal de mantenimiento determinar la cantidad y calidad de lubricante que debe usarse. y estos son los puntos que trataremos aquí.
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Lo primero que debe determinarse, es si el lubricante debe ser grasa o aceite. Anteriormente expusimos algunas consideraciones al respecto, las cuales pueden servir como guía general. Los fabricantes de rodamientos establecen tablas para la velocidad de operación cuando se lubrica con grasa o con aceite, y los mismos rodamientos tienen establecidas las velocidades máximas permisibles cuando se usa un lubricante u otro. Es importante tomar en cuenta estas recomendaciones al seleccionar el lubricante.
Lubricacion con grasa La lubricación con grasa puede hacerse en la mayoría de las aplicaciones. Esta tiene la ventaja de que es más fácil mantenerla en el lugar en que se requiere, sobre todo cuando se tienen ejes inclinados o verticales, además de que puede formar su propio sello para impedir la entrada de contaminantes ambientales. La cantidad de grasa que debe aplicarse puede ser determinada por varios métodos. Un exceso de grasa va a provocar un aumento indeseado en la temperatura, sobre todo a altas velocidades. En algunos casos se recomienda llenar de grasa solamente el rodamiento, mientras que el espacio libre del soporte solo debe llenarse parcialmente, no más allá del 50%. Si el rodamiento va a operar a bajas velocidades, puede llenarse el soporte con grasa, con lo que puede obtenerse una protección adicional contra la corrosión, además de que en aplicaciones con elevadas temperaturas se puede tener un depósito adicional de grasa, de manera que el rodamiento puede mantenerse mejor lubricado al entrar grasa fresca. Algunas de las variables que se deben considerar al seleccionar una grasa son su consistencia (grado NLGI), la viscosidad del aceite base, el rengo de temperatura que puede soportar, su capacidad de carga y la protección que pueda dar contra la corrosión. Cada fabricante de grasas debe dar esta información y garantizar los limites en que la grasa puede operar realmente. La viscosidad del aceite base va a influir en el comportamiento del lubricante a diferentes velocidades, para lo cual el fabricante de la grasa también puede indicar la velocidad máxima a que se recomienda en uso de una grasa determinada. El grado consistencia de la grasa no debe experimentar variaciones muy acusadas cuando está en operación, sobre todo cuando se presentan variaciones en la temperatura. La estabilidad mecánica de la grasa es importante, por lo que el grado de consistencia por si solo no garantiza que la grasa sea la adecuada para una aplicación en particular. Cuando el eje se encuentra en posición vertical, lo recomendable es usar una grasa en grado # 3, ya que es más fácil que se mantenga en su lugar. Algunas grasas, como las que contienen poliurea como espesante, tienen la particularidad de que pueden adaptarse mejor a las diferencias en velocidades, pero no pueden utilizarse en algunos casos en que al bajar la velocidad su consistencia sea demasiado fluida y se escape el rodamiento. En estos casos juega un papel importante el conocimiento de los resultados de las pruebas ASTM 0-217 acerca del comportamiento de la grasa en condiciones normales y después de un número elevado de batidas. Estos datos están disponibles en las hojas de especificaciones de cada producto, por lo que son de gran ayuda al seleccionar un lubricante. Los rangos de temperatura de operación dependen del aceite base, del espesante y de los aditivos que contenga la grasa. El aceite base es responsable directo del limite inferior de temperatura en que el rodamiento puede trabajar libremente, y el limite superior está directamente relacionado con el tipo de espesante y los aditivos. Es importante saber que en las especificaciones se da el punto de goteo de la grasa solamente indica la temperatura a la
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que la grasa pasa al estado semisólido, pero no necesariamente garantiza que su comportamiento como lubricante se mantenga a esa temperatura. El tiempo que está la grasa en operación y la temperatura a que este se encuentre inciden directamente en su capacidad para dar protección al rodamiento. Cuando el rodamiento debe soportar cargas elevadas, debe seleccionarse una grasa que contenga aditivos EP. Es importante que estos aditivos no contengan elementos que ataquen el acero de los rodamientos, ya que su efecto puede ser letal y causar fallas por desgaste corrosivo. Algunas grasas ofrecen además grandes capacidades de protección contra la corrosión. Estas grasas cuentan con aditivos protectores que inhiben la corrosión, además de que por lo general, el espesante tiene esa capacidad. Igualmente, la capacidad para soportar el lavado por agua es otra característica deseable en muchas aplicaciones. Esta característica es particular de algunos espesantes, tales como el litio y el calcio. Uno de los puntos en los que debe tenerse especial cuidado, es al intentar poner dos grasas diferentes. Antes de cambiar el lubricante, debemos estar seguros de que ambas grasas sean compatibles. En la tabla de compatibilidades que se incluye, se puede determinar cuando las grasas son compatibles, dado que una combinación de grasas no compatibles significa dejar el rodamiento sin ninguna protección. En los casos de duda, es preferible sacar el rodamiento y limpiarlo completamente antes de poner otra grasa. Así mismo, algunos rodamientos traen de fábrica agentes antioxidantes que no son compatibles con algunos tipos de grasas, por lo que debe considerarse esta situación al lubricar el rodamiento. Debido a muy diversos factores que afectan el comportamiento de las grasas, por lo general es necesario relubricar los rodamientos. Esto debe hacerse siempre en el momento en que la grasa aún conserva sus propiedades lubricantes. Estos periodos están afectados directamente por factores tales como velocidad, temperatura, condiciones ambientales, nivel de humedad y tamaño del rodamiento. Existen fórmulas especiales para hacer los cálculos necesarios para determinar el momento más indicado. Una vez que se ha seleccionado la grasa adecuada, el siguiente paso es la aplicación de la misma. En el primer engrase (o nuevos engrases completos) deben considerarse, en términos generales, los siguientes puntos:
El rodamiento debe llenarse de grasa, de manera que todas las superficies en contacto tengan la cantidad de grasa necesaria.
El espacio del alojamiento debe llenarse con grasa hasta un punto en el que la grasa que está dentro del rodamiento tenga suficiente espacio disponible, de manera que se evite una entrada exagerada de grasa en el giro.
Los rodamientos sometidos a altas velocidades solo deben llenarse en parte (de un 30 a un 40%), de manera que se facilite y agilice el reparto de la grasa en la primera puesta en marcha del rodamiento.
Para rodamientos que operan a bajas velocidades, éstos y sus soportes deben llenarse completamente de grasa.
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Cuando se requiere una lubricación de por vida debe ponerse retenedores para que la grasa se mantenga dentro del rodamiento y cerca de él. Esta grasa que queda fuera hace que conforme la grasa va trabajando se liberen cantidades adicionales de aceite que mantienen mejor lubricado el rodamiento. Un reengrase o cambio de la grasa se hace necesario cuando inciden factores adversos, tales como altas temperaturas, efectos de radiación, excesiva presencia de contaminantes, tanto en forma de partículas como el agua, o cuando el rodamiento esté expuesto a situaciones mecánico - dinámicas severas. Estos causan que la duración de la grasa sea mucho menor que la del rodamiento. Siempre debe relubricarse antes de que la grasa haya perdido sus cualidades. La forma de determinar estos servicios es mediante la práctica o por medio de ensayos de laboratorio. Estos periodos van a depender del tipo de rodamiento, la carga y la temperatura. En manuales especializados se ofrecen tablas y gráficos que ayudan a determinar estos periodos en forma más acertada, donde se ponderan todas las variables que afectan el comportamiento de la grasa. Un factor que afecta sensiblemente la estabilidad de la grasa son las vibraciones, ya que estas causan una separación mayor del aceite base y el espesante, por lo que el consumo de grasa será mayor bajo estas circunstancias. Una fórmula permite determinar (en forma bastante aproximada, pero siempre debe tenerse en cuenta el seguimiento que debe darse al equipo) la cantidad de grasa que debe suministrarse a un rodamiento, en la cual se considera el tamaño del rodamiento y la 'frecuencia de relubricación:
M=D B x Donde:
M es la cantidad de grasa en gramos D es el diámetro exterior del rodamiento en mm B es el ancho del rodamiento en mm X es un factor variable, de acuerdo con la siguiente tabla.
Periodo de reengrase Semanal Mensual Anual
x 0,002 0,003 0,004
Para los periodos de reengrase sumamente cortos, la fórmula para calcular la cantidad de grasa es:
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M = (0,20 a 20) * V Donde:
M es la cantidad de grasa en Kg. /h Ves el espacio libre del rodamiento, en m3 cuyo valor aproximado se puede calcular así: V= π B (D2 – d2) x 10-9 4
G (m3) 780
G = peso del rodamiento
Cuando un rodamiento ha estado fuera de servicio por varios anos, la cantidad de grasa requerida en gramos es dada por la siguiente fórmula: M = D * 8 *0,01 Los métodos de lubricación con grasa pueden ser desde manuales, con una bomba de mano, hasta sistemas centralizados complejos. Debe asegurarse de que la cantidad de grasa que se suministra sea siempre la adecuada. Para esto se puede pesar la cantidad de grasa que se pone en cada aplicación, de manera que se puede establecer exactamente el peso de cada aplicación.
Lubricacion con aceite La lubricación con aceite se prefiere cuando debido a las altas velocidades o altas temperaturas de funcionamiento no es posible la lubricación con grasa. También se emplea cuando es necesaria una mejor disipación del calor, ya sea generado por el rodamiento o por factores externos a este. Cuando el rodamiento está incluido en un sistema que es lubricado por aceite, como una caja reductora, entonces la lubricación del mismo se hará con el mismo aceite del sistema. En estos casos, en que el aceite cuente con aditivos de EP, debe tenerse cuidado que el mismo no contenga elementos corrosivos para el acero del rodamiento. Existen varias formas de lubricar con aceite. La lubricación por baño es la más corriente, en la cual el aceite es depositado dentro del rodamiento y el movimiento del mismo lleva el lubricante y lo distribuye por el interior del rodamiento, de donde vuelve a caer en el depósito. El nivel del aceite en estos casos debe ser a la mitad del elemento rodante que ocupe la posición más baja. En condiciones de temperaturas extremas, el uso de aceites de siliconas es el más recomendado, ya que son poco volátiles y térmicamente muy estables. Sus desventajas son que su capacidad para absorber cargas es muy limitada, así como sus propiedades contra el desgaste.
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Las combinaciones de cloro-fluor resisten muy bien la oxidación y el agua, además de que cuentan con un coeficiente de presión y viscosidad, así como una densidad mayores que los aceites minerales de su misma viscosidad. Dependiendo de los diferentes factores, se han diseñado tablas para la selección del tipo de aceite y viscosidad más recomendado para cada aplicación en particular. De la selección adecuada del lubricante va a depender la vida útil del rodamiento, por lo que debe ponerse especial cuidado en este punto. La frecuencia en que debe efectuarse el cambio de aceite va a depender de las circunstancias de operación y la cantidad de aceite que se tenga dentro del rodamiento. Por lo general, cuando se usa la lubricación por baño, las temperaturas no exceden los 50° C y los rangos de contaminación sean bajos, el cambio de aceite puede hacerse una vez al año. Si estas variables cambian, entonces también deberá cambiarse la frecuencia en que se sustituye el aceite. Por ejemplo, si la temperatura es de 100° C, entonces el cambio debe hacerse cada tres meses. En sistemas de lubricación por recirculación la frecuencia de cambios depende de su frecuencia de circulación y de si se cuenta con un sistema de refrigeración para el aceite. La forma más exacta de determinar un cambio de aceite, es mediante un análisis de laboratorio, que nos indicará, entre otras cosas, la condición real del lubricante.
Problemas de la lubricacion No solo una mala elección del lubricante puede causar danos en el rodamiento. La lubricación es la responsable de casi el 40% de los daños causados a los rodamientos, debido a diferentes factores. Una lubricación inadecuada en las zonas de contacto causará desgaste, surcos de resbalamiento, estrías y huellas de gripado. Pueden aparecer daños debidos a sobrecalentamiento, los cuales pueden deberse por igual a deficiente o excesiva cantidad de lubricante. Los principales danos debidos a la lubricación son causados principalmente por:
Uso de lubricante inadecuado para esa aplicación, tal como viscosidad errónea, falta de aditivos o no apropiados, corrosión causada por los mismos aditivos
Mala protección del lubricante en la zona de contacto.
Contaminación del lubricante con impurezas
Variación en las propiedades del lubricante, que pueden tener diversas causas.
Lubricación excesiva.
Para evitar estas situaciones, debe considerarse bien todos los aspectos relacionados con la cantidad y calidad del lubricante que deba utilizarse, en especial las consideraciones que hemos hecho respecto a la relación velocidad- temperatura y carga.
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Algunos otros factores que influyen en la lubricación son los siguientes: Suciedad del lubricante: es casi imposible mantener un sistema totalmente limpio, de manera que aún en los cálculos de duración de un rodamiento se toman en cuenta estas condiciones. Esta puede causar fallas prematuras o vida útil más corta. Todos los lubricantes tienen desde su fabricación algún grado de impurezas, por lo que en la práctica se han establecido normas que regulan los límites permisibles en este sentido. Las impurezas pueden penetrar también en el momento del montaje, debido a suciedad de la máquina. Sobra decir los cuidados que deben tenerse en este sentido. También deben evitarse las partes abiertas en el rodamiento o en su sistema de relubricación, por lo que la limpieza es un factor importante. La contaminación por partículas es importante, y su efecto negativo es directamente proporcional a tres factores:
Tipo y dureza de las partículas
Concentración en el lubricante
Tamaño de las partículas.
Partículas extrañas sólidas: estas causan desgaste y fatiga prematura, ya que son la causa del desgaste abrasivo y su aumento está directamente relacionado con la dureza de las partículas. Los daños son elevados aún con partículas pequeñas en altas concentraciones. La duración del rodamiento será inversamente proporcional al tamaño de las partículas y al tamaño del rodamiento. Por tanto, es importante tomar medidas tendientes a disminuir el nivel de suciedad en el aceite, extremando las medidas al momento del montaje, con sistemas de filtración y/o acortando los periodos de relubricación en el caso de las grasas. Para los filtros de aceite, deben tenerse en cuenta las siguientes consideraciones con respecto a las aberturas de la malla:
Para exigencias normales o aceites que contengan MoS2, la abertura debe ser de 60 µm
de 25 µm en caso de exigencias mayores
< 10 µm en exigencias muy elevadas, sobre todo en rodamientos pequeños y cuando el rodamiento tenga mayor rozamiento por deslizamiento, como en los rodillos cónicos.
Impurezas lquidas: de las cuales las principales son el agua y los líquidos agresivos, como los ácidos, las sosas y disoluciones. El agua puede estar presente en forma libre, en disolución o en dispersión. En el primer caso se puede reconocer por el cambio en la coloración del aceite, y su principal efecto es la corrosión del rodamiento, la cual es acentuada por la hidrólisis del azufre contenido en el
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lubricante. La presencia de agua en dispersión o en emulsión afecta en forma considerable las condiciones del lubricante, afectando incluso variaciones muy marcadas en la viscosidad. En la grasas, la presencia de agua causa un cambio en la estructura del lubricante, disminuyendo la duración a fatiga. La entrada de agua debe hacer que se varíe la frecuencia de relubricación en la misma proporción en que entra el agua. La presencia de líquidos agresivos originan grandes variaciones de las características físicoquímicas del lubricante, provocando que estos se deterioren más rápidamente. Es importante que se verifique con el fabricante del lubricante la forma en que se afecta el mismo cuando se deba convivir con situaciones de contaminación de este tipo. En todos los casos, se debe tener en cuenta que la elección del lubricante para rodamientos, los periodos de relubricación o cambios del lubricante son aspectos muy importantes, y ante las dudas, es preferible que consulte con un técnico en la materia que le brinde la asesoría necesaria para evitarse situaciones que resultan muy desagradables. Lubricacion de sistemas de engranajes Los sistemas de engranajes son uno de los elementos mecánicos más usados en la maquinaria. Son muy pocos los equipos mecánicos que no requieran de la transmisión de fuerza o movimiento entre ejes rotacionales. Los sistemas de engranajes realizan este trabajo en forma eficiente, uniforme y muy segura, cubriendo aplicaciones desde muy pequeñas hasta muy grandes. Algunos de los conceptos básicos que se manejan en la industria de fabricación y diseño de estos equipos, son los siguientes:
Los engranajes ofrecen una transmisión positiva de la fuerza. Los engranajes son diseñados desde medidas miniatura, que se mide en diámetros de algunos milímetros, hasta los poderosos engranes de turbinas que tienen hasta varios metros de diámetro. Los engranajes pueden transmitir la fuerza en forma segura en forma lineal o angular. Los engranajes pueden parear fuerza y movimiento entre ejes paralelos, que se intersectan o están sesgados. Los engranajes son diseñados y fabricados bajo normas estandarizadas, de manera que pueda tenerse un amplio rango de intercambiabilidad.
Son muchas las consideraciones de diseño que se involucran en la fabricación y aplicación de los engranajes. La American Gear Manufacturers Association (AGMA) es la institución que desde hace muchos años ha marcado las pautas en este sentido, con un enfoque orientado a que la industria logre estándares de calidad apropiados. No es la intención de este trabajo referirnos estos conceptos en particular, pero si incluiremos las recomendaciones de lubricación publicadas por la AGMA en su publicación ANSI/AGMA 9005-D94, donde se establecen las normas de lubricación de engranajes emanadas directamente de la asociación. Para efectos de establecer claramente los requerimientos de lubricación, vamos a separar los sistemas de engranajes industriales, ya sean estos cerrados o abiertos, ya que cada uno
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de ellos tiene sus particularidades. Lo relativo a engranajes automotrices está explicado en la lubricación automotriz. Dentro de los engranajes cerrados se incluyen una variedad de equipos, tales como reductores, convertidores de torsión, motorreductores, etc. Asimismo, los diseños de los engranes son de diferentes tipos, los cuales podemos clasificar de acuerdo a como se encuentran sus ejes, en las diferentes categorías, siendo las más comunes los engranes rectos, los helicoidales, los de tornillo sin fin y corona y los hipoidales. La transmisión de fuerza puede darse en forma paralela, en ángulo recto o con los ejes con desplazamiento. La forma de lubricación de los engranes es elastohidrodinámica, cuyos principios básicos son los de la lubricación hidrodinámica, conjugada con la deformación elástica de los materiales que entran en contacto. Esto trae consideraciones importantes sobre el comportamiento que se espera de un lubricante en estas condiciones, ya que se presentan fuerzas y presiones en diferentes sentidos, que pueden causar un deslizamiento del lubricante. Debido a esto, la selección del lubricante es de suma importancia, ya que una lubricación deficiente va a afectar directamente la vida útil de los engranes, de los roles incluidos en el sistema e incluso de la carcaza. La lubricación de los sistemas de engranajes puede hacerse con grasa o con aceite, siendo esta última la más común. Las grasas pueden utilizarse cuando las velocidades tangenciales sena bajas (de > 0 a 5 m/s), las temperaturas no sean elevadas, las cargas no sean elevadas y los periodos de relubricación puedan mantenerse en una frecuencia que permita renovar el lubricante con regularidad. Estas grasas deben tener una viscosidad baja (NLGI 00, O o 1 en la mayoría de los casos), con capacidades de extrema presión y resistentes a la humedad como características mínimas. Debe tenerse en cuenta que las grasas no tienen la misma capacidad de los aceites para la transferencia térmica, por lo que la disipación del calor generado dentro del engranaje será deficiente. Así mismo, los roles que se tengan deberán ser lubricados por aparte, teniendo en cuenta lo expuesto anteriormente para la lubricación de rodamientos. Algunas grasas tienen incorporada en su formulación varios tipos de lubricantes sólidos, tales como el grafito y el disulfuro de molibdeno. En la mayoría de lo casos, el espesante que se usa en estas grasas contribuye muy poco a la lubricación propiamente dicha, sino que su principal función es mantener los aditivos y el aceite base en los puntos que requieren la lubricación. Los aceites base de estas grasas deben coincidir con las recomendaciones que se dan para la lubricación con aceite. La cantidad de grasa debe permitir el movimiento suave de los engranes, sin llegar a saturar toda la cavidad, debido a que esto generará más fricción y temperatura, con lo que la grasa sufrirá una rápida degradación, con la consiguiente pérdida de potencia y un acelerado desgaste. Los aceites para engranajes son clasificados por los grados de viscosidad AGMA o ISO, como se muestra en la tabla de viscosidades presentada anteriormente. Para efectos de lubricación en diversas condiciones de construcción de los engranes, los aceites se clasifican con la designación de R&O, para referirse a aceites minerales puros, que contienen únicamente aditivos protectores de la corrosión del equipo y la oxidación del aceite. Estos aceites se deben usar en aquellos sistemas en que se tengan coronas y otros componentes bronce, dado que los aditivos EP de los aceites atacan estos metales.
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Actualmente se fabrican aceites con compuestos orgánicos que no afectan estos metales, por lo que deben preferirse debido a la protección adicional que brindan a las superficies de los engranes y demás componentes. Algunos aceites R&O son fórmulas compuestas, las cuales, además de las características del aceite R&O incluyen de un tres a un diez por ciento de grasa animal o compuestos sintéticos de grasa. Estos aceites deben cumplir con los requerimientos de estabilidad a la oxidación y demulsibilidad de los aceites R&O. Los lubricantes clasificados con la designación EP (extrema presión) incluyen en su formulación aditivos especiales, tales como el sulfuro de fósforo, cloro, zinc y otros compuestos que dan por resultado una película lubricante que protege contra las asperezas del metal. La tecnología moderna ha permitido el desarrollo de algunos lubricantes que operan químicamente en la superficie metálica, con penetración de componentes en el metal, de manera que la fricción causada por las asperezas es eliminada casi completamente. Los aceites sintéticos son desarrollados para operar en condiciones más severas, ya que tienen mayor capacidad para soportar cargas y la influencia de los contaminantes e impactos mejor que los aceites minerales. Son afectados en menor grado por los cambios de temperatura y una capacidad para soportar cargas mayor, incluida su mayor lubricidad. No obstante, siempre debe analizarse toda la serie de factores que influyen en la lubricación, incluido su costo mayor, para cada aplicación en particular. Estos aceites no deben considerarse los "cura todo", ya que cuando se tienen problemas con los engranes, no siempre son causados por la lubricación. Los daños mecánicos requieren correcciones mecánicas. Algunas de las ventajas de estos aceites es su compatibilidad con la mayoría de los componentes de los sistemas de engranajes con los cuales entran en contacto. Las bases de esos aceites son normalmente ésteres, poliglicoles e hidrocarbonos sintéticos. Los requerimientos establecidos por la AGMA para estos aceites son más estrictos que para los aceites minerales EP y los R&O. La selección de un aceite sintético debe estar amparada a un estudio técnico que justifique incluso su costo mayor. Al final de este aparte se muestran las tablas publicadas por la AGMA en su boletín relativo a la lubricación de engranajes No. 9005-D94. En ellas se muestran las especificaciones físicas y de desempeño mínimas requeridas para la lubricación en circunstancias especificas. En todo caso, estas son gulas generales, por lo que un especialista debe determinar exactamente el tipo de aceite que mejor se adapte a cada condición de operación. Debido a su efecto en la lubricación, vamos a analizar diferentes condiciones de operación que inciden en la operación del lubricante. Estas condiciones están directamente relacionadas con las especificaciones de las tablas de selección de la AGMA. 9 Velocidad: este es uno de los principales factores a considerar en la selección del lubricante. Como regla normal, a mayor velocidad menor viscosidad. La velocidad para seleccionar el lubricante, en caso de no contar con otra información, debe ser relacionada con la velocidad del último engrane. La velocidad puede ser medida en revoluciones por minuto o la velocidad tangencial en m/seg o pies/m. En las tablas que se lista n al final, las velocidades máximas permitidas para estas especificaciones se encuentran por debajo de las 3.600 rpm 040 m/seg. Arriba de estas velocidades debe consultarse con un especialista. Lubricación Industrial
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9 Temperatura ambiental: este factor influye en la selección del lubricante. Normalmente las cajas de engranajes estás expuestas a temperaturas ambiente que oscilan entre los -40° C a los 60° C, medida en las vecindades del equipo. En estos casos el índice de viscosidad del aceite es una variable importante que debe tenerse en cuenta al seleccionar un lubricante, ya que entre más elevado sea el IV, mejor estabilidad tendrá el lubricante. 9 Temperatura del reservorio: la cual es una limitante para cada tipo de aceite. Por ejemplo, un aceite mineral puede soportar temperaturas máximas en el reservorio de alrededor de 95° C, mientras que los sintéticos pueden llegar hasta los 107° C. Después de estos niveles, los aceites comienzan a perder sus cualidades físicoquímicas y se degradan rápidamente. De cualquier manera, muchos de los componentes no metálicos de los sistemas no soportan temperaturas superiores a los 95° C, tales como los sellos, que muchas veces causan fugas del lubricante al perder su capacidad elastomérica. . 9 Factores ambientales: tales como la exposición directa a la luz solar, altos porcentajes de humedad, polvo o suspensiones químicas en el ambiente deben ser considerados. Los equipos que están expuestos a la luz solar trabajan a temperaturas mayores que los que se mantienen a la sombra, aún cuando las demás condiciones sean iguales. Cuando se tengan estas condiciones es importante en las variables que se tienen en cuenta al seleccionar un lubricante. Algunas características que deben cumplir los aceites para dar el rendimiento necesario en un sistema de engranajes, son las siguientes: ¾ Viscosidad adecuada: tanto para la velocidad como para soportar la carga y la temperatura. Esta combinación de factores es importante, ya que va a tener una incidencia directa en la vida del equipo y del lubricante mismo. Muchas veces las cargas que se presentan en el arranque y parada son mayores que las de operación normal, debido a que dependiendo del sistema de lubricación que se tenga, esta será deficiente en los puntos extremos de operación. La viscosidad dará una mejor capacidad para soportar las cargas y los golpes, si esta es muy baja, la película no soportará las cargas y, si es muy elevada, genera fricción interna mayor con su consecuente elevación de la temperatura y mayor consumo de energía. El consumo de energía está directamente relacionado con la viscosidad del lubricante. ¾ Demulsibilidad: es inevitable que el agua esté presente en estos sistemas, ya que al detenerse el equipo y bajar la temperatura, esta se forma por condensación. El agua tiene consecuencias fatales para el equipo y el lubricante: causa oxidación en las partes metálicas y hace que la viscosidad sufra alteraciones. Cuando se elevan las temperaturas, el agua puede ceder átomos de hidrógeno, que ayudan a la formación de ácidos dentro del sistema, los cuales pueden generar desgastes corrosivos severos. La capacidad de demulsificación de aceite permite hacer purgas frecuentes para eliminar el agua, ya que esta siempre estará en la parte más baja Cuando los equipos operan por periodos largos, sin que se de la posibilidad de una purga, el aceite debe seleccionarse con una capacidad de demulsibilidad mayor y aditivos anticorrosivos y antioxidantes mejores. ¾ Espumación: un lubricante con poca o ninguna capacidad para evitar la formación de espuma, expone las superficies al contacto metal-metal, debido a que la espuma Lubricación Industrial
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no permite que el aceite esté presente en todos los puntos de la superficie de contacto. Algunas veces es necesario agregar al aceite un aditivo antiespumante, de manera que se evite esta situación. ¾ Estabilidad térmica: sobre todo cuando las condiciones de operación son en ambientes en que no puede controlarse efectivamente este factor. La temperatura es la principal causante de la degradación de los aceites, debido a la oxidación del mismo. Adicionalmente, cuando se requiere que el lubricante realice funciones de enfriamiento del sistema, deberá contar con los suplementos necesarios para que la transferencia térmica sea adecuada. Metodos de lubricacion Dependiendo de las condiciones en que opere el equipo, existen diferentes métodos de lubricación. Para sistemas cerrados, los más usados son los siguientes: a. Salpicadura: o por inmersión, es el método más simple de lubricación. En este sistema el engrane está inmerso en el aceite y por el movimiento es llevado a todo el sistema. Tiene la limitante de que puede ser aplicado a sistemas de engranes con velocidades de hasta 15m/seg y de 10 m/seg para sistemas de tornillo y corona. Para estos sistemas, al diseñarse el equipo se toma en consideración este factor y el lubricante que se usa debe tener ciertas cualidades, tales como viscosidad adecuada. b. Goteo por gravedad o forzado: en el que se recurre a equipos que permitan el goteo del lubricante al engrane a una cantidad especifica para cada aplicación. Este sistema es muy utilizado en engranes abiertos, usando sistemas centralizados de lubricación en los que se puede regular en forma exacta la cantidad de lubricante que ha de suministrarse. Por norma general, la velocidad máxima a la que este sistema es efectivo está por debajo de los 7.5 m/seg. La viscosidad del lubricante es muy importante, ya que los sistemas centralizados requieren viscosidades muy bajas para que el lubricante pueda fluir a través de los ductos, dado que de otra manera, las presiones necesarias para que el lubricante fluya serian muy elevadas. Este método incluye la lubricación de un solo paso, en la que el lubricante se pierde. c. Presión continua: en cual emplea una bomba que suministra un flujo constante de lubricante en el sistema. Este es del tipo de circulación, en el que el aceite está circulando constantemente y su uso está limitado a sistemas cerrados. En este sistema se lubrica tanto los engranes como los rodamientos con el mismo aceite. y se logra un mejor control de la temperatura y la presión necesaria para la película lubricante. Para una adecuada operación de este método de lubricación, los grados de viscosidad utilizados son arriba del AGMA 4. d. Rocio intermitente: en el que su usa un sistema mecánico para aplicar el lubricante de forma manual o mediante un equipo especial. Este es el mejor sistema para la lubricación de engranajes abiertos y se usan aceites de alta viscosidad o grasas, que se mantienen mejor en los dientes de los engranes. Debe asegurarse que la frecuencia de aplicación permita una cobertura total de los engranes y las revisiones periódicas son recomendables para asegurarse de la cobertura. La frecuencia de aplicación va a depender de la calidad del lubricante, de la temperatura y la velocidad del equipo. En algunos equipos con engranes helicoidales y de tornillo sin fin, se utiliza un sistema con agujas que realizan el rocio del
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lubricante, de manera que se pueden ubicar en lugares apropiados para asegurar una cobertura completa de los engranes. Las agujas se apuntan directamente a las caras en contacto. Selección del lubricante La selección del lubricante es esencial para asegurar una larga vida de servicio del equipo con el menor número de fallas. Como hemos insistido en todos los casos, la recomendación del fabricante debe ser la primera elección, pero si no se cuenta con esta información, daremos algunos lineamientos que pueden a ayudar a la selección del lubricante, dependiendo de la temperatura y la velocidad. Igualmente, factores como nivel de ruido y vibraciones deben ser tenidos en cuenta para asegurar un funcionamiento adecuado. AGMA ha definido en varias tablas la forma adecuada paras seleccionar los lubricantes, tomando en cuenta el tipo de engranaje, la temperatura, la velocidad y el tipo de lubricante (R&O, sintéticos o EP). Cuando se tienen embragues, frenos húmedos u otros sistemas instalados dentro del sistema, debe tenerse mayor cuidado, ya que algunos lubricantes afectan estos sistemas y pueden causar fallas en su operación. Debido a las múltiples variables que se presentan, resulta muy extenso para la intención de este folleto la explicación de cada una de ellas, por lo que recomendamos consultar con un especialista en lubricación cuando se tengan dudas acerca de la recomendación de un lubricante, sobre todo cuando se tengan situaciones críticas. Para este análisis es necesario suministrar los siguientes datos: •
Tipo de engranajes en el sistema.
•
Velocidad de la última reducción.
•
Diámetro de la última reducción.
•
Temperatura de operación (ambiente).
•
Método de lubricación usado.
•
Operación del equipo (continua o con arranque/parada).
•
Medida de las superficies en contacto ([para la lubricación con agujas).
Con esta información un especialista puede hacer la recomendación más adecuada, ya que la correlación de estas variables incide directamente en el tipo de lubricante que debe emplearse. Cambios de lubricante Establecer los periodos de cambio de los aceites requiere de un análisis de las condiciones en que opera el equipo. Siempre es recomendable mantener un monitoreo de lubricante mediante análisis de laboratorio frecuentes, para evitar que el aceite llegue a degradarse a Lubricación Industrial
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tal punto que se vuelva agresivo para el equipo. Las recomendaciones de AGMA en este sentido son las siguientes: •
Para un lubricante que se usa en el arranque del equipo, su cambio debe realizarse después de 500 horas de operación continua o cuatro semanas, lo que ocurra primero. Esto es importante para remover la suciedad y partículas que siempre se liberan en este periodo, por lo que es recomendable aplicar siempre un "flush" que ayude a una mejor limpieza.
•
Bajo condiciones normales, el lubricante debe cambiarse cada 2.500 horas o seis meses, lo que ocurra primero. Extender estos periodos va a depender del tipo de lubricante, paradas del equipo y condiciones ambientales. Para esto debe implementarse un programa de monitoreo, el cual debe incluir los siguientes aspectos: ♦ Cambios en la apariencia o el olor del lubricante. ♦ Viscosidad ♦ Niveles de oxidación ♦ Concentraciones de agua ♦ Concentración de contaminantes ♦ Porcentajes de sedimentos y barros. ♦ Agotamiento de los aditivos
Corresponde al especialista en lubricación realizar una interpretación de los resultados de los análisis de laboratorio para determinar las condiciones del lubricante, comparando los resultados con las especificaciones del lubricante nuevo así como los limites establecidos para las concentraciones de metales y otros contaminantes. En condiciones severas, como la presencia de un ambiente muy hostil, con excesiva suciedad, polvo o componentes químicos dañinos; temperatura sostenida del reservorio arriba de los 95° C; cambios repentinos de temperatura y cambios en el ambiente debidos a variaciones estaciónales, hacen que el periodo de cambio del lubricante deba ser reconsiderado. Los aceites deben ser drenados siempre con el equipo en su temperatura de operación y debe hacerse una limpieza del equipo con algún compuesto especial para limpieza, el cual debe ser compatible con el tipo de aceite que se está usando. Están disponibles en el mercado algunos tratamientos que se pueden adicionar al aceite para lograr una mejor limpieza, los cuales mejoran las condiciones del equipo. Por lo general, es deseable evitar el uso de algunos solventes, a menos que el equipo tenga depósitos de contaminantes oxidados que no pueden ser removidos con limpiadores comunes. Cuando se use un solvente, este debe ser removido totalmente del equipo. Debe tenerse cuidado, ya que algunos solventes atacan la pintura, los sellos y algunos otros componentes. Una vez que se ha realizado el drenado del aceite, es importante hacer una inspección del equipo, de manera que pueda ser removida cualquier sustancia o suciedad que se mantenga en el equipo. Si el nuevo aceite no va a ser puesto en forma inmediata, entonces es
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conveniente cubrir los engranes y demás partes del equipo con un producto o sustancia protectora que evite la oxidación. Este producto debe ser compatible con el aceite en uso. La instalación de un sistema de filtración es aconsejable, sobre todo cuando se usa el método de lubricación con sistema presurizado, de manera que se remuevan las partículas mayores. En caso de no contar con una recomendación especifica del fabricante, el filtro debe tener una malla para 50 µm cuando se tengan roles y de 25 µm cuando se usen muñoneras. En todos los casos, el tamiz del filtro debe tener la medida necesaria para que no se filtren algunos de los aditivos del aceite, como por ejemplo cuando se usa disulfuro de molibdeno. Sistema que no tengan operación continua deben ponerse en marcha al menos durante treinta minutos cada semana, a fin de mantener una película protectora en todos los componentes.
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ANALISIS DE LABORATORIO En todos los casos, las frecuencias de relubricación y los cambios de los lubricantes deben hacerse con base a un análisis estricto de las condiciones del lubricante y del equipo, de los niveles de operación y de la capacidad de operación del lubricante. La ayuda que dan los análisis de laboratorio en estas situaciones es invaluable, por lo que debe hacerse con regularidad un análisis de los lubricantes, a fin de determinar su condición y definir los periodos de cambio más apropiados. La interpretación de los resultados de los análisis debe hacerlos siempre un profesional en la materia, de manera que los datos que se dan en el resultado tengan una interpretación adecuada. Al final de este folleto doy algunas guías para "leer" los resultados de un análisis de laboratorio. Como hemos visto, el desarrollo de los lubricantes, para llegar al nivel tecnológico con que cuentan en este momento, ha significado grandes esfuerzos en investigación en el campo físico y químico, para responder a las exigencias de los recientes diseños de máquinas y equipos más sofisticados. La automatización de los procesos ha generado la necesidad de que se implementen sistemas de lubricación también automatizados. Y esto se debe a que hemos comprendido la importancia que tiene la lubricación tanto en la vida útil como en la eficiencia de todos nuestros equipos, ya sean estos máquinas complejas, sencillas o bien nuestro propio automóvil. No en vano las compañías dedicadas a la fabricación de lubricantes invierten sumas considerables en investigación y desarrollo para lograr lubricantes cada vez más eficientes, para responder a las necesidades de equipos que operan cada vez a mayor velocidad, con mayores cargas y en condiciones más críticas. Para todo equipo, el lubricante es una sus partes más importantes, ya que de él va a depender su vida útil, y en muchos casos, el rendimiento de toda una planta. Una paralización siempre es costosa, y peor aún cuando pudo haberse previsto y evitado. Todos los lubricantes, independientemente de su marca y en forma variable dependiendo de su calidad, va a sufrir una serie de alteraciones durante su vida útil, provocadas por muy diversos factores: ambientales, de operación, por malas aplicaciones, incluso un llenado incorrecto afecta la vida del lubricante (y del equipo, por supuesto). Por esta razón, la importancia del monitoreo constante del lubricante es una herramienta invaluable en cualquier plan de mantenimiento preventivo. Muchos de los cambios que sufre el lubricante lo llevan a condiciones en las que ya su efectividad es nula, con las inevitables consecuencias fatales para el equipo. No tenemos una forma efectiva de evitar que estos cambios se den en el lubricante. Por más cuidado que tengamos en la aplicación del mismo, son muy diversos los factores que inciden en estos cambios, y muchos de ellos van a estar siempre fuera de nuestro control. Lo que podemos hacer es mantener estas condiciones en límites permisibles, de manera que no se nos presenten fallas imprevistas debidas a estos cambios. Para esto es indispensable contar con un excelente plan de monitoreo del lubricante, de manera que nos garanticemos una lubricación eficiente en todo momento. En la práctica establecemos cambios de aceite por kilometrajes o por horas de uso, algunas veces siguiendo las recomendaciones del fabricante del equipo, otras por puro instinto y la mayoría de las veces por falta de información adecuada. Esto tiene grandes inconvenientes: por un lado podemos estar realizando los cambios cuando el aceite ya ha sobrepasado su vida útil y estamos sometiendo el equipo a un desgaste innecesario, lo que lo está llevando
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a un fin anticipado. Por otro lado, podemos estar botando un aceite que aún está en condiciones de seguir operando, lo que nos ocasiona gastos excesivos en la compra de lubricantes. Para el caso de su planta, en cuál de estas dos situaciones se encuentra, es decir, de qué forma está generando costos innecesarios? Estas dos situaciones tienen un mismo origen: no sabemos a ciencia cierta en qué condiciones se encuentra el lubricante en un momento dado. Nos jugamos al azar si está bien o si por el contrario ya el equipo ha comenzado a pagar las consecuencias de este desconocimiento. Algunas veces obtenemos información acerca del estado del aceite mediante un análisis, en cual se nos indica que hay variaciones en la viscosidad o presencia de contaminantes que obligan a cambiar el aceite. Pero resulta que el solo cambio del aceite no es la medida correctiva adecuada, ya que desconocemos la fuente de la contaminación, y el aceite nuevo solamente va a continuar el ciclo de desgaste, debido a que el problema no está en lubricante mismo, sino que este nos indica únicamente los síntomas de otro problema, el cual no corregimos por no poder determinarlo en forma exacta. Esto es frecuente cuando no tenemos una interpretación adecuada del análisis, y los datos son solamente eso: datos. Los aceites están sometidos a procesos de oxidación, contaminación y degradación debidos a muchos factores. Algunos de estos son meramente ambientales, otros se deben a las condiciones de operación del equipo y muchos otros a problemas de desgaste dentro del equipo por diversas causas, sin excluir la combinación de estos. No obstante, actualmente se cuenta con una serie de herramientas que nos ayudan a determinar con exactitud la condición del lubricante, y aún más, nos puede permitir determinar el por qué de esa condición y tomar las medidas correctivas necesarias y en el tiempo adecuado para evitar males mayores. Estas herramientas son los análisis de laboratorio, que muchos proveedores ofrecen, muchos hacemos por nuestra cuenta y muy pocos sabemos interpretar adecuadamente. De hecho, la mayoría de las veces nos permiten decir que hay un problema y el resultado siempre va a ser el mismo: cambie el aceite, y ahí termina todo. Actualmente contamos con la técnica necesaria para realizar análisis tan completos como sea necesario, y estos pueden darnos indicaciones muy exactas de lo que está ocurriendo no solo con el lubricante, sino con el equipo mismo. El aceite es como la sangre: siempre podemos recurrir a él para que nos diga que está pasando dentro del sistema, pero la correcta interpretación del resultado es la que nos dice qué hacer, dónde hacerlo y cuándo es necesario hacerlo. La serie de técnicas desarrolladas en análisis de aceites pueden ser sorprendentes si sabemos "leer" sus resultados. El aceite recorre todos los componentes del equipo, por lo que podemos mediante un buen monitoreo del lubricante, monitorear internamente el equipo. Aquí vamos a presentar los principales análisis utilizados actualmente y a dar algunas pautas para la interpretación de estos resultados, de manera que, sin querer formar expertos en la materia, si tengamos una forma de usar adecuadamente estas herramientas. En nuestro país, lamentablemente, no contamos con los equipos adecuados para hacer la mayoría de estos análisis, pero muchas de las empresas de lubricantes ofrecen este servicio en sus plantas en el extranjero, donde se cuenta con los laboratorios equipados para realizar estos análisis. De hecho, he podido ver muchos de estos análisis, en los que se presentan indicaciones claras de problemas serios, pero que no pueden ser interpretados correctamente por los usuarios, a quienes se les deja esta responsabilidad, y los problemas reales no son corregidos. Por esta razón, aquí explicaremos algunos de los principios básicos con los que los resultados pueden ser interpretados para determinar no solo la Análisis de Laboratorio
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condición del lubricante, sino lo que el mismo lubricante nos está diciendo acerca de la condición del sistema. Para esto expondremos algunos resultados tal y como los muestran los laboratorios de las empresas que están dedicadas a este campo, de manera que podamos saber cómo leerlos y correlacionar los datos que se nos brindan, así como la fuente de estos datos. Establecer un buen plan de monitoreo de los lubricantes es sumamente importante. Debido a que no todos los equipos están sometidos a las mismas condiciones de operación, es necesario establecer para cada uno de ellos un plan adecuado. Esto incluye las frecuencias de muestreo, los resultados que debemos tener para determinadas circunstancias y los límites permitidos en estos resultados. Es decir, que para el monitoreo de un sistema hidráulico, un reductor o un compresor, los datos que se necesitan para conocer su condición son diferentes en varios puntos, y los limites para estos datos son también diferentes. Los datos que se dan en un análisis deben ser correctamente correlacionados, de manera que por un solo resultado es a veces difícil determinar la condición real del lubricante y del equipo. Este seguimiento puede ayudar a corregir problemas antes de que resulten en situaciones fatales para el equipo. Así, por ejemplo, sabiendo la fuente potencial de alguno de los metales que exceden los parámetros máximos que se permiten, se puede prever una falla potencial en el equipo y tomar las medidas correctivas pertinentes. Las muestras deben tomarse siempre con el equipo en temperatura de operación, de manera que los componentes y posibles contaminantes siempre se encuentren en dilución real dentro del lubricante. No deben tomarse muestras en los orificios de drenaje del aceite, ya que se encuentra siempre una acumulación de sedimentos que falsearán el resultado, debido a la concentración de algunos elementos. Para la extracción de las muestras debe usarse equipo especial, de manera que la muestra no sea afectada por contaminantes y el ideal es que la muestra salga de la parte media del reservorio. La manguera que se usa para sacar una muestra debe ser desechada y no usarla para sacar otra muestra en otro equipo, algunos puntos importantes que deben considerarse al efectuar el muestreo, son los siguientes: •
La muestra debe tomarse siempre en una zona donde se tenga turbulencia en el flujo del lubricante, de manera que los componentes del aceite y los posibles contaminantes se encuentren bien mezclados.
•
El lugar donde se tome la muestra debe ser en el punto en que el lubricante ya haya cumplido con su función primaria, tal como lubricar los engranajes o los rodamientos, o bien después de la bomba en un sistema hidráulico.
•
Para asegurarse de que la muestra contenga la información más confiable, el muestreo debe hacerse cuando el equipo se encuentre en condiciones de operación normales. Nunca debe hacerse un muestreo inmediatamente después de un cambio de filtro, cambio de aceite o en un momento en que la máquina no esté en condiciones de operación normales.
En algunos casos es necesario realizar más de una toma demuestras, sobre todo cuando quiere aislarse un problema o realizar un segundo análisis en caso de dudas de un primer resultado. Dependiendo del sistema que se trate, se tienen puntos primarios y secundarios para muestreo. Corresponde al especialista determinar estos puntos y realizar la toma de muestras de acuerdo con lo que se quiere analizar. Por lo extenso de este tema, no podemos
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desarrollarlo aquí en forma completa, ya que son muchas las variables que deben considerarse para definir casa caso en particular. Las pruebas de laboratorio que normalmente se realizan son detalladas en las siguientes páginas, y al final se muestran las tablas para el seguimiento de las fuentes de metales posibles. Para un aceite, los resultados básicos que se dan en un análisis comprenden, además de los datos relativos al equipo y del lubricante, los siguientes: •
La viscosidad del lubricante, la cual se indica en cSt, tanto a 40°C como a 100°C, dependiendo de la aplicación y del lubricante.
•
El TAN o TBN, dependiendo de la aplicación.
Los metales de desgaste, indicados en partes por millón (ppm) siendo los más importantes: hierro, cromo, molibdeno, aluminio, cobre, plomo, estaño, plata, níquel, antimonio y titanio. •
Los contaminantes metálicos, en misma escala de cuantificación, ente los cuales tenemos silicio, sodio, potasio y boro.
•
Los aditivos metálicos, en la misma escala de cuantificación y que normalmente son magnesio, calcio, fósforo y zinc.
•
Contaminantes no metálicos, cuyos resultados se dan en proporción al volumen.
•
Contaminación con otras sustancias, como agua, combustibles y otros.
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VISCOSIDAD Descripción: esta prueba permite determinar la viscosidad de un aceite usado, en contraposición con la de llenado, para determinara variaciones en la misma. Procedimiento: el lubricante es colocado en un viscosímetro (tubo capilar calibrado para que fluyan cantidades precisas medidas entre dos puntos marcados en el tubo) y precalentado a una temperatura dada (normalmente 40 y 100ºC) en un baño viscoso. Después de aproximada 10 a 15 minutos el aceite alcanza la temperatura deseada y se permite al aceite fluir en el viscosímetro y se mide el tiempo que le toma al flujo pasar entre los dos puntos. Unidades reportadas: el resultado se expresa en centistokes (cSt, mm2/seg) o en Unidades Saybolt Universales (SUS). Semblanza Técnica: dado que la viscosidad es una de las propiedades más importantes del aceite, determinar sus variaciones es una forma de predecir alguna falla. Considerando las causas de la variación, se recurre a otros análisis para determinar posibles fuentes de problemas serios que pueden originar fallas catastróficas. En términos generales, se permiten variaciones de -12% a +18%, dependiendo del equipo, tipo de lubricante y su aplicación. Algunos sistemas no son tan críticos y permiten variaciones mayores, aunque esto no es recomendable. La siguiente lista muestra causas para variaciones en la viscosidad: La baja
La eleva
- Oxidación del lubricante, en función de temperatura, presión y tiempo.
- Contaminación por combustible o solventes.
- Espuma, fallas en la bomba (permite la oxidación)
- Separación molecular
- Emulsión con agua
Contaminación emulsionada
- Llenado incorrecto o adición incorrecta
- Llenado incorrecto
- Contaminación con sólidos
-
Presencia
con
de
agua
no
refrigerante
El corte de un lubricante ocurre cuando sus moléculas se dividen en moléculas menores, y puede darse por dos factores: a- calor y presión del sistema; b- cortes mecánicos, cuando las moléculas son presionada por el anillo en el cilindro, por ejemplo. Aplicación: estos análisis deben ser rutinarios para casi cualquier sistema, pero sobre todo en aquellos en que la viscosidad y el índice de viscosidad van a incidir directamente en la eficiencia del equipo, como sistemas hidráulicos, motores, bombas, etc. La correcta interpretación de estos análisis es sumamente importante.
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ESPECTROMETALES Descripción: esta prueba está diseñada para detectar y cuantificar elementos metálicos presentes en la muestra, ya sean estos provenientes de desgaste, contaminantes o aditivos que componen el lubricante. Procedimiento: la muestra es energizada para hacer que los elementos emitan o absorban una cantidad cuantificable de energía luminosa. Normalmente se utilizan dos procedimientos: EMULSION: la muestra es energizada por medio de un arco eléctrico. Los elementos emiten discretas ondas de energía, la cual es medida por tubos fotomultiplicadores (al menos uno por cada elemento que desee encontrarse). La energía medida es proporcional a la concentración de cada elemento. ABSORCIÓN: para detectar un elemento en particular, se emite energía luminosa de un tubo cuyo cátodo está hecho con el elemento que desea buscarse, el cual absorbe esta energía. Este procedimiento se aplica en forma individual a cada elemento. Unidades reportadas: el resultado se expresa en partes por millón por peso (ppm/peso). Semblanza Técnica: espectrometales es una de las mejores herramientas para diagnosticar desgaste, contaminantes o presencia de metales de aditivos antes de que se produzcan fallas catastróficas en los equipos. Los elementos encontrados se dividen en tres categorías: Metales de desgaste: como el hierro, cromo, molibdeno, aluminio, plomo, cobre, estaño, níquel, plata, vanadio y titanio. Metales contaminantes: como silicio, sodio, potasio y boro Metales de aditivos: como el magnesio, calcio, bario, fósforo y zinc. Debe tenerse la discreción necesaria para advertir las fuentes externas de contaminación, por lo que el medio ambiente debe tomarse en cuenta al interpretar estos resultados. Por ejemplo, el hierro puede provenir no solo de desgaste, sino por contaminación por polvo; el silicio puede estar presente en forma de silicón en aditivos antiespumantes. Los resultados se dan en metales simples, por lo que no puede esperarse un resultado de bronce al analizar el aceite de una caja reductora que tenga coronas de esta aleación, sino que deben buscarse lo componentes de la aleación (cobre, estaño, aluminio, etc, dependiendo de los componentes). Valores esperados: algunos fabricantes de equipos establecen los valores que pueden esperarse en el análisis de sus equipos, aunque existen muchas variables que deben considerarse al interpretar los resultados, ya que no todos los equipos operan en las mismas condiciones (filtración, condiciones ambientales, paquetes de aditivos, etc). No obstante, aquí damos una tabla con los valores más comunes para diferentes equipos que se consideran como resultados típicos. No existe una tabla exacta, y los valores deben ser interpretados de acuerdo a la experiencia y conocimientos del ingeniero en lubricación que realice la interpretación.
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*Si usa gasolina con plomo este elemento es disimulado para efectos de interpretación. ** Si se usa aditivo de cobre, este será de aproximadamente 80 a 130 ppm y debe ser permitido. *** Si se usa lubricante de silicón sintético, este elemento debe ser disimulado para efectos de interpretación. Limitaciones técnicas: la principal limitación de espectrometales es que las partículas metálicas deben ser >10 micrones, lo que impide prevenir fallas catastrófica con antelación. Esta limitación se debe a la carencia de energía para ionizar partículas >10 micrones (dependiendo del espectrómetro y metal buscado). Aplicación: esta prueba puede ser aplicada a casi cualquier sistema. Es realmente económico, dada la cantidad de información que puede obtenerse.
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FUENTES DE METALES (ESPECTROMETALES) Hierro (Fe): pistones, anillos, cilindros, engranajes, block, cabezote, levas, árbol de levas, cojinetes de roles, cubiertas de soportes de cojinetes, sellos. Cromo (Cr): varios revestimientos, forros, anillos, árbol de levas, engranajes, aditivos de cromatos del refrigerante. Molibdeno (Mo): galvanizado de anillos, aditivos del aceite. Aluminio (Al): pistones, cubiertas de soporte de cojinetes, bushings, block, cabezote, abanicos, cigüeñal, aditivos de grasas. Cobre (Cu): pistones, bushings, bearings de empuje, engranajes, ensambles d ejes de pistones hidráulicos, aditivos, sellos. Plomo (Pb): pistones, árbol de levas, cubiertas de empujes, clutch húmedos, aditivos de gasolina. Estaño (Sn): pistones, bearings, bushins, revestimientos, aleaciones. Níquel (Ni): aleaciones de acero, concentración de combustibles, asientos de válvulas. Plata (Ag): bushines del wrist pin, bearings del turbo, revestimientos de bearings, aleaciones, soldadura de plata. Vanadio (V): aleaciones de acero, alta contaminación con combustible. Titanio (Ti): bearings de turbinas de gas, ejes, paletas, grafito, pintura. Silicio (Si): abrasivos, aditivos antiespumantes, aditivos del refrigerante, sellos de silicón, lubricantes sintéticos, clutch húmedos. Sodio (Na): aditivos del refrigerante, aditivos del lubricante, partículas latentes de preparados de aditivos, agua salada. Potasio (K): usualmente aditivos del refrigerante. Boro (B): aditivos del refrigerante, aditivos del lubricante. Manganeso (Mg): aditivos del lubricante, agua de mar, metales de algunas turbinas de gas. Calcio (Ca): aditivos del lubricante, agua de mar. Bario (Ba): aditivos del lubricante Fósforo (P): aditivos del lubricante, éster de fosfatos de lubricantes sintéticos, ácido fosfórico (ambiente de plantas). Zinc (Zn): aditivos del lubricante, metales galvanizados, tuberías, componentes de latón.
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CONTAMINACIÓN POR COMBUSTIBLE Descripción: aplicada en motores de combustión interna, esta prueba permite detectar la presencia de combustible cuando este llega al cárter por diferentes medios. Procedimiento: la prueba se realiza en un cromatógrafo de gases. La muestra se inyecta a una columna bien caliente. Los constituyentes volátiles del combustible guiarán las moléculas a un ionizador de flama, que encenderá la muestra. La energía es detectada por un sensor y es proporcional a la concentración de combustible. Unidades reportadas: porcentaje de contaminación/dilución de combustible por volumen cercano al 0.5%. Semblanza Técnica: no se presenta mucha complejidad para interpretar este resultado. Si hay presencia de combustible deben tomarse las medidas correctivas necesarias, después de cambiar el aceite. Algunos limites permitidos se muestran en la siguiente tabla, según el tipo de motor y su aplicación (se dan como términos generales, pero corresponde al especialista determinar los valores que pueden permitirse en aplicaciones específicas): Diesel
0,5 -1,5
Diesel (pick-up y pequeños)
1,0 - 2,5
Diesel (planta estacionaria) I Gasolina (automóvil, viajes largos) Gasolina (automóvil, viajes cortos) Gasolina (aviación) Gasolina (camión comercial)
0,5 - 1,0 0,5 - 3,0 1,0 - 4,5 0,5 - 1,5 0,5 - 2,5
Aplicación: estos análisis deben ser rutinarios para casi cualquier motor, sin importar u aplicación, ya que permite tomar las medidas correctivas cuando se presentan problemas en el sistema del combustible. Algunas veces, la contaminación con combustible no controlada puede conducir a fallas catastróficas del motor.
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CONTEO DE PARTICULAS Descripción: permite categorizar las partículas presente en un fluido, con respecto a su número y tamaño. Procedimiento: la muestra se hace fluir por un pequeño orificio con una fuente de luz a un lado y un sensor óptico en el otro. Las partículas interrumpen la luz que choca en el sensor, causando que se genere un pulso o conteo. La duración del pulso permite determinar el tamaño de la partícula de manera que se puede categorizar por tamaño. Unidades reportadas: partículas/ml y rango en micrones (5, 10, 15,25 Y 50 micrones son normales) Semblanza Técnica: este análisis es un concepto simple, pero tiene la ventaja de poder detectar partículas que no se pueden determinar en un análisis espectro metales (menores a 10 micrones). Este es el tipo de partículas que con frecuencia presagian una falla catastrófica orientada a la fatiga. En esta prueba es importante el muestreo, ya que la muestra puede contaminarse fácilmente y alterar el resultado. El agua y opacidad de la muestra pueden causar una lectura sesgada. Las partículas puede provenir de desgaste o contaminación, lo que no puede ser determinado por esta prueba, ni la naturaleza o forma de la partícula. Por esto deben hacerse otras pruebas, como una ferrografía analítica o microplacas, que ayudan a determinar la fuente. Aplicación: es un buen procedimiento de control para sistemas con buena filtración. Especialmente sistemas hidráulicos, compresores, motores de gas de 2 ciclos y transmisiones autopropulsadas.
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FERROGRAFIA ANALITICA Descripción: es una técnica que utiliza una gradiente de precisión magnética para descubrir sistemáticamente hierro y otras partículas en el lubricante en estudio. Procedimiento: la muestra es diluida con un solvente y se hace fluir a lo largo de un microscopio inclinado deslizable. El deslizamiento es flanqueado por un magnetismo permanente designado específicamente. Unidades reportadas: 0= No detectada 1 = Poca 2= Moderado 3= Significativa 4 = Muy denso Semblanza Técnica: este análisis está orientado principalmente a partículas que son mayores a aquellas detectadas por un proceso de emisión atómica o absorción espectro métrica (que está limitado a partículas <10 micrones). Lo más importante de esta prueba es que permite determinar la morfología de las partículas, lo que permite determinar la causa del problema, lo que lo hace una herramienta invaluable para un plan de mantenimiento predictivo. Además de la unidad reportada, se clasifica con una letra para designar el tipo de partícula, como sigue: (A)Abrasivos: arena o cieno, usualmente partículas a base de silicón que aparece traslúcido. (C)Desgaste cortante: metales en espiral o curvos, como limadura de torno o limadura, alojados en un cojinete, cortando el eje en momentos. (D)Oxido metálico oscuro: indicador de calor severo de contacto de metal mete, ejemplo típico de ruptura de la película lubricante. (E)Metal fatigado: metales con diámetro >15 micrones, indican fatiga del metal y posible falla catastrófica. (F)Fibras: hebras individuales, frecuentemente del filtro, ocasionalmente de trapos y otros deshechos. (L)Laminar: metales de apariencia de piel (delgados y largos), frecuentemente de cojinetes de rodillos. (N)Metales no ferrosos: cualquier otro metal no ferroso (cobre, aluminio, etc.). (O)Corrosivo: partículas extremadamente pequeñas (,1 micrón) encontradas en la cola (último punto del flujo) del ferrograma, incida un ambiente hostil o cambios del lubricante muy extendidos. (P}Polímero de fricción: aparecen como partículas parecidas a laca, frecuentemente con metales incrustados. Tiende a indicar falta de lubricante en puntos críticos del sistema o mala aplicación del lubricante (por ejemplo, viscosidad muy baja). (R}Caucho desgastado: partículas pequeñas (,15 micrones, pero usualmente mucho menores) que se esperan o son normales en la mayoría de sistemas. Análisis de laboratorio
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(S}Esferas: partículas casi esféricas y principalmente pequeñas (3 micrones) frecuentemente de fisuras en elementos de cojinetes de rodillos. Un incremento significativo puede presagiar un astillado en un rol. Puede ser también material de soldadura/ralladura. (X}Oxido rojo: usualmente óxidos de hierro, que indican contaminación con agua. Aplicación: es un excelente procedimiento de control para cualquier sistema, ya que permite tomar medidas correctivas que anticipan fallas en los equipos.
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GRAVIMETRIA DE INSOLUBLES Descripción: esta prueba es una medida de la contaminación, e incluye partículas y material de apariencia gelatinosa, tanto orgánica como inorgánica. Procedimiento: una cantidad dada de muestra se mezcla con éter prefiltrado. La solución es filtrada al vacío en un disco de membrana de 0.8 micrones, el cual es pesado antes de la filtración. El filtro y las partículas son secados y pesados. El incremento resultante en el peso de la membrana indica el peso de los residuos contenidos en la muestra. Unidades reportadas: el resultado se expresa en mg (de contaminación) por mi de muestra. Semblanza Técnica: la gravimetría es una herramienta que ayuda a prevenir fallas en los equipos por saturación de filtros o ductos por la presencia de contaminantes dentro del lubricante. Esta permite conocer la concentración de contaminantes, aún cuando no permite determinar su fuente, pero sirve como base para realizar análisis más detallados para corregir las fuentes de contaminación, ya sean estas internas o externas. La prueba consta de dos partes. En la primera se desarrolla el procedimiento descrito arriba. En la segunda parte se puede realizar una identificación de los contaminantes, y se llama Microplacas. En este procedimiento los residuos en la membrana son examinados mediante un microscopio, o mediante un ferroscopio como se hace en un análisis ferroscópico. Valores esperados: los resultados que pueden esperarse en esta prueba para algunos equipos son los siguientes: Turbinas de gas
<0.4 mg/ml
Sistemas hidráulicos
<0.6 mg/ml
Compresores
<1.0 mg/ml
Cajas de engranajes
<1.5 mg/ml
Motores de combustión interna
<1.5 mg/ml
Aplicación: esta prueba puede ser aplicada a casi cualquier sistema cuando se desee conocer la concentración de contaminantes sólidos y su composición.
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SÓLIDOS / HOLLÍN DEL COMBUSTIBLE Descripción: permite detectar la presencia de contaminantes sólidos y hollín del combustible en motores de combustión interna. Cualquier partícula que pueda ser precipitada mediante centrífuga de velocidad media puede ser medida. Procedimiento: la muestra es disuelta/mezclada con un solvente inerte (que la arrale sin disolver ningún resido material) y centrifugada. Los sólidos girarán a la parte inferior de la centrifuga, que tiene marcas calibradas, permitiendo una "lectura". Para aceites que contengan dispersantes se añaden químicos que anulen su efecto, permitiendo la precipitación de los sólidos. Unidades reportadas: porcentaje de sólidos por volumen. Semblanza Técnica: MOTORES DIESEL (0,3 A 7,5%): presencia de sólidos principalmente carbón de combustión incompleta, aunque también puede ser combustible oxidado y/o lubricante (en forma de barnices). Si es excesiva, las posibles causas son: Orientadas al desgaste:
Orientadas a la operación: - Intervalos de cambio muy largos
- Fugas en sellos de turbocargador o abanico
- Sobrealimentación (mínimo elevado) - Montaje de cremallera - Admisión restringida - Excesiva presión de escape - Goteo en agujas de inyectores - Atiempado/calibrado de válvulas
- Fugas hacia el carter (presión del carter) - Válvulas o guías malas (tren de válvulas) - Pistones, anillos o cilindros malos - Accesorios del compresor de aire malos (cuando aplique)
MOTORES GASOLINA (0,2 A 5,0%): compresión hacia el carter, sales de plomo (cuando se usa gasolina con plomo). Si es excesiva, las causas posibles son cambio extendido, afinado/atiempado requerido, excesiva temperatura de operación. MOTORES DE GAS/COMPRESORES INTEGRALES (0,1 A 5,0%): escapes de compresión hacia el carter, oxidación/nitrogenación del combustible o lubricante. Si es excesiva, las causas posibles son: cambios sobre extendidos, alimentación/atiempado, baja temperatura de operación. Esta prueba fue desarrollada principalmente para motores diesel, debido a que por su naturaleza produce la mayoría de sólidos. El hollín de combustible es causante de problemas de desgaste no específicos, debido a que anulan la acción de los aditivos antidesgaste (algunos tipos de sulfatos de zinc (ZDDP), haciéndolos menos efectivos. Aplicación: estos análisis deben ser rutinarios para cualquier motor de combustión interna.
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PRINCIPALES PRUEBAS DE LA ASTM En todas las hojas de especificación de los lubricantes, ya sea grasas o aceites, se muestran los resultados de una serie de pruebas, las cuales dan información acerca de cómo se comportan estos lubricantes en diferentes condiciones. Aún cuando en la mayoría de ellas la ASTM indica que estos resultados no deben tenerse como una indicación exacta de cómo se va a comportar el lubricante en condiciones reales de operación, si nos permiten hacer una comparación entre un lubricante y otro. A continuación daremos un vistazo rápido a las principales pruebas sin entrar en los detalles del procedimiento, las cuales permiten una selección más adecuada del lubricante que necesitamos para una aplicación en particular. Igualmente, cuando se realizan análisis de laboratorio, los resultados que se dan son datos que deben correlacionarse para obtener un mejor concepto del estado del lubricante. En algunos casoS es importante considerar los resultados de otras pruebas que pueden ayudar a determinar mejor las propiedades de un lubricante. VISCOSIDAD ASTM 0-445 y ASTM 0-2422 Con estas pruebas se mide la viscosidad del aceite a 40° C y a 100° C con los resultados en centistokes (cSt), y a 100° F Y 210° F con los resultados en Unidades Saybolt Universales (SS U). La importancia de esta prueba es que nos permite determinar la viscosidad de un aceite nuevo y la variación de la misma en un aceite usado. Tome nota de que esta prueba es para determinar la viscosidad del aceite únicamente, en ellas no se determina la calidad del lubricante ni su capacidad para realizar un trabajo especifico que no sea la viscosidad. La AGMA tiene establecido el procedimiento J-300 para determinar el número AGMA de un lubricante. INDICE DE VISCOSIDAD ASTM 0-2270 Esta prueba establece el método que permite determinar el índice de viscosidad de un aceite lubricante a partir de sus viscosidades cinemáticas a 40° y 100° C. Se tienen dos procedimientos diferentes: uno para aceites con IV igualo menor a 100, Y otro con IV superior a 100. Para estos cálculos se utilizan tablas con valores para algunas de las variables que se incluyen en las fórmulas. PUNTO DE FLUIDEZ ASTM 0-93 Esta prueba mide la temperatura mínima a la que un aceite mantiene su capacidad de fluir. Es importante para aquellos lubricantes que van a estar expuestos a bajas temperaturas. Los resultados se reportan en grados C o F. Se efectúan pruebas diferentes para distintos tipos de aceites, pero siempre el resultado nos da el dato de hasta que punto el aceite podrá fluir.
PUNTO DE FLAMA Y ENCENDIDO ASTM D-92 Para medir el punto de encendido o de flama de un lubricante se usan dos métodos diferentes. El de este método es conocido como el de copa abierta de Cleveland. Con esta prueba se hacen dos procedimientos: primeramente la muestra es calentada rápidamente y
Principales pruebas de la ASTM
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luego más lentamente hasta que se alcanza el punto de flama. En intervalos regulares, un flama es pasada sobre la muestra, a la temperatura más baja en que la aplicación de la flama provoca que se formen vapores sobre la muestra, es tomada como el punto de flama. Después de esto se continúa con la prueba hasta que la muestra se inflame y encienda por al menos 5 segundos. Estos resultados son importantes cuando se espera que el lubricante opere a elevadas temperaturas. FORMACION DE ESPUMA ASTM D-892 Esta prueba permite medir la característica de formación de espuma de un aceite a temperaturas determinadas. Para realizar la prueba, una muestra de aceite se mantiene a 24° C, la cual es sometida a un flujo constante de aire por 5 minutos, dejando luego que la muestra repose. El volumen de espuma es medido en ambos casos. La prueba se repite nuevamente con la muestra a 93.5° C y luego otra vez a 24° C (secuencias 1, 11 Y 111). Estos resultados permiten seleccionar mejor aquellos aceites que van a usarse en sistemas con altas velocidades, como los rodamientos; altas presiones, como sistemas hidraúlicos o sistemas donde se requiere bombeo del lubricante. Los resultados de esta prueba se dan en términos porcentuales de formación de espuma por volumen de lubricante. PERDIDAS POR EVAPORACION ASTM D-972 Este procedimiento permite determinar las pérdidas de volumen por evaporación de las grasas y los aceites en aquellos casos en los que estas pérdidas puedan influir en el resultado de la lubricación. Estas pérdidas pueden medirse a cualquier temperatura comprendida entre los 210 a 300° F. Para esta prueba, una muestra de lubricante es puesta en un recipiente en bario y se mantiene a la temperatura a la que se quiere medir la evaporación por espacio de 22 horas. Los resultados se dan en términos de pérdida porcentual de peso después de la prueba. CORROSION DE COBRE ASTM D-130 Con esta prueba se determina la tendencia del lubricante a corroer metales de cobre. El procedimiento es la comparación de las marcas de corrosión y el resultado es reportado como "pasa" o "no pasa", La temperatura para esta prueba es normalmente de 121 ° C y la duración es de tres horas.
CARGA TIMKEN OK LOAO ASTM 0-2782 Conocida como la prueba de extrema presión, es diseñada especialmente para los aceites. En esta prueba se usa un equipo especial, que consiste en un lubricante entre dos superficies, una de las cuales es un eje que gira a una velocidad de 123.71 m/min, lo que equivale a una velocidad rotacional de 800 rpm. La muestra es precalentada a 100° C antes de se expuesta. Se toman dos medidas: la carga mínima a la que la película lubricante se rompe causando escoriación en las superficies y la carga máxima que puede soportar entre el eje que gira y el block de metal. Para efectos de aplicaciones prácticas, ASTM hace la advertencia de que los resultados de esta prueba no indican exactamente como se comportará el lubricante en situaciones reales, por lo que es importante correlacionar este resultado con el de otras pruebas al seleccionar un lubricante.
Principales pruebas de la ASTM
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PRUEBA OE CARGA TIMKEN PARA GRASAS ASTM D-2509 Es similar a la anterior, con la diferencia de que se hace con grasas y el nivel de temperatura es de 24° C. Las mediciones que se realizan son las mismas que para los aceites. PRUEBA DE LAS CUATRO BOLAS ASTM D-2266 En esta prueba se determina la capacidad de una grasa para evitar el desgaste en aplicaciones de contacto de acero con acero. Para realizarla, una bola estacionaria se pone en contacto con tres bolas que están en movimiento bajo una carga y se mide el tamaño de la escoriación causada en la bola estacionaria. Este método no debe usarse para establecer diferencias entre una grasa EP y una que no sea EP. Las condiciones de realización de la prueba son las siguientes: 75° C de temperatura; velocidad rotacional de 1200 +- 50 rpm; carga de 392 +- 2 N Y la duración de la prueba es de 60 minutos.
Principales pruebas de la ASTM
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APÉNDICE 1: VARIACION DE LAS PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS CON LA TEMPERATURA Y LA PRESION
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APÉNDICE 2: TABLA DE COMPARACIÓN DE VISCOSIDADES
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APÉNDICE 3: INDICE DE VISCOSIDAD
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APÉNDICE 4: TABLA PARA BÚSQUEDA DE FUENTES DE METALES DE DESGASTES
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INA – Educación Técnica - TEC GUIA PARA LA BUSQUEDA DE DESGASTE DE METALES-TABLA DE METALURGIA GENERAL
METALES
MOTOR
TRANSMISION
SISTEMA DE ENGRANAJES
HIERRO
Cilindros/Camisas, anillos, árbol de levas, engranajes, válvulas de
Engranajes, discos, cojinetes del housing, bandas de
Piñones, ejes, cojinetes, housings.
tren, cigüeñal, bomba de aceite, pin del pistón.
frenos, carreteras de cambio.
Anillo, camisas, válvulas de escape, aleaciones de acero,
Cojinetes de Rodillos.
CROMO
Cojinetes de Rodillos.
revestimiento de ejes.
MOLIBDENO
En la mayoría de sistemas, la presencia de MOLY indica el uso de un aditivo auxiliar de Disolfuro de Molibdeno
ALUMINIO
Pistones, bushings, ventilador, algunos cojinetes.
Bomba, arandelas de empuje.
Bomba de aceite, arandela del empuje
COBRE
Bushings del eje del pistón, bushings de levas, arandelas de
Embrague, discos del sterring, bushines, arandelas de
Arandelas de empuje de la bomba de aceite, bushines.
empuje, enfriador de aceite, bomba de aceite, gobernador,
empuje, enfriador de aceite. Allison una embragues de
bushings del tren de válvulas, cojinetes.
fibras, por lo que la presencia de cobre se puede deber bushines o al enfriador.
PLOMO
Cubiertas de cojinetes, contaminantes aditivos de gasolina.
ESTAÑO
Golpeteo de pistones, cubiertas de bearings, aleaciones de bronce
Aleaciones de bronce o latón, aditivos aceite
Aleaciones de bronce o latón
y babbit junto con plomo/cobre.
PLATA
Soldaduras, bushing del eje del pistón, metal de espaldones de
Cuellos de Cojinetes
cojinetes.
NÍQUEL
Válvulas, aleaciones de acero
Todos los componentes de aleación de acero, ocasionalmente algunas bombas tiene revestimientos de níquel.
SILICON
Aditivos antiespuma, aditivos de aceite, aditivos de enfriador,
Igual que en el motor, además de forros de discos.
sellos elastoméricos.
En general, las fuentes de silicón son muchas en todos los componentes del sistema, con la posible excepción del inhibidor del enfriador, aplicado a sistemas enfriados
por
agua
o
sistemas
contaminarse en forma cruzada.
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que
pueden
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METALES
MOTOR
TRANSMISION
SODIO
Aditivo del aceite, inhibidor del enfriador, rastros del detergente, contaminantes del medio ambiente.
Los mismos comentarios aplican para el sodio y el silicón. El uso del diagnostico de este metal tiene algunas ventajas. Generalmente sodio/boro (y tal vez el Silicón) indica la presencia de Glycol. El sodio también puede representar Glycol, aunque las adiciones no son precisas ni regulares. El sodio solo puede ser sales de la carretera (evaporación de nieve o piedra caliza) llevada por el aire de agua de mar, contaminante del polvo, etc.
BORO
SISTEMA DE ENGRANAJES
MAGNESIO CALSIO BARIO
Aditivos del dispersante o el detergente. Uno o combinación de ellos en alguna cantidad puede usarse cuando el lubricante tiene estos aditivos. Cada uno puede ser contaminante llevado por el aire. Por ejemplo, Magnesio proviene de una mina; Calcio del agua, Bario del cemento.
FOSFORO ZINC
Cada uno puede ser usado como aditivo del aceite, juntos representan Difosfato de Zinc, un aditivo antidesgaste y antioxidante. Pueden estar presentes en diferentes cantidades, dependiendo del tipo de lubricante. Como todos los metales, también pueden ser contaminantes.
CONTAMINACIÓN POR COMBUSTIBLE
Fugas de combustible de alguna fuente o por operación al mínimo a bajas revoluciones.
NOTA: (solo para motores) como regla cuando vemos una contaminación de combustible de 1.5- 2.5% podemos decir que es el inicio de una fuga de combustible o el resultado de excesivo mínimo. Cerca del 2.5% decimos que es una fuga, al 5% s considera severa y al 8% es un peligro. Con una dilución alta, el punto de encendido y de inflamación se reduce gradualmente y la reducción de la viscosidad baja la protección a los bearings bajo carga.
%SÓLIDOS/ VOLUMEN
Para entrada de aire, cambio en la mezcla, restricciones para demisión y escape, oxidación de filtros debido a desechos.
En todos los sistemas, los sólidos representan desechos u oxidación de productos.
%AGUA VOLUMEN VISCOSIDAD
POR
En todos los sistemas, el agua representa condensación, simple contaminación del aceite o tipos de desechos de agua + glycol del enfriador (donde aplique). La viscosidad debe tomarse a 40ºC o 100ºC basado en las especificaciones del lubricante. Incrementos en todos los sistemas algunas veces representan oxidación, aceite en uso equivocado o problemas relacionados con la temperatura. Baja viscosidad puede mostrar efectos de contaminación por combustibles (en motores), corte (más aplicado a sistemas hidráulicos y transmisiones), aceite en uso no indicado, etc.
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APÉNDICE 5: LECTURAS
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LECTURA Nº1 EQUIVALENCIAS ENTRE LOS SISTEMAS DE CLASIFICACION DE LA VISCOSIDAD INTRODUCCIÓN En la práctica diaria de la lubricación es muy importante que el ingeniero, el supervisor y los mecánicos de mantenimiento tengan claro como utilizar los diferentes sistemas de clasificación de la viscosidad de los aceites industriales porque en no pocas ocasiones los fabricantes de máquinas rotativas especifican las recomendaciones de lubricación en sistemas diferentes al ISO siendo necesario en estos casos hallar la equivalencia entre sistema (debido a que todos los aceites industriales se especifican de acuerdo con este sistema) y el que están especificando. Los sistemas de clasificación de los aceites utilizados universalmente son el ISO, ASTM (actualmente en desuso) , AGMA y SAE. SISTEMA ISO La Organización Internacional para la Estandarización (ISO) estableció desde 1975 el sistema ISO para especificar la viscosidad de los aceites industriales, pero solo hasta 1979 fue puesta en práctica por la mayoría de los fabricantes de lubricantes. El sistema ISO clasifica la viscosidad de los aceites industriales en cSt a 40°C mediante un número estándar que se coloca al final del nombre del aceite industrial. Este sistema reduce las posibilidades de que el usuario se equivoque en la selección del aceite a utilizar ó que mezcle lubricantes de diferentes viscosidades; facilita además hallar de manera inmediata el equivalente en viscosidad de un aceite con otro puesto que el nombre del aceite debe traer al final el grado ISO correspondiente. Así por ejemplo, si se tiene el aceite Tellus 68 de marca Shell y se sabe que este fabricante está utilizando la clasificación ISO en sus aceites industriales, entonces el número 68 del aceite Tellus indica que tiene una viscosidad de 68 cSt a 40°C. Para saber si el número que acompaña el nombre del aceite es un grado ISO es necesario conocer la clasificación ISO, ya que se puede presentar el caso de aceites que al final del nombre traen un número y sin embargo este no corresponde a un grado ISO como podría ser el caso de aceites como el Tellus 41, Teresso 72, Macoma 45, DTE Light, etc. En la actualidad, la gran mayoría de las compañías fabricantes de lubricantes industriales colocan el grado ISO junto al nombre de sus aceites; sin embargo a pesar del tiempo transcurrido desde la aprobación de la clasificación ISO hay algunas empresas que aun siguen especificando sus aceites industriales con nomenclaturas que no corresponden a ningún sistema de clasificación, tal es el caso por ejemplo de la serie Mobilgear de la Mobil, en la cual un aceite como por ejemplo el Mobilgear 632, el 632 no es un grado ISO, siendo su ISO correspondiente un 320, en este caso es necesario tener a la mano el catalogo técnico de los lubricantes de esta marca para conocer el grado ISO de sus aceites. Toda caneca ó tambor de aceite que contenga aceite industrial debe venir marcada con el nombre y el grado de viscosidad ISO del aceite.
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SISTEMA AGMA La AGMA (Asociación Americana de Fabricantes de Engranajes) clasifica la viscosidad de los aceites industriales, de acuerdo con una codificación que va del número 1 al 13 y la cual corresponde a un rango de viscosidades en SSU a 100°F, ó en cSt a 37,8°C; los números que aparecen con la palabra EP ó Compound (compuesto) se utilizan para condiciones de lubricación EHL y son aceites especificados con aditivos de primera generación. El número que acompaña al número AGMA no indica unidades de viscosidad, sino que a mayor número la viscosidad del aceite es mayor. El sistema AGMA solo se utiliza para especificar los aceites para engranajes abiertos y reductores de velocidad. Los grados AGMA sin sufijo poseen inhibidores de la herrumbre y la oxidación (R&O). SISTEMA ASTM Este sistema especifica la viscosidad de los aceites industriales mediante un número estándar que indica la viscosidad del aceite en SSU a 100°F. En la actualidad prácticamente ningún fabricante de máquinas ni de lubricantes utiliza este sistema para especificar los aceites a utilizar, ya que fue reemplazado por el sistema ISO, sin embargo es factible encontrar este sistema en catálogos de máquinas que llevan un buen número de años de haber sido fabricadas. En la tabla 4.3 se especifica el sistema ASTM para los aceites industriales. SISTEMA SAE Clasifica los aceites de tipo automotor con un número que aparece al final del nombre del aceite y cuyo único significado es que a medida que este número es mayor la viscosidad del aceite también lo es. Dentro de esta clasificación se encuentran los aceites para lubricación del motor de combustión de interna tanto Diesel como a gasolina, caja, transmisión y sistema hidráulico. A su vez los aceites para el motor de combustión interna se subdividen en unígrados y multigrados y se emplean uno u otro dependiendo de las recomendaciones del fabricante del motor de combustión interna, de las condiciones climatológicas ó de programas tendientes a reducir el desgaste de los diferentes componentes del motor de combustión interna. Aceites para motores de combustión interna 1. Unigrados ó monógrados. Estos aceites se caracterizan porque solo especifican un solo grado de viscosidad y poseen un Indice de Viscosidad menor de 95, lo cual puede dificultar un poco el arranque en frío cuando se tienen bajas temperaturas ambiente (menores de 5°C); en este caso, si se utilizan aceites unígrados deben ir acompañados de la letra W (Winter que traducido al español es invierno), estos aceites se caracterizan porque su viscosidad se incrementa muy poco con las bajas temperaturas ambiente.
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2. Multigrados Se caracterizan porque poseen un Indice de Viscosidad mayor de 120, lo cual permite que el aceite pueda ser recomendado para cubrir varios grados SAE de viscosidad; así por ejemplo si se tiene un aceite como el SAE 20W40 significa que a bajas temperaturas (mayores de -15°C) el aceite se comportará como un aceite delgado SAE 20W y a altas (mayores de 100°C) como un aceite grueso SAE 40. Aceites para engranajes automotores Los engranajes para servicio automotriz tienen sus propios requerimientos de lubricación y se clasifican bajo el sistema SAE mediante un número que se coloca al final del nombre del aceite, el cual solo indica que ha medida que es mayor, la viscosidad del aceite también lo es. Esta clasificación también contempla aceites unígrados y multigrados, presentando grandes ventajas este último tales como reducción del desgaste adhesivo en los engranajes lubricados en el momento de la puesta en marcha, reducción del consumo de combustible, menores temperaturas de operación y homologación de varios grados SAE unigrados en uno solo multigrado. Los aceites multigrados para engranajes se utilizan de manera obligatoria en los países donde hay estaciones, ya que de lo contrario al utilizar unigrados estos se congelarían y no permitirían la puesta en marcha de los engranajes. EQUIVALENCIAS ENTRE LOS DIFERENTES SISTEMAS DE CLASIFICACION DE LA VISCOSIDAD En la siguiente tabla se especifica la equivalencia entre los sistemas de clasificación de la viscosidad en los sistemas ASTM, AGMA y SAE con respecto al ISO. EQUIVALENCIAS ENTRE LOS DIFERENTES SISTEMAS DE CLASIFICACIÓN DE LA VISCOSIDAD
Grado ISO
Grado ASTM
10 15 22 32 46 68,68EP 100,100EP 150,150EP
75 105 150 215 315 465 700
Grado AGMA
Grado SAE Motor Unigrado Multigrado
OW, 5W 10w 110,15W 2, 2EP 3,3EP 4,4EP
Engranajes Unigrado Multigrado
75w
20W,20 10W30,20W20 80,80W 25W,30 5W50, 15W40 40 15W50, 20W40
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220,220EP 1000 5,5EP 50 90 85W90 320,320EP 1500 6,6EP 85W140 460,460EP,460C 2150 7,7EP,7C 140 680,680EP,680C 3150 8,8EP,8C 1000,1000EP,1000C 4650 9,9EP,9C 1500,1500EP,1500C 7000 10,10EP,10C 250 Notas: (1) Cuando se halla el grado ISO equivalente de un aceite unigrado para motores de combustión interna su IV puede ser menor ó igual a 95, si es de especificación W debe ser mayor de 95 y si es multigrado, debe estar por encima de 110. Cuando se trate de aceites para engranajes la metodología es la misma. (2) La C en los aceites especificados en el sistema ISO ó AGMA significa Compuesto ó aceites con aditivos a base de ácidos grasos para condiciones de lubricación EHL donde la temperatura de carcasa del mecanismo es menor ó igual a 50°C. (3) La diferencia, por ejemplo, entre un aceite ISO 220 y un ISO 220 EP es que el primero no tiene aditivos Extrema Presión y se utiliza para condiciones de lubricación fluida y el segundo si los tiene y es para condiciones de lubricación EHL. En este caso ambos aceites tienen la misma viscosidad.
COMENTARIOS Los aceites industriales siempre se deben clasificar bajo el sistema ISO, si se especifican en otro sistema se debe hallar la respectiva equivalencia. Es muy común que los aceites para máquinas industriales se especifiquen en el sistema SAE, principalmente cuando estos equipos provienen de países europeos, no obstante esto no quiere decir estrictamente que se deban emplear este tipo de aceites, por lo que el usuario puede hallar la equivalencia en el sistema ISO. Con el grado ISO hallado, el tipo de aplicación, las propiedades físicoquímicas requeridas y la marca a utilizar se va al catalogo del fabricante de lubricantes y se selecciona el aceite que cumpla con las especificaciones ya anotadas.
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LECTURA Nº2 ELEMENTOS DE TRIBOLOGIA FRICCION Es la resistencia que presenta la superficie rugosa de un cuerpo sólido a moverse sobre la de otro ya sea sólido ó líquido y que se manifiesta por la pérdida de energía mecánica durante el inicio y desarrollo del movimiento relativo entre las dos zonas materiales en contacto. La energía que se pierde por fricción se transforma en calor, el cual no le aporta beneficio alguno a los mecanismos sometidos a fricción y por el contrario en la mayoría de los casos cuando las rugosidades de los mecanismos interactúan sus propiedades elásticas se modifican volviéndose rígidas, propiciando su fractura y por lo tanto al desgaste prematuro de los mecanismos. ESTADOS DE FRICCION FRICCION PURA Se presenta cuando las rugosidades de las dos superficies metálicas interactúan sin la presencia absoluta de un tercer elemento. En la práctica industrial raras veces se encuentra este estado de fricción ya que sólo se puede obtener en el laboratorio donde es factible garantizar que las superficies metálicas están libres de cualquier tipo de película contaminante. FRICCION METAL-METAL Ocurre cuando las rugosidades de dos superficies metálicas teóricamente interactúan en ausencia de un tercer elemento que las separe (es inevitable la presencia de humedad, óxidos, etc); también puede ocurrir en un mecanismo lubricado como consecuencia del rompimiento de la película límite o por la ausencia de ésta al agotarse los aditivos antidesgaste del lubricante. La fricción metal-metal no siempre se debe evitar ya que hay situaciones donde es imprescindible que ocurra como por ejemplo entre la carrilera y las ruedas del tren, en las cuales es necesario que sus rugosidades estén completamente exentas de cualquier tipo de sustancia para poder rodar y frenar rápidamente. FRICCIÓN SOLIDA En este caso el sistema tribológico está constituido por tres elementos que presentan características de cuerpos sólidos; dos de estos elementos son las superficies metálicas que interactúan y el tercero es la película limite del lubricante utilizado que se encuentra adherida al metal base y está constituida por capas de un compuesto que puede ser el aditivo antidesgaste, óxido, humedad, vapores, etc. En la práctica industrial la fricción sólida se presenta permanentemente en los mecanismos lubricados siempre que arrancan ó paran.
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FRICCION FLUIDA Es un estado de fricción que se presenta entre las capas de un lubricante líquido que separa dos superficies lubricadas, la energía consumida es la necesaria para cizallar las capas del lubricante la cual finalmente se transforma en calor. FRICCION MIXTA Está constituida por dos estados de fricción que ocurren simultáneamente en un sistema tribológico; este tipo de fricción se presenta cuando un mecanismo que funciona bajo condiciones de lubricación a película fluida se encuentra en una etapa posterior al inicio del movimiento ó previa a su detención en la cual hay algunas rugosidades que interactúan propiciando la fricción sólida y otras se encuentran separadas dando lugar a la fricción fluida. La fricción mixta también se presenta en aquellos mecanismos que trabajan bajo condiciones de altas cargas y bajas velocidades en las cuales las rugosidades de las superficies sometidas a fricción no alcanzan a separarse sino que permanentemente están interactuando, este tipo de fricción mixta da lugar a lo que se conoce con el nombre de lubricación Elastohidrodinámica ó EHL. FRICCION GASEOSA Se presenta cuando el elemento que separa las dos superficies que se encuentran en movimiento relativo es un gas; este puede ser el caso de los mecanismos lubricados con aire o de las caras de los sellos secos de turbo-máquinas cuando se inyecta nitrógeno entre ellas para formar la película hidrodinámica que permite separar la cara fija de la que gira. FUERZA DE FRICCION Siempre que un cuerpo se deslice o ruede sobre la superficie de otro se presenta una fuerza resistiva que es paralela y contraria a la dirección del movimiento y se conoce como fuerza de fricción y puede ser estática o cinética. FUERZA DE FRICCION ESTATICA Es la fuerza requerida para iniciar el movimiento relativo entre dos superficies cuyas rugosidades interactúan y es igual al producto del coeficiente de fricción metal-metal de los materiales de las superficies ó del coeficiente de fricción sólida de la sustancia que se está utilizando como lubricante por la fuerza normal que mantiene juntas las dos superficies. FUERZA DE FRICCION CINETICA Es la fuerza requerida para mantener en movimiento dos superficies cuyas rugosidades interactúan ó se encuentran totalmente separadas por una película lubricante y es igual al producto del coeficiente de fricción metal- metal de los materiales de las superficies, en caso de que no se esté utilizando algún lubricante ó del coeficiente de fricción fluida o
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Elastohidrodinámica (EHL) si se están lubricando, por la fuerza normal que mantiene juntas las dos superficies. La fuerza de fricción estática y cinética se calculan de: F = f N, Kgf (lbf) Donde : F : Fuerza de fricción estática Fe ó cinética Fc, Kgf (lbf). f : Coeficiente de fricción metal-metal, sólido, fluido ó EHL, adimensional. N : Fuerza normal que mantiene juntas las dos superficies, Kgf (lbf). El cálculo de Fe tiene otra componente que es la fuerza necesaria para fracturar las crestas de las rugosidades que se sueldan cuando se inicia el movimiento y no se está utilizando un lubricante ó para deformarlas elásticamente en caso de que si se estén lubricando; esta fuerza es muy compleja de calcular y su valor es muy pequeño por lo que en la práctica no se tiene en cuenta. La relación entre la fuerza estática y la cinética se puede expresar de la siguiente manera: si Fc es menor que Fe no hay movimiento; si son iguales el movimiento es inminente y finalmente si Fc es mayor que Fe el cuerpo se mueve. LEYES DE LA FUERZA DE FRICCION Las leyes de la fuerza de fricción fueron fundamentadas teniendo en cuenta la interacción de las rugosidades de una superficie metálica cuando se mueve con respecto a otra ya sea bajo condiciones de fricción metal-metal, sólida ó EHL. Básicamente las leyes de la fuerza de fricción son dos: * Depende del área conformada por la suma de las áreas de las crestas más sobresalientes de las dos superficies sometidas a fricción y se conoce como área real y no del área geométrica de dichas superficies conocida como área aparente. * Es directamente proporcional a la componente normal del peso del elemento que desliza o rueda. Estas leyes fundamentales de la fuerza de fricción metal-metal ó sólida ó EHL fueron propuestas por primera vez en 1.550 por el italiano Leonardo Da Vinci al observar un bloque rectangular deslizándose sobre una superficie plana; en 1699 el ingeniero francés Amontons volvió a desarrollarlas y en 1781 Coulomb las comprobó, diferenciando claramente la fuerza de fricción estática de la cinética. FACTORES QUE CONDICIONAN LA FUERZA DE FRICCION Los más importantes son la carga, naturaleza de los materiales, velocidad de deslizamiento, acabado superficial, geometría de los cuerpos, tolerancia entre las piezas, temperatura de operación, adhesión, cizallamiento, arado y lubricación
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COEFICIENTE DE FRICCION Es la variable para el cálculo de la fuerza de fricción y su valor depende no solamente del material de las superficies sino también de lo que ocurra en la interface de las mismas cuando se encuentran en movimiento relativo la una con respecto a la otra; hay otros factores que lo afectan como la humedad, temperatura, velocidad de deslizamiento, presión de contacto, tipo de película lubricante, acabado superficial y forma de la región de contacto. La relación entre la fuerza de fricción necesaria para iniciar el movimiento de un cuerpo y la componente normal de su peso se conoce como coeficiente de fricción estático y como coeficiente de fricción cinético cuando está involucrada la fuerza de fricción necesaria para mantenerlo; en este caso si las superficies son lubricadas y la película lubricante es del tipo EHL juega un papel preponderante que el movimiento sea por deslizamiento ó por rodadura. TIPOS DE COEFICIENTES DE FRICCION COEFICIENTE DE FRICCION PURA Ocurre cuando las superficies de dos rugosidades que interactúan están completamente exentas de un componente que las separe; el valor de este coeficiente de fricción es muy alto y en la práctica de la Tribología nunca se presenta. COEFICIENTE DE FRICCION METAL-METAL Se presenta cuando la rugosidad de una superficie metálica desliza directamente sobre la de otra, es alto y puede llegar a ocasionar que las dos superficies se suelden debido a la gran cantidad de calor generado cuando las crestas más sobresalientes chocan y tratan de deformarse elásticamente; su valor depende del material de las superficies en contacto; en superficies de elementos de máquinas lubricadas debe ser lo más bajo posible con el fin de minimizar la cantidad de desgaste que puede ocurrir en ellas cuando la película límite se consume y transcurre un instante de tiempo mientras reacciona el aditivo anti-desgaste del lubricante y la vuelve a restituir. COEFICIENTE DE FRICCION SÓLIDA Ocurre siempre que un mecanismo que va a operar bajo condiciones de película fluida se pone en marcha e interactúan y friccionan las películas límites de las dos rugosidades constituidas por el aditivo anti-desgaste que se encuentra adherido a ellas. Este coeficiente de fricción es menor que el coeficiente de fricción metal-metal y su valor depende de aspectos tales como la altura de las crestas de las rugosidades de las dos superficies, de si el lubricante utilizado es mineral ó sintético y si el movimiento del mecanismo sometido a fricción es por rodadura o por deslizamiento.
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COEFICIENTE DE FRICCIÓN FLUIDA Es la resistencia a la cizalladura que presenta la película lubricante que se forma entre dos superficies cuando operan bajo condiciones de lubricación fluida; varía con el incremento de la viscosidad por encima de su valor normal para un determinado mecanismo. El valor del coeficiente de fricción fluida (ff) depende de si el aceite es mineral ó sintético. COEFICIENTE DE FRICCIÓN ELASTOHIDRODINÁMICO Es un coeficiente de fricción equivalente (fe) que se presenta en aquellos mecanismos donde por sus condiciones operacionales no es factible que las rugosidades se separen sino que permanentemente están interactuando; se calcula del promedio del coeficiente de fricción sólida cuando las rugosidades interactúan y se deforman elásticamente y el fluido cuando se cizalla la película lubricante que se forma en el momento en que las dos rugosidades deformadas elásticamente aplastan el lubricante que ha quedado atrapado entre ellas. El valor del coeficiente de fricción Elastohidrodinámico ó EHL es mayor que el fluido y depende de la altura de las crestas de dos superficies sometidas a fricción y de sí el aceite es mineral ó sintético. En programas de Tribología tendientes a reducir el consumo de energía por fricción en componentes de máquinas lubricados se deben utilizar los valores de los coeficientes de fricción especificados por los fabricantes de los lubricantes en sus catálogos técnicos, en caso de que no sea posible conocer esta información se pueden utilizar con mucha aproximación los valores de los coeficientes de fricción para superficies lubricadas con diferentes tipos de lubricantes que se dan en la tabla 1, los cuales se han obtenido promediando valores típicos de lubricantes cuyos coeficientes de fricción se conocen. Los valores de estos coeficientes de fricción se dan para acabados superficiales entre 5 y 25 micras.
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TABLA 1 VALORES TIPICOS DE COEFICIENTES DE FRICCION PARA DIFERENTES TIPOS DE LUBRICANTES COEFICIENTE DE FRICCION MECANISMO
SOLIDA fs
FLUIDA ff
EHL fe
Mineral Sintético Mineral Sintético 1ra Generación
2da Generación
3ra Generación
Mineral Sintético Mineral Sintético Mineral Sintético 0.015 Rodamiento rígido de bolas
0.013
0.0085 0.00765 0.011
0.010
0.009
0.008
0.008
0.007
Rodamiento de 0.020 bolas de contacto angular
0.018
0.0090 0.00800 0.014
0.012
0.012
0.011
0.011
0.010
Rodamiento de 0.010 bolas a rótula
0.009
0.0080 0.00720 0.009
0.008
0.008
0.007
0.007
0.006
0.013
0.011
0.0083 0.00740 0.010
0.009
0.009
0.008
0.008
0.007
Rodamiento de 0.011 rodillos cilíndricos
0.009
0.0081 0.00720 0.009
0.008
0.008
0.007
0.007
0.006
Rodamiento de 0.018 rodillos cónicos, esféricos y a rótula
0.016
0.0088 0.00790 0.013
0.012
0.011
0.010
0.010
0.009
Rodamiento de 0.022 agujas
0.019
0.0095 0.00850 0.015
0.013
0.013
0.012
0.012
0.011
0.045 Engranajes cilíndricos de dientes rectos y helicoidales
0.040
0.0100 0.00900 0.027
0.024
0.024
0.022
0.022
0.020
0.065
0.058
0.0200 0.01800 0.042
0.038
0.038
0.034
0.036
0.032
Cojinetes lisos 0.060
0.054
0.008 (2)
0.030
0.030
0.027
0.028
0.025
Rodamiento axial de bolas
Engranajes sinfinCorona (1)
0.00720 0.034
Notas: (1) Por lo regular los engranajes sinfín-corona trabajan bajo condiciones de lubricación EHL. (2) El coeficiente de fricción equivalente fe para sistemas de lubricación por salpique es de 0,010 y para circulación de 0,005.
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LECTURA Nº3 LUBRICANTES ECOLÓGICOS INTRODUCCION La lubricación puede tener un impacto negativo sobre el ambiente dependiendo de su manejo, de las bases lubricantes y aditivos que se estén utilizando y de la manera como se dispongan los desechos. La conciencia ambientalista que se ha despertado en los países del mundo entero, principalmente a partir de los años 80¨s propende por la conservación de la tierra, el agua y el aire y cuida de que aquellos compuestos ó sustancias que le son dañinos no sean utilizados y sean reemplazados por productos alternativos. Los lubricantes minerales ó derivados del petróleo que se utilizan en volúmenes que ascienden a millones de galones de aceite diarios, fueron desde que se empezaron a utilizar y aún muchas empresas industriales lo hacen, arrojados a al tierra, a los ríos ó se quemaban como productos de combustión mezclados con un combustible. Como resultado de los últimos estudios sobre la contaminación de la atmósfera de la tierra que está ocasionando estragos en la capa de ozono atmosférico y causando el calentamiento de la tierra, se ha empezado a tomar conciencia acerca del uso adecuado de los lubricantes y de la disposición adecuada de sus desechos por parte de la industria mundial y de los fabricantes de lubricantes, surgiendo como consecuencia los "Lubricantes con Conciencia Ambiental" ó EAL (Environmental Awareness Lubricants) los cuales permiten la conservación de los recursos no renovables como el petróleo, reducción de las fuentes de contaminación, reciclaje y biodegradabilidad en el ambiente con un impacto mínimo sobre el mismo. Se pueden considerar lubricantes EAL aquellos que retrasan el impacto negativo ó que no tienen ninguna incidencia sobre el ambiente. En la actualidad se tienen tres grupos bien definidos de lubricantes EAL, a saber: ecológicos, biodegradables y no tóxicos. LUBRICANTES ECOLÓGICOS Se considera que un lubricante es ecológico cuando el efecto negativo que éste pueda tener sobre el ambiente es factible minimizarlo al máximo, como por ejemplo, utilizándolo hasta que su vida útil se agote. En este grupo se incluyen todos los lubricantes, aún los derivados del petróleo, cuyo impacto negativo sobre el ambiente, principalmente sobre el agua es bastante crítico, debido a que su proceso se biodegradabilidad es lento. Cuando un aceite mineral se cambia antes de tiempo se generan costos adicionales de mano de obra, agotamiento de los recursos no renovables como el petróleo, mayor consumo de energía al tener que explorar y explotar nuevos campos petrolíferos y producir cada día mayores volúmenes de bases lubricantes. Si se quiere lograr que los aceites minerales sean ecológicos, es necesario entonces, llevar a cabo el cambio del aceite en las máquinas por condición y no por frecuencias constantes, para ello es necesario efectuarle al aceite, dentro de ciertos intervalos de tiempo preestablecidos, análisis de laboratorio físico-químicos para determinar el momento preciso en que se debe cambiar y luego cuando finalmente se deseche proceder a hacer una correcta
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disposición de él. El aceite mineral una vez que ha cumplido su ciclo de vida, se debe recoger y almacenar en recipientes limpios y en buen estado. Posteriormente se puede disponer de él de acuerdo con las siguientes alternativas: · Reacondicionarlo ó recuperar la base lubricante por alguno de los diferentes procesos que existen (gravedad, centrifugación, filtros coalescentes, termovacío, tratamiento con arcilla ó destilación). · Mezclarlo con combustibles (previa filtración) para quemarlo en calderas, hornos, etc, por su valor energético. LUBRICANTES BIODEGRADABLES Todos los aceites son en menor ó mayor grado biodegradables, ocupando un lugar de privilegio los aceites vegetales y sintéticos. Los compuestos de menor peso molecular tienden a biodegradarse más rápidamente. La biodegradabilidad de un aceite se define como la habilidad que tiene un aceite para ser descompuesto en dióxido de carbono y agua por la acción de microorganismos en un período de tiempo determinado, que hacen que finalmente se vuelva poco nocivo para el entorno que lo rodea. Los aceites minerales pueden ser eventualmente descompuestos por microorganismos, pero se requiere un prolongado período de tiempo, por lo que no se definen como biodegradables. En la actualidad no existen normas universales aceptadas para determinar exactamente la biodegradabilidad y ninguna de las que están vigentes es totalmente satisfactoria. Las más importantes han sido desarrolladas por la EPA (Agencia para Protección del Medio Ambiente), la OECD (Organización para la Cooperación y Desarrollo Económico) y el CEC (Concilio Europeo de Coordinación). En los Estados Unidos, la ASTM (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales) está trabajando activamente en la definición y coordinación de guías y procedimientos de prueba para determinar la biodegradabilidad de los lubricantes. PRUEBA PARA MEDIR LA BIODEGRDABILIDAD PRUEBA EPA 560/6-82-003 Esta prueba conocida como Shaque Flask Test evalúa que más del 60% del carbón presente en el aceite se biodegrada convirtiéndose en dióxido de carbono en un tiempo máximo de 28 días. PRUEBA CEC-L-33-T-82 Esta prueba se desarrolló concretamente para evaluar el potencial de biodegradación aeróbica en el agua, de los aceites para motores de dos tiempos, y se publicó en 1.982. En la actualidad se utiliza ampliamente en Europa para comprobar la biodegradabilidad de los aceites en general. Esta prueba cuantifica que la biodegradabilidad (conversión del carbón a dióxido de carbono) del aceite sea al menos del 80% en 21 días.
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En la tabla No1 se especifica la biodegradabilidad de los diferentes aceites utilizando la prueba CEC-L-33-T-82. Tabla No1 Biodegradabilidad de diferentes tipos de lubricantes según la prueba CEC-L-33-T-82 Tipo de lubricante
Porcentaje de Biodegradabilidad
Aceites vegetales 90-100 Aceites sintéticos de Diésteres y Poliésteres 50-100 Aceites sintéticos de Polialfaolefinas 30-55 Aceites sintéticos de Polialkileneglicol 20-55 Aceites blancos 25-45 Aceites minerales 20-30 La definición de lubricantes biodegradables, los métodos de prueba utilizados y los objetivos varían entre los diferentes fabricantes de lubricantes como también entre los usuarios finales, por lo tanto es esencial que todas las instrucciones para evaluar la biodegradabilidad hagan referencia a los métodos de prueba utilizados y a los valores logrados. Desde un punto de vista de desarrollo técnico, más del 90% de los lubricantes actuales podrían ser elaborados realmente biodegradables; sin embargo tal cambio sería costoso y la eficiencia del lubricante podría estar comprometida, lo que hace que dicha posibilidad solo sea factible si los beneficios que se logren alcanzar son prometedores. En la actualidad la mayor utilización de los aceites biodegradables es en aquellas aplicaciones a plena pérdida donde el ambiente se encuentre seriamente comprometido como en el caso de motosierras, transporte férreo y terrestre, corrosión, grasas, fluidos hidráulicos, herramientas de aire, cables de acero y engranajes abiertos. Al hablar de que un aceite es biodegradable no significa que el usuario lo elimine a través del desagüe, ya que de todas maneras el tiempo que tarda el lubricante en biodegradarse y los contaminantes sólidos y metálicos que tenga afectan el ambiente; por lo tanto al terminar su vida útil una posibilidad para eliminarlos es quemándolos en una instalación diseñada para tal efecto. Cuando se presente un derrame de un aceite, ya sea biodegradable ó no , en ó cerca del agua, como en el caso de cualquier aceite mineral, se debe contener y secar con aserrín, harina fósil, etc. Teniendo en cuenta las recomendaciones dadas en la tabla No1, los aceites básicos utilizados como lubricantes biodegradables son los vegetales, los diésteres y poliésteres, las polialfaolefinas y los polialkileneglicoles. LUBRICANTES NO TOXICOS La toxicidad de un lubricante se mide por los efectos nocivos que éste pueda tener sobre el ambiente global (hombre, animales, agua y flora) ; se mide con la prueba EPA 560/6-82002 de toxicidad acuática y WHC europea. 108
PRUEBA EPA 560/6-82-002 Es una prueba que consiste en tener un número indeterminado de peces (se utiliza la trucha arco iris debido a que es el pez más común en los ríos) en un estanque con agua a la cual se le adiciona en ppm ( partes por millón ) el aceite que se quiere evaluar. El aceite se considera que es no tóxico si sobreviven el 50% de los peces después de 96 horas con una concentración de mínima de aceite en el agua de 1.000 ppm. PRUEBA WHC Esta prueba europea clasifica los aceites en cuatro grupos de acuerdo con su potencial de desechos peligrosos basados en la toxicidad a las bacterias y peces. Las clasificaciones son: · WHC O: No compromete la calidad del agua. · WHC 1: Compromete ligeramente la calidad del agua. · WHC 2: Compromete la calidad del agua. · WHC 3: Compromete seriamente la calidad del agua. En la tabla No2 se especifican las clasificaciones típicas WHC para diferentes tipos de lubricantes. Tabla No2 Clasificación de la toxicidad según WHC para diferentes tipos de lubricantes Tipo de lubricante Toxicidad según WHC Aceites vegetales de colza. 0 Aceites sintéticos de 0 Diésteres y Poliésteres. Aceites sintéticos de 0-1 Polialfaolefinas Aceites sintéticos de 1-2 Polialkileneglicoles Aceites minerales.
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CONCLUSIONES Los "Lubricantes con Conciencia Ambiental" ó EAL son los protagonistas de la lubricación productiva en el presente y serán los responsables de velar porque la lubricación del futuro no afecte el ambiente sino que forme parte integral de él. Los nuevos desarrollos en lubricación deben tener como finalidad que cuando se le cambie el aceite a una máquina, éste se le pueda aplicar a la tierra y sirva como abono de la misma. No sería utópico pensar que las investigaciones en lubricación conduzcan a la formulación de aceites vegetales que una vez que se oxiden como resultado de su trabajo normal en una máquina, se puedan reutilizar como abono para la tierra al formar compuestos químicos que sirvan como
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nutrientes. En este caso se tendría un ciclo regenerativo completo en el cual la tierra a través del hombre velaría por su propia conservación. Se deben tener en cuenta los tres tipos de lubricantes en cuanto a su impacto con respecto al ambiente: ecológicos, biodegradables y no tóxicos. El lubricante mineral como se expuso anteriormente puede ser ecológico aunque su grado de biodegradación sea mínimo (2030%), pero no obstante si se tiene en cuenta que la ecología se puede definir como "el impacto del individuo sobre el ambiente" , así también es factible lograr que un lubricante mineral sea ecológico, si se utiliza hasta el final de su vida útil y se hace buen uso del aceite de desecho. Los lubricantes biodegradables no necesariamente son no tóxicos y viceversa, por lo tanto es necesario tener siempre presente estos dos conceptos a la hora de seleccionar los lubricantes para un programa de lubricación productiva. De igual manera, el hecho de que un lubricante sea no tóxico no quiere decir que se pueda utilizar como uno de tipo USP (para la industria alimenticia y farmacéutica). Algunas compañías fabricantes de lubricantes han desarrollado y están comercializando lubricantes biodegradables y no tóxicos especialmente para motores de 2 tiempos fuera de borda, maquinaria agrícola, minería, hidráulicos y para refrigeración. Se espera que muy pronto los fabricantes de lubricantes estén inundando el mercado de estos lubricantes y que la industria popularice su empleo.
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LECTURA Nº4 ADITIVOS DETERGENTES DISPERSANTES INTRODUCCIÓN Los aditivos detergentes-dispersantes se utilizan solamente en los aceites para lubricación de motores de combustión interna de 2 y de 4 tiempos ya sean Diesel ó a gasolina debido a que cuando el combustible se quema en la cámara de combustión, se producen depósitos en forma de lacas, barnices, gomas y lodos. La cantidad de depósitos que se forman depende de la composición del combustible y de las temperaturas de operación, siendo mayor en los motores Diesel debido a que las temperaturas son más altas. A bajas temperaturas (condiciones de pare y arranque) la formación de estos depósitos se atribuye principalmente al combustible parcialmente quemado y a los productos de la oxidación del combustible que se forman durante el proceso de combustión los cuales entran al carter a través de los anillos del pistón y del cilindro. El origen de los depósitos es diferente en los motores Diesel y a gasolina y afectan de manera diferente el funcionamiento del motor y al ambiente. FORMACIÓN DE DEPOSITOS Los depósitos en los motores de combustión interna se forman como resultado de la utilización de combustibles derivados del petróleo los cuales contienen en su estructura molecular compuestos de carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, etc, que al someterlos a un proceso de combustión dan lugar a CO, CO2, NOx, lacas, barnices, gomas, lodos, hollín y carbón. Algunos de estos contaminantes salen con los gases de la combustión al ambiente y los residuos sólidos y los ácidos formados se depositan en las paredes del cilindro, ranuras de los anillos, en la cabeza del pistón y en las válvulas de admisión y de descarga, especialmente en esta última. Las lacas, barnices y gomas al depositarse en las faldas de los pistones disminuyen la eficiencia en la transmisión de calor desde los pistones hasta los anillos y desde allí hacia los cilindros, dando lugar a que el motor trabaje más caliente, lo cual acelera el proceso de oxidación del aceite empeorando la situación. Los depósitos sólidos se incrustan dentro de las ranuras de los pistones donde trabajan los anillos restringiendo la libre circulación, a través de ellos, de los gases de la combustión, impidiendo con ello que no se lleve a cabo la respectiva caída de presión y que por lo tanto la presión de dichos gases en la falda de los pistones sea más alta que la presión del aire en el carter del motor, trayendo como resultado pérdida de potencia y dilución del aceite por combustible. DEPOSITOS EN LOS MOTORES A GASOLINA En los motores a gasolina, las gasolinas de craqueo catalítico contienen cantidades importantes de hidrocarburos altamente reactivos como las diolefinas, los compuestos de oxígeno, nitrógeno y azufre los cuales durante el ciclo de compresión se oxidan formando peróxidos, esterés, aldehídos, ácidos y oxiácidos, los cuales van mezclados con óxido de nitrógeno y azufre; estos productos pasan por la zona de los anillos hasta el carter 111
y entran en contacto con el aceite, pero como son poco solubles en él, hacen que rápidamente se sature y que los residuos que quedan se precipiten en forma de una fase líquida, la cual se condensa y se polimeriza formando resinas oleoinsolubles que producen lacas, barnices, lodos y productos carbonosos que se adhieren a las diferentes partes del motor como pistones, anillos cilindros y válvulas de admisión y descarga. DEPOSITOS EN LOS MOTORES DIESEL La presencia de depósitos en motores Diesel se debe principalmente a que el azufre que contiene el combustible reacciona con el agua proveniente de la combustión del combustible y da lugar a la formación de ácido sulfúrico; aunque la mayor parte de él escapa fuera del motor, las trazas que quedan reaccionan con el aceite formando depósitos que se acumulan alrededor de los anillos, ranuras del pistón, cabezas de los pistones y en las válvulas de admisión y escape. Uno de los problemas más críticos que se presenta en los motores Diesel es el desgaste corrosivo en las diferentes partes del motor expuestas a la acción de los gases de la combustión. ADITIVOS DETERGENTES-DISPERSANTES Es muy importante tener en cuenta la diferencia que hay entre los aditivos detergentes y los dispersantes ya que cada uno de ellos trabaja de manera diferente en el aceite automotor. La detergencia del aceite solo actúa cuando las temperaturas de operación del motor son normales y la dispersancia cuando dichas temperaturas son bajas; debido a que durante el funcionamiento del motor se presentan ambas condiciones, se requiere que el aceite tenga los dos tipos de aditivos y por lo tanto se dice que los aceites de motor son detergentesdispersantes. A pesar de que estos dos tipos de aditivos son característicos de los aceites automotores, en la actualidad se están utilizando cada vez con mayor frecuencia en los fluidos para transmisiones automáticas, en los aceites para transferencia de calor ya que ayudan a evitar la deposición de lacas y barnices resultantes de la oxidación del aceite, complementando así la acción de los aditivos inhibidores de la oxidación. DETERGENTES El control de la cantidad de depósitos presentes en las partes calientes del motor se logra mediante la utilización de aditivos detergentes en los aceites automotores, los cuales disuelven las resinas oleo-insolubles, las mantienen en suspensión y neutralizan el material ácido presente en el aceite. La capacidad detergente de un aceite se mide mediante un parámetro que se conoce como el BN ó Número Básico del aceite; la disminución de la capacidad detergente del aceite se refleja por el descenso de su BN. Sin la ayuda de los aditivos detergentes el aceite no podría desprender y mantener en suspensión los depósitos que se produzcan. Los aditivos detergentes más utilizados son los jabones orgánicos y las sales de metales alcalinos, tales como el bario, el calcio y el magnesio; estas sustancias son a menudo llamadas compuestos metalo-orgánicos. También se utilizan ampliamente los sulfonatos de bario, calcio y magnesio y los fenatos de bario y calcio (ó sulfuros de fenol). Los fenatos 112
son quizás los más empleados en la actualidad, por ser los que dan mejores resultados a temperaturas muy elevadas como en el caso de los motores Diesel Turboalimentados. Los detergentes metalo-orgánicos cuando se queman producen cenizas, las cuales bajo determinadas condiciones son perjudiciales ya que pueden contribuir a la formación de depósitos en las cámaras de combustión; en otros casos son deseables ya que proporcionan capas resistentes al desgaste en las superficies metálicas, tales como en las válvulas y sus asientos. DISPERSANTES La dispersancia del aceite es la capacidad que tiene de dispersar los lodos húmedos originados por el funcionamiento frío del motor a bajas temperaturas; estos lodos están constituidos por una mezcla compleja de productos no quemados de la combustión, carbón, óxidos y agua. Como aditivos dispersantes se emplean los copolímeros, los polímeros hidrocarbonados, los alquinil-sicinamidas, las amidas y las poliamidas, los ésteres poliésteres y las sales amínicas de alto peso molecular. CONCLUSIONES La capacidad de los aditivos detergentes-dispersantes de lavar y mantener en suspensión los depósitos que se forman durante el proceso de combustión del combustible en los motores a gasolina y Diesel permite que estos equipos funcionen de manera eficiente y durante largos periodos de tiempo. Esto solo se logra siempre y cuando se seleccione correctamente el aceite automotor para cada aplicación en particular teniendo en cuenta el BN del aceite y su nivel de calidad API (Instituto Americano del Petróleo). Para los motores a gasolina el BN es de 7,0 (las unidades de este parámetro son mgrHCL/gr.ac.us.) y para los motores Diesel de 12. La especificación API vigente para motores a gasolina es la SL y para Diesel CH.
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LECTURA Nº5 AGUA Y ACEITE El agua es uno de los contaminantes que más incide en la reducción de la vida de los elementos lubricados en las máquinas rotativas y puede estar presente en el aceite en forma libre, diluida ò emulsionada, siendo igualmente crítica su presencia en cualquiera de estas formas ya que afecta el espesor de la película lubricante permitiendo que las rugosidades de las superficies que se encuentran en movimiento relativo choquen , se suelden y generen desgaste adhesivo, el cual puede llegar a ser crítico y causar la falla catastrófica del elemento lubricado. El agua puede ingresar hasta el aceite a través de retenedores defectuosos, procedente de fuentes externas de agua, siendo la más común cuando lavan los equipos con chorro de agua a presión; cuando el equipo trabaja a temperaturas por encima de los 50ªC y por condiciones de proceso es necesario arrancarlos y pararlos frecuentemente, la humedad presente en el aire caliente que se encuentra dentro del equipo se condensa y el agua cae sobre el aceite, contaminándolo. Otra causa que se presenta con no poca frecuencia es la que tiene su origen como resultado de un almacenamiento deficiente del aceite ya sea en el cuarto de lubricantes ó cuando el tambor de 55 galones de aceite se almacena a la intemperie con la tapa y el tapón hacia arriba, permitiendo que la humedad presente en el ambiente penetre hasta el aceite debido a las dilataciones y contracciones del tambor metálico que contiene el aceite, en condiciones normales pueden ingresar hasta 60 cm3 de agua en 24 horas, si llueve ó sobre la parte superior del tambor se acumula agua, la cantidad de ésta que llega hasta el aceite es mayor. La falta de recipientes adecuados para aplicar el aceite también puede incidir en este problema ya que en muchas fábricas se utilizan como aceiteras botellas de vidrio ó jarras de plástico sin tapas. PROBLEMAS QUE GENERA LA PRESENCIA DE AGUA EN EL ACEITE Como ya se mencionó el más crítico es el rompimiento de la película lubricante ya que conlleva al agarrotamiento del mecanismo lubricado; otros son el aporte que hace este contaminante al proceso de oxidación del aceite mineral ya que conlleva al incremento acelerado del AN (Número Acido) y por lo tanto a la formación de ácido sulfúrico, gomas y lacas que hacen que el aceite se tenga que cambiar prematuramente y finalmente a problemas de corrosión en materiales blancos y a herrumbre en los ferrosos. FORMAS DE ELIMINAR EL ACEITE DEL AGUA La más sencilla y elemental es drenando el agua cuando ésta se encuentra en estado libre en el aceite, esto se da como resultado de la acción de los aditivos anti-emulsionantes con que cuenta el aceite los cuales permiten que la tensión interfacial entre el agua y el aceite sea alta (mayor de 17 dinas/cm) y que el agua por su mayor gravedad específica se vaya al fondo del depósito donde se encuentra localizado el aceite; en este caso es de primordial importancia que el equipo cuente con válvula de drenaje ya que de lo contrario aunque el agua se separe del aceite no será posible eliminarla de éste y terminará emulsionándose con el agua. Es necesario, dentro de los programas preventivos de lubricación que se llevan acabo en las empresas, tener en cuenta que todos los equipos que se lubrican con aceite 114
tengan su respectiva válvula de drenaje. Una buena práctica es que diariamente cuando se revisa el nivel de aceite del equipo se abra la válvula de drenaje, esta es una acción que puede llevar a cabo el operador del equipo ya que es la persona que permanentemente está en contacto con el equipo. Cuando el agua se encuentra diluida en el aceite (pequeñas partículas en suspensión) se puede separar por medio de filtros coalescentes ó por centrifugación siempre y cuando el proceso se haga a temperaturas cercanas a los 70ªC. Si el aceite ha alcanzado un estado de emulsionamiento con el agua (color amarillo lechoso ó blanco) la única manera de eliminarle el agua es mediante un proceso de termo-vacío ó de diálisis. En cualquier caso la mejor recomendación para que el agua no contamine el aceite es eliminándola en el momento en que empieza a contaminar el aceite. Para determinar si un aceite está ó no contaminado con agua se le puede hacer la prueba de crepitación que consiste en dejar caer sobre una superficie caliente unas cuantas gotas de agua y si el aceite crepita ó chisporrotea (ruido similar a cuando se dejan caer unas cuentas gotas de agua sobre una superficie caliente) el aceite está contaminado con agua; este método es cualitativo por lo que es necesario posteriormente hacerle la prueba de contenido de agua mediante el método ASTM D95 (máximo permisible de 0,2% vol excepto para los aceites dieléctricos que es de 0,005% vol y para los de refrigeración que es de 0,0073% vol) y de demulsibilidad ASTM D1401 ( se considera que un aceite tiene una buena demulsibilidad si se separa del agua totalmente en 1 minuto).
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LECTURA Nº6 ALTAS TEMPERATURAS DE OPERACION Es muy frecuente encontrar en las empresas industriales equipos rotativos cuya temperatura de operación en algunos casos llega hasta los 100ªC y sin embargo se considera que son valores "normales" porque siempre estos equipos han trabajado bajo estas condiciones y que ha pesar de que presentan problemas como formación de carbón debido a la oxidación del aceite, fractura o descascarillado de las superficies sometidas a fricción y frecuencias de cambio del aceite hasta de cada quince días, los usuarios de estos equipos se limitan solamente a cambiarles el aceite y reponer las piezas que por desgaste adhesivo ó por fatiga se dañen. Esto como es obvio limita la confiabilidad del equipo, su disponibilidad e incrementa los costos de mantenimiento. Se considera que la temperatura de operación de un equipo empieza a ser crítica para valores por encima de los 50ªC; lo ideal sería que en ningún momento se superara este valor. Si se tienen equipos que trabajan por encima de dicha temperatura es bueno tener presente que se tiene un problema que es necesario resolver. Los aceites minerales duplican su rata de oxidación por cada 10ªC de incremento en la temperatura por encima de los 50ªC ; así por ejemplo si se tiene un aceite mineral que trabaja a una temperatura de 50ªC su frecuencia de cambio en promedio es de un año (siempre y cuando contaminantes como el agua y partículas metálicas como el cobre y el hierro no estén presentes por en cima de los valores máximos permisibles) y si se tiene el mismo aceite en otro equipo en el cual está trabajando a 80ºC su frecuencia de cambio sería aproximadamente de cada mes y medio; si este aceite no se cambia dentro de esta frecuencia, se tendrían problemas críticos de desgaste adhesivo en los mecanismos lubricados. ORIGEN DE LAS ALTAS TEMPERATURAS DE OPERACIÓN EN LOS EQUIPOS ROTATIVOS Antes de intentar reducir temperaturas altas de operación en un equipo rotativo es muy importante analizar su origen ya que de lo contrario se podrían dar soluciones muy costosas ó inadecuadas. Las causas más comunes que originan altas temperaturas en los equipos lubricados son: · Altos coeficientes de fricción fluida ó EHL debido a los lubricantes utilizados. · Deficiente área de transmisión de calor (carcasa) en los elementos lubricados. · Falta de sistemas de enfriamiento adicionales en los equipos rotativos como enfriadores de aceite y ventiladores. · Altos ó bajos niveles de aceite. · Alta ó baja viscosidad del aceite utilizado. · Problemas mecánicos en los equipos rotativos como desalineamientos, desbalanceos, solturas ó roces. Una vez que se tiene identificada la causa de la alta temperatura de operación en un equipo rotativo se hacen los cálculos necesarios para reducirla como mínimo hasta los 50ªC. Por lo regular la causa más frecuente de las altas temperaturas es el exceso de fricción en la película lubricante como resultado del uso de aceites con altos coeficientes de fricción (aún
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hoy en día se presenta este problema a pesar de tener disponibilidad de lubricantes con bajos coeficientes de fricción), por lo tanto es muy importante enfocar el análisis preliminar por este lado como primera causa a analizar ya que si no se tiene en cuenta este aspecto y se procede a enfriar el aceite se tendría un doble proceso improductivo, ya que al calentar el aceite por fricción hay consumo de energía la cual proviene de la energía disponible en el eje de entrada del mecanismo y al enfriar el aceite se tendría que consumir otra cantidad de energía para mover la bomba que hace fluir el aceite hasta el enfriador de aceite. Finalmente cuando se tiene optimizada la cantidad máxima de energía que se puede generar por fricción se procede a calcular , fabricar y montar el sistema de enfriamiento correspondiente. SOLUCION A LAS ALTAS TEMPERATURAS DE OPERACION · Control de la fricción en los elementos lubricados. · Montaje de sistemas de enfriamiento individuales ó centralizados si se requiere enfriar el aceite de varios equipos simultáneamente y que están muy próximos entre sí.
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LECTURA Nº7 BENEFICIOS Y PROBLEMAS CON LA IMLEMENTACION DE ACEITES SINTETICOS INTRODUCCION La implementación de aceites sintéticos en equipos rotativos que han sido diseñados para trabajar con aceites minerales es más compleja de lo que aparentemente parece; en la mayoría de los casos los usuarios pasan por alto un buen número de detalles importantes, que pueden conducir a corto ó a largo plazo a la falla a la falla del equipo rotativo ó a que los resultados obtenidos no sean los esperados, generando frustraciones que conllevan a que en el futuro no se vuelva a analizar la posibilidad de utilizar este tipo de lubricantes. Quizás el aspecto más importante qué por lo regular no se tiene en cuenta es el de no tener claro el porqué se desea utilizar un aceite sintético, verdaderamente esto obedece a una necesidad ó a una simple curiosidad debido a que insistentemente hoy, más que en ninguna otra época, se habla del tema como una alternativa para ampliar los cambios de aceite en los equipos rotativos, proteger el ambiente por ser más biodegradables ó reducir el consumo de energía por menor fricción al tener estos aceites un coeficiente de fricción fluida ó EHL más bajos. Cualquiera que sea el objetivo bajo el cual se va a utilizar un aceite sintético en lugar de un mineral, es muy importante tener en cuenta la compatibilidad del aceite sintético que se va a utilizar frente a los aceites minerales, pinturas, retenedores, etc. En la Tabla No 1 se especifican las propiedades Físico-Químicas más importantes de los diferentes tipos de aceites sintéticos y los aspectos más relevantes que es necesario tener en cuenta antes y durante su aplicación
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Tabla No1 Propiedades físico-químicas de los lubricantes sintéticos versus los minerales N Propiedad o
Tipos de Aceite
ESTERES Minera ARA FLU SILI PAO PAG PO POL l L C C ADI AFO SIL L E 01 Propiedades B B B B E M MB E E M MB lubricantes 02 Viscosidad- M B B M M E E P P E MB temperatura 03 Estabilidad M M B M MB MB B M E B B térmica 04 Resistencia al P P M P E M M E M M M fuego MB P M E MB MB B MB MB M 05 Estabilidad a M la oxidación (con inhibidor) B B B B B B M P B B 06 Fluidez aP bajas temperaturas E E B E B M M M 07 Propiedad antiherrumbre (con inhibidor) 08 Estabilidad a E E B E MB B M M E P M la hidrólisis 09 Volatilidad M B B B M B E B B B E 10 Solubilidad E B M E P MB B MB con aditivos E M E B B B P M M M 11 Compatibilida E d con pinturas y barnices E P E P P B M B M M 12 Compatibilida d con aceites minerales N L L M L M F L L F 13 Tendencia a L ablandar el Buna N 14 Costo Bajo Medi Medi Medio Muy Alto Medi Medio Muy Alt Medio o o alto o alto o Notas: (1) PAO: Polialfaolefina(2) PAG: Polialkileneglicol(3) ARAL: Aromáticos Alquilatados(4) FLUC: Fluorocarbonos(5) SILIC: Siliconas(6) ADI: Esteres de ácidos dibásicos(7) AFO: Esteres de ácido fosfórico (8) POL: Esteres de polifenil (9) SIL: Esteres de silicato(10) POLE: Poliésteres
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Nomenclatura:F: Fuerte; Excelente; MB: Muy Buena; B: Buena; M: Moderada; L: Ligera; P: Pobre; N: Ninguna
CASOS HISTORICOS Es muy importante cuando no se cuenta con la suficiente experiencia en la utilización de lubricantes sintéticos, documentarse muy bien sobre casos similares donde se han aplicado de tal manera que se tenga una idea clara sobre los posibles inconvenientes que se pueden presentar y como afrontarlos con el fin de obtener los resultados esperados. Una buena guía es la información dada en la Tabla No1, donde se especifican las diferentes propiedades físico-químicas de los aceites sintéticos más importantes, su compatibilidad con otros tipos de aceites y los posibles problemas que se pueden presentar con su utilización. Los siguientes casos históricos pueden servir adicionalmente para lograr una correcta aplicación y desempeño del aceite sintético. Caso histórico No1 Un fabricante de reductores de velocidad, mediante pruebas de campo, llegó a la conclusión de que podía lograr una disminución de 0,5 HP en la potencia nominal requerida en sus reductores de velocidad de reducción simple y con una potencia nominal en el eje de entrada de 50 HP, al utilizar un aceite sintético del tipo PAG y de un grado ISO 150. Caso histórico No2 Un fabricante de reductores de velocidad sinfín-corona, observó que al utilizar un aceite sintético del tipo PAO, en sus reductores de velocidad de relación de velocidad de 15:1, podía aumentar la potencia de entrada en un 15% sin que la temperatura de operación variara significativamente. Caso histórico No3 Los objetivos propuestos en el logro de las metas de producción en las plantas industriales, en muchas ocasiones mantienen las máquinas funcionando mes tras mes a la máxima capacidad, aunque el ingeniero proyectista pudiera haber supuesto condiciones operacionales y cargas intermitentes. Las modificaciones del equipo en la planta donde funciona ó la operación bajo condiciones diferentes a las de diseño, a fin de hacerle frente a nuevas demandas de producción a menudo salen muy costosas, porque terminan afectando la vida de los mecanismos lubricados. La utilización de un lubricante sintético, en estos casos, puede a un bajo costo, resolver problemas pertinentes a cambios en la producción ó a situaciones no previstas en el proyecto técnico de la máquina. Caso histórico No4
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Los rodamientos de apoyo de los cilindros de secado una máquina productora de papel funcionaban a 90°C y se lubricaban con un aceite mineral parafínico de un grado ISO 220 y con un IV de 100. El aceite se oxidó y las gomas y depósitos que se formaron taponaron parcialmente los conductos de lubricación, con grave riesgo para el buen funcionamiento de los rodamientos. El problema se resolvió implementando la utilización de un aceite sintético del tipo PAO, de un grado ISO 100, y con un IV de 154, el eliminó la obstrucción de los conductos de lubricación, y redujo la temperatura de operación de los rodamientos a 80ºC. Caso histórico No5 La temperatura de operación de los reductores de velocidad de un tren laminador de tubos alcanzaba los 100ºC, lo cual ocasionaba picaduras y descostrado en los rodamientos y engranajes de los reductores de velocidad, cristalización de los retenedores de aceite, formación de gomas, lacas y costras de carbón, causando elevados costos de mantenimiento por lucro cesante, Horas-Hombre, consumo de repuestos y lubricantes. Con un aceite sintético del tipo PAO-Diester, el problema quedó resuelto y el tren de laminación quedó funcionando a plena capacidad sin interrupciones. Caso histórico No6 En la lubricación de los cilindros de alta y de baja presión de un compresor de Polietileno de baja densidad se venía utilizando un aceite mineral puro ISO 320 a plena pérdida a razón de una rata de 10 gotas por minuto de aceite; se decidió cambiar este aceite por uno del tipo PAG ISO 320 debido a problemas de calidad en el plástico que se producía a partir del polietileno. Para llevar a cabo el cambio del aceite, se paró el compresor, se limpiaron las tuberías de conducción del aceite hasta cada uno de los puntos de lubricación y se limpió el manzel ó depósito de aceite para lubricación de los cilindros. Desafortunadamente la limpieza no se hizo correctamente en los conductos y orificios de salida de aceite hasta los cilindros, quedando trazas de carbón y gomas del aceite mineral utilizado, las cuales fueron removidas por el aceite sintético del tipo PAG, que entre otras propiedades importantes que tiene, se caracteriza por ser altamente detergente, dando lugar al taponamiento de dichos orificios e interrumpiendo el flujo de aceite al cilindro de presión intermedia lo cual originó que el pistón de esta etapa se agarrotará y rayara el cilindro y el compresor saliera de servicio por espacio de tres días. El lucro cesante, incluyendo los costos de mantenimiento fue de US $300.000 (costo actual). Finalmente, el Departamento de Mantenimiento de la empresa decidió no volver a utilizar el aceite sintético del tipo PAG por considerar que "no era el adecuado" para este tipo de aplicación, a pesar de que en varias empresas similares a nivel mundial se esta utilizando con excelentes resultados. En este caso el problema radicó en la falta de limpieza de los orificios de salida del aceite hasta los cilindros, la cual si no se efectúa en una reparación completa que se le haga al compresor es muy difícil de asegurar que queden limpios, por lo tanto en casos como éste, no es recomendable cambiar un aceite mineral por uno sintético del tipo PAG mientras no se garantice una absoluta limpieza, de todos los conductos a través de los cuales fluye el aceite.
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Caso histórico No7 Como argumento a la Gerencia General de una empresa para que utilizara un aceite sintético del tipo PAO en lugar del parafínico que venían utilizando de un grado ISO 220 EP con un IV (Indice de Viscosidad) de 100 y a una temperatura de operación de 90°C, en los dos reductores de velocidad que le transmitían la potencia a dos extrusores, fue el de que dicho aceite sintético permitiría ahorrarle a la empresa 6 amperios por reductor de velocidad, lo cual representaría un ahorro total anual de U$2.000 (costo actual) por menor consumo de energía por fricción. La prueba se llevó a cabo y la utilización definitiva del aceite sintético quedó sujeta a que en la práctica se comprobara el ahorro de energía por menor fricción propuesto. La prueba se montó con un aceite sintético de la misma marca que el mineral utilizado y de un grado ISO 220 EP con un IV de 165. Una vez que los reductores de velocidad empezaron a funcionar con el aceite sintético el consumo de energía en lugar de disminuir los 6 amperios propuestos, aumentó en 15 amperios más y la temperatura aumentó y se estabilizó en 112°C. Como era de esperarse, con los resultados obtenidos se perdió la credibilidad por parte de la Gerencia General de la empresa, sobre los beneficios de utilizar lubricantes sintéticos en sus reductores de velocidad. Una vez analizado el problema se llegó a la conclusión que el aceite sintético al tener un IV de 165 versus 100 del aceite parafínico y al utilizar el mismo grado ISO, a una temperatura de trabajo, Ttrabajo de 90°C, la viscosidad de trabajo, vtrabajo, del aceite sintético es mucho mayor que la viscosidad de diseño, vdiseño, dando lugar a un elevado incremento en la fricción fluida dentro de la película lubricante con lo que el consumo de energía por fricción fluida en lugar de disminuir aumentó al igual que la Ttrabajo. En este caso fue necesario recalcular el grado ISO del aceite sintético a utilizar, en un gráfico Viscosidad-Temperatura, teniendo en cuenta la Ttrabajo, la vdiseño y que el tipo de aceite sintético utilizado en promedio disminuía la Ttrabajo en 10°C. El aceite sintético requerido del tipo PAO, fue de un grado ISO 150 EP, con el cual una vez que se implementó se lograron los objetivos propuestos. Caso histórico No8 Luego de hechos los cálculos de la viscosidad requerida y de seguir los procedimientos del caso, se implementó en los 8 reductores de velocidad de una torre de enfriamiento un aceite sintético del tipo PAG. Se le dio al personal de operaciones la capacitación necesaria sobre el buen uso de los aceites sintéticos y de los problemas que se podían presentar en los reductores de velocidad si se mezclaba el aceite sintético del tipo PAG con el parafínico. Se colocaron avisos junto a las escaleras de acceso a la torre de enfriamiento y en la parte exterior de los conos donde van alojados los reductores de velocidad con la leyenda, ADVERTENCIA: NO MEZCLAR EL ACEITE SINTETICO CON EL MINERAL YA QUE SE PRODUCIRA LA FALLA CATASTROFICA DEL REDUCTOR DE VELOCIDAD. En la parte alta de la torre de enfriamiento quedó un tambor de 55 galones de aceite mineral a la espera de poder bajarlo mediante la utilización de una grúa ya que por la altura de la torre (20 metros aproximadamente) resultaba bastante dispendioso hacerlo manualmente; en la parte inferior de la torre de enfriamiento quedó un tambor de 55 galones de aceite sintético, para que el operador sacara la cantidad de aceite que necesitara en caso de que el nivel de aceite en los reductores de velocidad disminuyera por alguna causa. 122
Aproximadamente a los tres meses de estar trabajando los reductores de velocidad con el aceite sintético, se frenó uno de ellos intempestivamente quedando agarrotados los ejes de entrada y de salida. Se inspeccionó el reductor de velocidad y se encontró completamente llenó de una brea similar al asfalto, la cual una vez analizada en el laboratorio se constató que era la reacción química entre el aceite sintético del tipo PAG y el mineral. Una vez que se llevó a cabo el análisis de falla respectivo se llegó a la conclusión que los operadores de la planta, inicialmente cuando a los reductores de velocidad les faltaba aceite, subían la cantidad requerida desde la parte inferior de la torre de enfriamiento hasta donde se hallaban ubicados los reductores de velocidad, pero luego de un determinado tiempo, uno de los operadores, para ahorra tiempo y esfuerzo, optó por no volver a subir aceite sintético sino aplicarle del mineral que estaba ubicado en la parte superior de la torre de enfriamiento hasta que como era obvio se presentó la falla del reductor de velocidad por la incompatibilidad de estos dos aceites (ver Tabla 7.3). Una vez ocurrida la falla del reductor de velocidad se inspeccionaron los demás reductores de velocidad y se encontraron igualmente con abundante cantidad de asfalto, lo que hizo necesario parar uno a uno, lavarlos con un solvente y aplicarles nuevamente el aceite sintético. Caso histórico No9 Se decidió utilizar un aceite sintético del tipo PAO con aditivos EP a base de Bisulfuro de Molibdeno, en la lubricación de un reductor de velocidad. Los engranajes y rodamientos del reductor de velocidad se lubricaban por circulación a presión mediante una bomba de engranajes acoplada al eje de baja velocidad. La tubería del circuito de lubricación era de material de cobre, de ¼” de diámetro, el cual es un catalizador de la reacción de oxidación del aceite, por lo que se decidió cambiarla por material de acero inoxidable. Los diferentes componentes del sistema de circulación de aceite, como codos, tees, tramos de tubería, etc, se soldaron con soldadura de plata. A los pocos días de estar trabajando el reductor de velocidad con el aceite sintético, los diferentes componentes del sistema de lubricación se desacoplaron y algunos tramos de la tubería de ¼” se introdujeron entre los dientes de los engranajes dando lugar a la rotura de los dientes y a la falla catastrófica del reductor de velocidad. Una vez hecho le respectivo análisis de falla se encontró que la soldadura de plata es incompatible con el Bisulfuro de Molibdeno, el cual estaba presenté como aditivo EP en el aceite sintético que se utilizó. El Bisulfuro de Molibdeno ataca la soldadura de plata, la descompone y hace que los elementos soldados con ella se desacoplen.
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LECTURA Nº8 DESGASTE EROSIVO DESGASTE El desgaste es el fenómeno que más afecta la productividad de las máquinas ya que obliga a su detención ya sea de manera programada ó intempestiva cuando alguno de sus componentes falla de manera catastrófica. En los componentes de las máquinas se presentan algunos tipos de desgaste como el erosivo y el abrasivo que de manera silenciosa van desgastando sus superficies de fricción sin que el usuario en la mayoría de los casos detecte a tiempo condiciones anormales en su funcionamiento, las cuales conllevan inexorablemente a su deterioro, pérdida de tolerancias, a un comportamiento errático y por consiguiente a su reemplazo. No obstante a pesar de que es difícil en la práctica detectar los desgastes erosivo y abrasivo, sin embargo, el aceite se puede monitorear periódicamente mediante un Conteo de Partículas, el cual permite conocer la cantidad de partículas sólidas y metálicas clasificadas por tamaño presentes en el aceite; si la cantidad de partículas está por encima del valor máximo permisible para el mecanismo que el aceite lubrica, es necesario filtrar ó cambiar el aceite para evitar que se presente el desgaste erosivo ó abrasivo en el mecanismo. DESGASTE EROSIVO Es la pérdida lenta de material en las rugosidades de las dos superficies que se encuentran en movimiento relativo como resultado del impacto de partículas sólidas ó metálicas en suspensión en el aceite de un tamaño mucho menor que el mínimo espesor de la película lubricante. Estas partículas al entrar en la zona de la película lubricante, cambian su trayectoria lineal como resultado del cambio de presiones, se desordenan y chocan con las rugosidades; es posible que cuando empiezan a chocar no causen desgaste, pero van fatigando poco a poco las superficies que impactan hasta que finalmente dan lugar al desprendimiento de material. El desgaste erosivo, entre dos superficies lubricadas, siempre estará presente ya que ningún aceite es completamente limpio aún cuando cumpla con los estándares de limpieza de la Norma ISO 4406 para aceites nuevos y usados. El desgaste erosivo se puede presentar tanto bajo condiciones de lubricación fluida como en EHL como resultado del empleo de un aceite de una viscosidad mayor que la requerida debido a que el exceso de capas en la película lubricante "barren" la capa límite que se encuentra adherida a las superficies metálicas haciendo que dichas capas friccionen las rugosidades y las desgasten por erosión. El tipo de flujo de la película lubricante es laminar pero puede cambiar a turbulento cuando el Indice de Viscosidad del aceite utilizado es bajo; en este caso la viscosidad del aceite se reduce considerablemente al aumentar la temperatura de operación dando lugar a que al cambiar las condiciones de flujo a turbulento la película límite se desprenda de las rugosidades y genere por consiguiente desgaste erosivo en las mismas. En conclusión el desgaste erosivo en los mecanismos lubricados se puede presentar tanto por la presencia de partículas sólidas y metálicas en el aceite de un tamaño menor que el 124
espesor mínimo de la película lubricante como también por el empleo de aceites de una viscosidad mayor que la requerida ó por la utilización de aceites con Indices de Viscosidad bajos (menores de 70). De todas maneras, aún cuando no se presenten los factores anteriores en un mecanismo lubricado, el desgaste erosivo siempre estará presente, porque todo aceite, aun cuando esté nuevo contiene un determinado número de partículas sólidas en suspensión. La única manera de que no se presentará el desgaste erosivo en los mecanismos lubricados sería garantizando que el aceite utilizado sea completamente limpio, lo cual, con la tecnología de filtración disponible en la actualidad no es factible lograrlo. El desgaste erosivo se puede minimizar al máximo pero no se puede evitar. DESGASTE ABRASIVO Es consecuencia de la presencia de partículas sólidas y metálicas de un tamaño igual ó mayor que el espesor mínimo de la película lubricante y de la misma dureza ó mayor a la de las superficies metálicas del mecanismo lubricado; el desgaste abrasivo es mayor en la superficie más blanda. Las partículas sólidas como el Silicio dan lugar a un considerable desgaste abrasivo debido a la elevada dureza de este material. Cuando las partículas del mismo tamaño que el mínimo espesor de la película lubricante se encuentran entre las dos superficies "ruedan" removiendo la película límite y desprendiendo material; cuando son de mayor tamaño se fracturan dando lugar a partículas del mismo tamaño que el mínimo espesor de la película lubricante generando desgaste abrasivo y de un tamaño menor que propician el desgaste erosivo de dichas superficies metálicas. Las partículas de menor tamaño también pueden propiciar desgaste abrasivo si la carga que actúa sobre el mecanismo se incrementa ó la viscosidad del aceite se reduce ya sea por incremento en la temperatura de operación, contaminación con agua ó con aceites de menor viscosidad. También es factible que se incrusten partículas en una de las superficies y actúen como una herramienta de corte, removiendo material de la otra. El desgaste abrasivo en un mecanismo se puede controlar filtrando el aceite de tal manera que su condición se mantenga dentro del código de limpieza recomendado por la norma ISO 4406 de acuerdo con el tipo de mecanismo lubricado; esto quiere decir que el número de partículas cuyo tamaño es mayor que el espesor mínimo de la película lubricante es menor ó igual que el especificado; esto no significa que no se presente el desgaste abrasivo del mecanismo sino que éste estará dentro de los valores máximos permisibles para alcanzar la vida proyectada por el fabricante de la máquina. En la actualidad no es factible eliminar totalmente el desgaste abrasivo debido a la imposibilidad de contar con aceites completamente limpios y con filtros que garanticen un nivel de contaminación cero. CONTEO DE PARTICULAS Y NORMAS ISO 4406 Y NAS 1638 La cantidad de partículas presentes en una muestra de aceite se determinan mediante la utilización de un Contador de Partículas (funciona con una base óptica láser) que permite una medición absoluta de las partículas de 2 mm en adelante (no especifica el tipo de material). Estos equipos trabajan de acuerdo con las normas internacionales de filtración ISO 4406 y NAS 1638; las más utilizada en América es la ISO 4406 y en Europa la NAS 1638. La norma ISO 4406 clasifica las partículas en tamaños ³2mm, ³5mm y ³15mm. Para 125
poder evaluar si un aceite que está trabajando en una máquina cumple con los estándares de limpieza requeridos para evitar que en los mecanismos lubricados se presenten el desgaste erosivo y abrasivo por encima de los máximos permisibles, es necesario conocer primero cuál es el código ISO de limpieza recomendado para el aceite de acuerdo con el mecanismo que está lubricando; si el código ISO de limpieza del aceite está por debajo del recomendado, los mecanismos lubricados estarán expuestos a menos desgaste erosivo y abrasivo y por el contrario si es mayor, los niveles de desgaste también lo serán y por lo tanto la vida de dichos mecanismos será tanto menor cuanto mayor sea el nivel de contaminación del aceite. En la tabla 1 se especifican las recomendaciones del código ISO de limpieza requerido de acuerdo con el mecanismo lubricado, En la tabla 2 los códigos de limpieza de acuerdo con la Norma ISO 4406 y en la tabla 3 los de la Norma NAS 1638.
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TABLA 1 CÓDIGO ISO DE LIMPIEZA DE ACUERDO CON EL TIPO DE MÁQUINA LUBRICADA Presión del sistema de lubricación, Psi Componentes Hasta 2.000 2.000-3.000 Mayor de 3.000 Bombas - Engranajes y de paletas 20/18/15 19/17/16 - Pistones 19/17/15 18/16/14 17/15/13 - Variables de paletas y de 18/16/14 17/15/13 pistones - Solenoide, de prellenado 20/18/15 19/17/14 Válvulas y cheque - Control de presión y de 19/17/14 19/17/14 flujo - De cartucho y de 17/15/12 16/14/11 dirección proporcional - Servo válvula 16/14/11 16/14/11 15/13/10 - De cartucho, CMX, HRX 18/16/13 17/15/12 Actuadores - Cilindros 20/18/15 20/18/15 20/18/15 19/17/14 18/16/13 - Motores de paletas, de 20/18/15 pistones radiales y de engranajes - Motores de pistones 19/17/14 18/16/13 17/15/12 axiales Motores de levas 18/16/14 17/15/13 16/14/12 ondulantes Transmisión - Transmisión 17/15/13 16/14/12 16/14/11 hidrostática Rodamientos - De bolas 15/13/11 - De rodillos 16/14/12 Cojinetes - De baja velocidad 17/15/13 lisos - De alta velocidad 18/16/14 Reductores 17/15/13 de velocidad
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TABLA 3 TABLA 2 CÓDIGO INTERNACIONAL DE LIMPIEZA SEGÚN CÓDIGO DE LIMPIEZA SEGÚN NAS 1638 LA NORMA ISO 4406 Código Número de partículas Código Número de de de partículas por cada por cada limpieza 100 cc de muestra limpieza 100 cc de muestra0 Mas de Hasta e Mas de Hasta e incluyendo incluyendo 24 8x1000 16x1000 12 2x1000 4x1000 23 4x1000 8x1000 11 1x1000 2x1000 22 2x1000 4x1000 10 500 1x1000 21 1x1000 2x1000 9 250 500 20 500x1000 1x1000 8 130 250 19 250x1000 500x1000 7 64 130 18 130x1000 250x1000 6 32 64 17 64x1000 130x1000 5 16 32 16 32x1000 64x1000 4 8 16 15 16x1000 32x1000 3 4 8 14 8x1000 16x1000 2 2 4 13 4x1000 8x1000 1 1 2
Código Número máximo de partículas por de cada 100 cc de muestra limpieza Tamaño de partículas en um 5-15
00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
15-25
25-50 50- >100 100 125 22 4 1 0 250 44 8 2 0 500 89 16 3 1 1.000 178 32 6 1 2.000 356 63 11 2 4.000 712 126 22 4 8.000 1.425 253 45 8 16.000 2.850 506 90 16 32.000 5.700 1.012 100 32 64.000 11.400 2.025 360 64 128.000 22.800 4.050 720 128 256.000 45.600 8.100 1.440 256 512.000 91.200 16.200 2.880 512 1.024.000 182.400 32.400 5.760 1.024
INTERPRETACIÓN DE LA NORMA ISO 4406 La norma ISO 4406 especifica el código de limpieza de un aceite con base en tres números que corresponden a los códigos estandarizados en la tabla 2 y que indican, el primero, el número de partículas mayores ó iguales a 2mm; el segundo a 5mm y el último a 15mm, presentes en 100 cc ó ml de una muestra del aceite evaluado. Por ejemplo un código ISO 20/17/13 indica, de la tabla 2, que hay presentes en la muestra de aceite entre 500x103 y 1x106 partículas mayores ó iguales a 2mm; entre 64x103 y 130x103 a 5mm y entre 4x103 y 8x103 a 15mm. Este código ISO se compara con el recomendado en la tabla 1 para el mecanismo que se está lubricando y se concluye si el nivel de limpieza del aceite es aceptable ó no. El análisis de la cantidad de partículas presentes en el aceite se debe hacer para cada rango de partículas, ya que debido a su tamaño pueden generar problemas diferentes de desgaste en los mecanismos lubricados. Si las partículas de 2 y 5 mm están por fuera del rango establecido en la Tabla 1 para ese mecanismo es un indicativo de que se está presentando desgaste erosivo y se deben analizar las causas que lo están generando (bajo Indice de Viscosidad del aceite, viscosidad del aceite mayor que la recomendada ó presión de aplicación del aceite mayor que la requerida si el sistema de lubricación es por circulación), sin embargo este tipo de desgaste no es crítico pero se deben tomar las medidas correctivas necesarias (como la filtración del aceite) ya que de lo contrario a
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mediano ó a largo plazo puede llegar a causar la falla catastrófica del mecanismo. Si las de 15 mm en adelante están por fuera del código ISO es señal inequívoca de que un daño más grave se está presentando en el mecanismo y por consiguiente se debe complementar el Conteo de Partículas con otras técnicas de análisis de desgaste como la Espectrofotemetría de Emisión Atómica y la Ferrografía para tener un panorama analítico de mayor amplitud que permita tomar decisiones más acertadas. Cuando se utiliza el conteo de partículas (si no se tiene disponible la Espectrofotometria de Emisión Atómica) para evaluar el desgaste periódico de un componente es necesario graficar el contenido de las partículas mayores ó iguales a 2 mm, 5 mm y 15 mm respectivamente y compararlos con el código ISO establecido para dicho componente. La curva más crítica depende del espesor mínimo de la película lubricante (ho). Las partículas de un tamaño igual ó superior a ho y en una concentración por encima de la máxima permisible son las peligrosas ya que dan lugar a desgaste abrasivo que es más crítico que el erosivo, por lo tanto es necesario conocer el valor de ho, ó en caso contrario calcularlo de acuerdo con el elemento que se esté lubricando (las recomendaciones de la tabla 1 obvian este cálculo). Cuando el contenido de partículas se sale del código ISO de limpieza establecido es necesario programar el cambio del filtro de aceite del sistema y/o proceder a filtrar el aceite hasta que quede bajo el código ISO recomendado.
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LECTURA Nº9 NIVEL DE ACEITE
Entre los aspectos que más influyen en la reducción de la vida de los mecanismos de los equipos rotativos están el nivel de aceite y la frecuencia con la cual se debe cambiar el aceite. A pesar de las recomendaciones de los fabricantes de los equipos rotativos y en algunos casos de los productores de aceites, los usuarios de la lubricación en no pocos casos descuidan los niveles de aceite con resultados catastróficos que por lo regular conducen a elevados costos de mantenimiento y a grandes pérdidas de producción. La frecuencia de cambio del aceite en muchos casos se amplia deliberadamente con la intención de bajar el consumo de lubricantes ó se reduce para estandarizar la frecuencia de cambio del aceite de varios equipos dando lugar a un fuerte impacto negativo sobre el medio ambiente al desechar un mayor volumen de aceite. NIVEL DE ACEITE En la mayoría de los equipos rotativos, la cantidad de aceite con la cual debe trabajar está regulada por un dispositivo que puede ser el que comúnmente se conoce como "ojo de buey" , el indicador que cuenta con un tubo de vidrio protegido por otro metálico ó simplemente el de tapón, el cual es necesario quitar para verificar que cantidad de aceite hay en el equipo. En cualquiera de los indicadores de nivel de aceite utilizados es necesario tener en cuenta que el conducto que une dicho dispositivo con la carcasa del equipo debe estar limpio ya que de lo contrario el nivel que marque puede ser incorrecto y por lo tanto generar problemas en el equipo rotativo. Cuando el indicador del nivel de aceite sea del tipo de "ojo de buey" ó del de tubo de vidrio es necesario siempre que se cambie el aceite, desmontarlo y limpiarlo con un solvente de tal manera que se garantice que quedó limpio. Han ocurrido casos en los cuales por falta de limpieza, el indicador del nivel de aceite queda marcando un nivel normal pero la cantidad de aceite dentro del equipo está por encima ó por debajo de su valor normal como resultado del taponamiento del conducto desde dicho indicador de nivel de aceite hasta el carter del equipo. En estos casos si el nivel de aceite está por encima de lo normal se producirá exceso de fricción fluida con elevación de la temperatura de operación la cual propicia la oxidación del aceite y un mayor consumo de energía; por el contrario si el nivel del aceite queda bajo se presentará el contacto metal-metal entre las superficies lubricadas y por lo tanto el desgaste adhesivo. Limpiar los indicadores de nivel de aceite es una práctica sencilla, que conlleva poco tiempo y que debe hacer parte del protocolo del cambio de aceite en todo equipo rotativo.
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FRECUENCIAS DE CAMBIO DE ACEITE Hablar de frecuencias de cambio de aceite no es una tarea fácil ya que depende de múltiples factores como las condiciones operacionales del equipo, la calidad del aceite utilizado, el almacenamiento y manejo del aceite, el método de aplicación y la limpieza interna del equipo. Los fabricantes de los equipos rotativos recomiendan unas frecuencias de cambio, sin embargo éstas en muchos casos se deben modificar ya que las condiciones bajo las cuales van a trabajar los equipos son diferentes a las que tuvo en cuenta el fabricante. Los aspectos más importantes que conllevan a modificar las frecuencias de cambio de aceite son entre otras la temperatura de operación y la metodología para cambiarle el aceite a un equipo. TEMPERATURA DE OPERACION La temperatura de operación es quizás el parámetro más significativo que se debe tener en cuenta para determinar la frecuencia con la cual se debe cambiar el aceite ya que es el que más acelera el proceso de oxidación, se debe tener en cuenta que por cada 10°C de incremento en la temperatura de operación del aceite por encima de 50°C la rata de oxidación se duplica y la frecuencia de cambio se reduce a la mitad; a pesar de que el fabricante del equipo tiene en cuenta este aspecto y que define la frecuencia de cambio del aceite con base en la temperatura de operación, es factible que en la práctica se presenten temperaturas diferentes a las especificadas como resultado del montaje del equipo junto a fuentes de calor ó a sistemas de enfriamiento del aceite trabajando incorrectamente. METODOLOGÍA PARA CAMBIARLE EL ACEITE A UN EQUIPO ROTATIVO En el proceso de oxidación de un aceite derivado del petróleo se generan productos que son solubles en el aceite y otros que son insolubles; los productos solubles como su nombre lo indica permanecen en suspensión en el aceite permitiendo que cuando éste se cambie salgan en el proceso de drenado; los insolubles se adhieren a las superficies metálicas del equipo formando lacas y gomas ácidas, las cuales reaccionan con el aceite nuevo disminuyendo su capacidad alcalina y por lo tanto modificando su vida de servicio entre frecuencias de cambio. Así por ejemplo si un aceite mineral nuevo tiene un AN (Número Acido) de 0,1 mgr KOH / gr.ac.us. y el valor máximo permisible es de 0,7 mgr KOH / gr.ac.us. para una frecuencia de cambio de cada seis meses, cuando se cambie el aceite y no se evacuen los productos insolubles de la oxidación, el aceite nuevo una vez que esté en contacto con los productos insolubles y los lave quedará con un AN no de 0,1 sino de 0,2 ó más dependiendo de la cantidad y nivel de acidez de dichos productos; este valor inicial más alto del AN conlleva a que más rápidamente se alcance el valor máximo permisible de 0,7, reduciendo de esta manera la frecuencia de cambio del aceite. El problema crítico en estos casos se presenta no porque se tenga que cambiar más rápidamente el aceite, sino porque si se está cambiando el aceite bajo la filosofía de la lubricación preventiva y no de la lubricación predictiva ó por condición se presentará a partir de cierto tiempo de trabajo del aceite problemas de desgaste corrosivo como
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resultado de trabajar con un aceite oxidado. A medida que pasa el tiempo este problema se volverá más crítico porque cada vez habrá más cantidad de ácidos presentes en el aceite. La recomendación es que siempre que se cambie un aceite mineral porque alcanzó el valor máximo permisible del AN, es necesario lavar el equipo internamente; la mejor forma de hacerlo es drenando el aceite y luego lavar internamente el equipo utilizando un solvente ó un producto de limpieza fabricado por los productores de aceite para evacuar los productos insolubles de la oxidación. En caso de que no se cuente con estos productos se puede utilizar el procedimiento consistente en sacarle al equipo que se encuentra en servicio un 5% de aceite usado, 24 horas antes del cambio de aceite y añadirle un 5% de kerosene; este producto añadido en esta proporción no altera el desempeño del aceite y si le da propiedades detergentes que permiten evacuar los productos insolubles del proceso de oxidación del aceite. Cuando se utilizan aceites sintéticos no es necesario lavar los equipos internamente ya que por su naturaleza físico-química no producen productos insolubles cuando se oxidan y por sus propiedades detergentes naturales permiten evacuar completamente todas las impurezas que se hayan generado dejando completamente limpias las superficies metálicas de los mecanismos lubricados. Este nivel de limpieza es mucho mejor cuando se utilizan lubricantes sintéticos del tipo PAG (Polyalkileneglicol).
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LECTURA Nº10 SELECCIÓN CORRECTA DE UN ACEITE INDUSTRIAL INTRODUCCIÓN La correcta lubricación de los mecanismos de un equipo permite que estos alcancen su vida de diseño y que garanticen permanentemente la disponibilidad del equipo, reduciendo al máximo los costos de lubricación, de mantenimiento y las pérdidas por lucro cesante. Es muy importante, por lo tanto que el personal encargado de la lubricación de los equipos y quienes están a cargo de la administración y actualización de los programas de lubricación estén en capacidad de seleccionar correctamente el aceite ó la grasa, partiendo de las recomendaciones del fabricante del equipo, ó si estas no se conocen, calcular el lubricante correcto partiendo de los parámetros de diseño del mecanismo como cargas, velocidades, temperaturas, medio ambiente en el cual trabaja el equipo, etc. En este artículo se expondrán los pasos que se deben seguir para seleccionar correctamente el aceite para un equipo industrial, partiendo de las recomendaciones del fabricante del equipo. PARÁMETROS QUE SE DEBEN TENER EN CUENTA Siempre que se vaya a seleccionar el aceite para un equipo industrial se debe tener presente que se debe utilizar un aceite de especificación ISO, y que cualquier recomendación que se de, se debe llevar a este sistema. Los siguientes son los pasos que es necesario tener en cuenta para seleccionar el aceite para un equipo industrial: 1- Consultar en el catálogo del fabricante del equipo, las recomendaciones del aceite a utilizar. 2- Selección del grado ISO del aceite requerido a la temperatura de operación en el equipo. 3- Selección del aceite industrial, de la misma marca que los lubricantes que se están utilizando en la empresa y su aplicación en el equipo. CATALOGO DEL FABRICANTE DEL EQUIPO El fabricante del equipo en su catalogo de mantenimiento especifica las características del aceite que se debe utilizar, para que los mecanismos del equipo trabajen sin problema alguno hasta alcanzar su vida de diseño. Es muy importante que el fabricante sea claro al especificar el aceite, de lo contrario, el usuario del equipo se debe poner en contacto con él para que le aclare las dudas que pueda tener. Las recomendaciones del aceite a utilizar el fabricante del equipo las puede dar de las siguientes maneras: 1- Especificar el nombre y la marca del aceite a utilizar y las equivalencias en otras marcas de lubricantes. 133
2- Dar el grado ISO del aceite y las demás propiedades físico-químicas del aceite, como índice de viscosidad, punto de inflamación, punto de fluidez, etc. 3- Dar la viscosidad del aceite en otro sistema de clasificación de la viscosidad como AGMA, ó SAE. 4- Dar la viscosidad del aceite en cualquier sistema de unidades de medida como SSU, SSF, °E, etc, y las demás propiedades físico-químicas del aceite. En cualquiera de las formas anteriores, como el fabricante puede especificar el aceite a utilizar en un equipo, es muy importante que él especifique la temperatura de operación a la cual va a trabajar dicho aceite en el equipo y la temperatura ambiente para la cual se recomienda utilizarlo, de lo contrario, si el fabricante solo especifica el grado ISO del aceite, es factible que se presenten problemas de desgaste erosivo ó adhesivo a corto ó a largo plazo en los mecanismos lubricados. De no estar disponible esta información, el usuario se debe contactar con el fabricante del equipo y que se la envíe lo más pronto posible. SELECCIÓN DEL GRADO ISO DEL ACEITE Como se dijo anteriormente, toda recomendación de lubricación para un equipo industrial debe estar orientada hacia la selección del grado ISO del aceite en función de la temperatura de operación del aceite en el equipo y de la temperatura ambiente. En este caso es necesario tener en cuenta los siguiente: 1- Si el fabricante especifica el nombre y la marca de un aceite, estos deben ser comérciales en el país donde vaya a operar el equipo, de no ser así, se debe hallar el aceite equivalente a éste, hasta donde sea posible, de la mima marca que la que se utiliza en la lubricación de los demás equipos de la empresa. Si no se utilizan lubricantes equivalentes a los recomendados, al cabo del tiempo, se tendrán un buen número de lubricantes que dificultan la correcta lubricación de los equipos y que si se hace un análisis minucioso de ellos se encontrará que muchos de ellos son equivalentes entre sí y que el número final de lubricantes que se pueden utilizar es ostensiblemente menor. 2- Cuando el fabricante especifica el tipo de aceite a utilizar en un sistema de clasificación diferente al ISO, como el ASTM (hoy en día en desuso), AGMA ó SAE, se debe hallar el equivalente entre estos y el ISO. En este caso se puede utilizar la tabla No1. En este caso se puede tener por ejemplo, que el fabricante recomiende para un reductor de velocidad un aceite AGMA 5EP a una temperatura de operación de 60°C y para una temperatura ambiente de 30°C. El grado ISO correspondiente, de la tabla No1, es un grado ISO 220 EP a las mismas condiciones de temperatura, tanto de operación como ambiente.
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Tabla Nº1 Equivalencias entre los diferentes sistemas de clasificación de la viscosidad Grado ISO
Grado Grado ASTMAGMA
Grado SAE Motor UnigradoMultigrado
10 15 22 32 46 68,68EP 100,100EP 150,150EP
75 105 150 215 315 465 700
220,220EP 1000 320,320EP 1500 460,460EP,460C 2150 680,680EP,680C 3150 1000,1000EP,1000C4650 1500,1500EP,1500C7000
1 2, 2EP 3,3EP 4,4EP 5,5EP 6,6EP 7,7EP,7C 8,8EP,8C 9,9EP,9C 10,10EP,10C
Engranajes Multigrad Unigrado o
OW, 5W 75W 10W 10,15W 20W,20 10W30,20W2080,80W 25W,30 5W50, 15W40 40 15W50, 20W40 50 90 85W90 85W140 140
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Notas: (1) Cuando se halla el grado ISO equivalente de un aceite unigrado para motores de combustión interna su IV puede ser menor o igual a 95, si es de especificación W debe ser mayor de 95 y si es multigrado, debe estar por encima de 110. Cuando se trate de aceites para engranajes se procede de la misma manera. (2) La C en los aceites especificados en el sistema ISO ó AGMA significa Compuesto ó aceites con aditivos a base de ácidos grasos para condiciones de lubricación EHL donde la temperatura de carcasa del mecanismo es menor ó igual a 50°C. 3- Cuando el fabricante recomienda el tipo de aceite a utilizar en cualquier sistema de unidades de viscosidad, referenciados a una temperatura especifica, es necesario hallar el grado ISO correspondiente (recuérdese que el grado ISO de un aceite está dado en cSt a 40°C) para lo cual es necesario, en primer lugar, convertir las unidades de viscosidad dadas a cSt (si éstas se dan en unidades diferentes a cSt), utilizando el gráfico No1 y, en segundo lugar, con las unidades de viscosidad en cSt a cualquier temperatura, se halla el grado ISO correspondiente del gráfico No2.
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Gráfico No1 Carta de conversión de la viscosidad a cualquier temperatura
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Gráfico No2 Gráfico para hallar el Grado ISO del aceite
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SISTEMA ISO La Organización Internacional para la Estandarización (ISO) estableció desde 1975 el sistema ISO para especificar la viscosidad de los aceites industriales, pero solo hasta 1979 fue puesta en práctica por la mayoría de los fabricantes de lubricantes. El sistema ISO clasifica la viscosidad de los aceites industriales en cSt a 40°C, mediante un número estándar que se coloca al final del nombre del aceite industrial. Este sistema reduce las posibilidades de que el usuario se equivoque en la selección del aceite a utilizar ó que mezcle lubricantes de diferentes viscosidades; facilita además hallar de manera inmediata el equivalente en viscosidad de un aceite con otro puesto que el nombre del aceite debe traer al final el grado ISO correspondiente. Así por ejemplo, si se tiene el aceite Tellus 68 de marca Shell y se sabe que este fabricante está utilizando la clasificación ISO en sus aceites industriales, entonces el número 68 del aceite Tellus indica que tiene una viscosidad de 68 cSt a 40°C. Para saber si el número que acompaña el nombre del aceite es un grado ISO es necesario conocer la clasificación ISO, ya que se puede presentar el caso de aceites que al final del nombre traen un número y sin embargo este no corresponde a un grado ISO como podría ser el caso de aceites como el Tellus 41, Teresso 72, Macoma 45, DTE Light, etc; estos aceites se colocan a manera de ejemplo, ya que en hoy en día se especifican de acuerdo a la clasificación ISO. En la tabla No2 se especifican los diferentes grados de viscosidad en el sistema ISO; los grados básicos de viscosidad están comprendidos entre el 2 y el 68, los siguientes grados ISO después del 68 se obtienen añadiendo uno ó dos ceros a partir del 10 hasta llegar al 1500. El límite mínimo y máximo de un grado ISO es el 10% de dicho grado. Tabla No2 Clasificación ISO de los aceites industriales Grado ISO 2 3 5 7 10 15 22 32 46 68 100 150 220 320 460 680 1000 1500
Límites de viscosidad cSt/40°C Mín Máx 1,98 2,42 2,88 3,52 4,14 5,06 6,12 7,48 9,00 11,00 13,50 16,50 19,80 24,20 28,80 35,20 41,40 50,60 61,20 74,80 90,00 110,00 135,00 165,00 198,00 242,00 288,00 352,00 414,00 506,00 612,00 748,00 900,00 1100,00 1350,00 1650,00
SSU/100°F Mín Máx 32,8 34,4 36,0 38,2 40,4 43,5 47,2 52,0 57,6 65,3 75,8 89,1 105,0 126,0 149,0 182,0 214,0 262,0 317,0 389,0 469,0 575,0 709,0 871,0 1047,0 1283,0 1533,0 1881,0 2214,0 2719,0 3298,0 4048,0 4864,0 5975,0 7865,0 9079,0
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SSU/210°F Mín Máx
34,6 37,0 39,7 43,0 47,1 52,9 61,2 73,8 90,4 112,0 139,0 178,0 226,0 291,0
35,7 38,3 41,4 45,0 49,9 56,9 66,9 81,9 101,0 126,0 158,0 202,0 256,0 331,0
CARACTERÍSTICAS DEL SISTEMA ISO Algunos aspectos importantes que es necesario tener en cuenta con la clasificación ISO son: - Unicamente clasifica la viscosidad de los aceites industriales. - Clasifica la viscosidad en cSt a 40°C. - Sólo se relaciona con la viscosidad del aceite industrial y no tiene nada que ver con su calidad. - El grado ISO aparece al final del nombre del aceite industrial, cualquiera que sea su marca. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE LOS ACEITES INDUSTRIALES El gráfico No2 permite obtener la curva característica de viscosidad-temperatura para cualquier aceite industrial derivado del petróleo, entre un grado ISO 10 y 1500, con un índice de viscosidad (IV) entre 50 y 95. En la escala vertical de la izquierda se da la viscosidad del aceite en cSt (ó en mm2/s) y en la escala horizontal inferior, la temperatura en °C y en °F respectivamente. Para hallar el grado ISO correspondiente a un aceite industrial se ubica la viscosidad del aceite en cSt en la escala vertical de la izquierda y se traza una horizontal hasta que corte la vertical correspondiente a la temperatura dada; el punto de intersección de las líneas trazadas puede coincidir con alguna de las curvas que aparecen el gráfico No2, en cuyo caso, el número que la identifica sería el grado ISO del aceite industrial correspondiente; en caso contrario, se selecciona la curva más cercana al punto. Si el punto de intersección queda ubicado en la mitad de dos curvas se selecciona la curva del mayor grado ISO; en este caso es posible que se incremente ligeramente el desgaste erosivo del elemento lubricado debido al exceso de fricción fluida, pero no el adhesivo como podría ocurrir si se seleccionara la curva del aceite de menor grado ISO. La elevación de temperatura y el incremento en el consumo de energía, en caso que se seleccione el mayor grado ISO, no son críticos, ya que el exceso de viscosidad no es lo suficientemente alto como para que esto llegue a ser significativo. Las curvas graficadas se pueden prolongar dentro de un rango comprendido cerca del punto de fluidez hasta el punto de inflamación del aceite. Toda planta industrial, cualquiera que sea su magnitud debe utilizar lubricantes industriales. En equipos industriales al emplear lubricantes de tipo automotor no quiere decir necesariamente que se vaya a producir una falla catastrófica de los mismos, pero si puede dar lugar a una disminución considerable de su vida de servicio ó a que se presenten problemas que hacen inoperable la máquina como es el caso, por ejemplo, de utilizar aceites para motores de combustión interna (que cuentan con aditivos detergentesdispersantes) en compresores alternativos de dos ó más etapas en los cuales la presencia de agua puede llegar a ser crítica dando lugar al emulsionamiento del aceite automotor ó en equipos donde en lugar de utilizar un aceite industrial, por ejemplo, de un grado ISO 100 se utiliza un SAE 90 ó un 140. En este último caso el exceso de viscosidad dará lugar a un
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incremento considerable en las pérdidas de energía por fricción fluida, a elevación de la temperatura de operación que acelerará la oxidación del aceite y la dilatación de los retenedores del equipo haciendo que se presenten fugas de aceite. Adicionalmente se tiene el sobre costo en la lubricación de la planta porque los aceites automotores son entre 1,5 y 2 veces más costosos que los de tipo industrial. Por consiguiente, si una máquina industrial se está lubricando, ó se especifica en su lubricación un aceite de clasificación SAE, es recomendable hallar, de la tabla No1, su equivalente en el sistema ISO e implementar su utilización. Ejemplo No1: El fabricante de un compresor alternativo de pistones de una etapa que comprime aire, recomienda para lubricar el cárter y el cilindro (la superficie del cilindro y los anillos del pistón se lubrican con el aceite salpicado por la cabeza de biela del cigüeñal) un aceite cuyas propiedades físico-químicas deben ser: 1. Gravedad específica (gr/cm3), ASTM D-287: 0,875 2. Viscosidad SSU/100°F, ASTM D-445: 330 3. Indice de Viscosidad, mín, ASTM D-2270: 95 4. Punto de inflamación,°C, ASTM D-92: 221 5. Punto de Fluidez,°C, ASTM D-97: -12 Como aceites posibles a utilizar el fabricante del compresor especifica el aceite Turbine 29 de Shell; en este caso especificar si este aceite si es ó no equivalente al recomendado por el fabricante del compresor. Solución: En el gráfico No1, se localizan en la escala de la viscosidad en Segundos Saybolt Universal, 330 SSU y por este punto se traza una horizontal hasta que corte la escala de la viscosidad cinemática, y se leen 81 cSt a 100°F. Luego, en el gráfico No2 se localizan los 81 cSt en la escala vertical de la izquierda y por este punto se traza una horizontal hasta que corte la vertical trazada con 100°F desde la escala horizontal inferior, que especifica la temperatura en °F. El punto de intersección de las dos líneas trazadas queda más cerca del ISO 68, por lo tanto, se selecciona éste. Con el grado ISO 68 y con las demás propiedades físico-químicas del aceite, especificadas por el fabricante, y con el tipo de máquina a lubricar, en este caso un compresor alternativo de pistones que comprime aire, se va a los catálogos de los fabricantes de lubricantes y se selecciona el que cumpla con todas las especificaciones dadas. Es necesario tener en cuenta que se debe seleccionar, hasta donde sea posible, la misma marca de lubricantes empleada en los demás equipos de la empresa. En este caso, algunos aceites de diferentes marcas que podrían servir son: Turbine 68 (Shell), Nuto 68 (Esso), Regal 68 (Texaco), DTE Heavy Médium (Mobil), Turbina 68 (Terpel). El número 29 del aceite Turbine 29 (Shell) no es un grado ISO (no aparece en la tabla No2), por lo tanto para saber si es equivalente en viscosidad al ISO 68 recomendado, es necesario consultar el catálogo de la Shell, probablemente este número corresponde a una especificación anterior a la implementación de la clasificación ISO para los aceites industriales.
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Nota: En este caso la recomendación de lubricación dada por el fabricante del compresor alternativo de una etapa, está incompleta ya que le faltó especificar la temperatura de operación del aceite en el equipo y la temperatura ambiente para la cual se está recomendando el aceite.
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LECTURA Nº11 TRIBOLOGIA PRODUCTIVA DEFINICIÓN La Tribología por sí sola permite que las máquinas alcancen su vida a la fatiga e incluso que la superen si se les aplica correctamente, sin embargo es necesario aprovechar esta ciencia para interactuar con otros aspectos que están de una manera indirecta involucrados con el funcionamiento de la máquina; se debe hablar por lo tanto de una Tribología Productiva que involucra tres aspectos fundamentales como son la conservación del medio ambiente y la preservación de los recursos no renovables, el control de la fricción y la reducción del desgaste y el ahorro de energía. CONSERVACIÓN DEL MEDIO AMBIENTE Y PRESERVACIÓN DE LOS RECURSOS NO RENOVABLES En la lubricación de los mecanismos de una máquina se debe tener siempre presente la conservación del medio ambiente y la preservación de los recursos no renovables como el petróleo, por lo tanto hasta donde sea posible no se deben utilizar lubricantes derivados del petróleo ya que cuando se oxidan dan lugar a la formación de peróxidos y ácido sulfúrico, lo que hace que estos lubricantes sean altamente tóxicos y no biodegradables, por otro lado el petróleo al ser no renovable las reservas mundiales de este vital elemento se reducirán rápidamente debido a la utilización cada vez mayor tanto de máquinas industriales como automotrices. La opción en la actualidad es utilizar lubricantes sintéticos que aunque en su mayoría son derivados del petróleo permiten prolongados períodos de utilización con lo cual se reduce el volumen de aceite desechado al ambiente, son menos tóxicos y más biodegradables ó utilizar lubricantes vegetales con lo cual el problema de la contaminación ambiental por el aceite y la preservación de los recursos no renovables quedaría definitivamente resuelta ya que estos lubricantes son 100% no tóxicos y biodegradables, además de que son renovables. CONTROL DE LA FRICCION Y REDUCCIÓN DEL DESGASTE La aplicación de la Tribología debe conducir a reducir al máximo la fricción sólida, fluida y EHL y a evitar que se presente la fricción metal - metal; si se controla la fricción será posible reducir los diferentes tipos de desgaste que se pueden presentar en un mecanismo permitiendo que éste alcance su vida a la fatiga e inclusive la incremente.
AHORRO DE ENERGIA Cualquier sustancia que se utilice como lubricante reduce la fricción y por lo tanto el esfuerzo para mover los diferentes mecanismos de una máquina, sin embargo al aplicar la Tribología la filosofía debe ser la de utilizar lubricantes con los coeficientes de fricción más
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bajos posibles de tal manera que el consumo de energía sea mínimo. Es muy importante a la hora de adquirir un nuevo lubricante conocer los valores de sus coeficientes de fricción sólida y fluida o Elastohidrodinámica según el caso. Si no se conoce esta información no será factible implementar programas de ahorro de energía mediante el control de la fricción. DESGASTE Es sinónimo de improductividad y se define como la pérdida de material entre dos superficies que se encuentran en movimiento relativo y que se manifiesta por su funcionamiento errático , siendo necesario en la mayoría de los casos sacar de servicio el equipo del cual hacen parte esencial. Las causas del desgaste no siempre se pueden determinar conllevando a que en muchos casos sea imposible determinarlas aún cuando el mecanismo se haya lubricado correctamente. El desgaste, cualquiera que sea su origen siempre conduce al contacto metal-metal entre las superficies del mecanismo que se encuentran en movimiento relativo y se define como el deterioro sufrido por ellas a causa de la intensidad de la interacción de sus rugosidades superficiales; este tipo de desgaste puede llegar a ser crítico haciendo que las piezas de una máquina pierdan sus tolerancias y el mecanismo funcione de una manera errática o que fallen catastróficamente quedando inservibles y causando consecuentemente costosos daños y elevadas pérdidas en el sistema productivo de la empresa. En cualquier caso el desgaste de un mecanismo es indeseable pero es imposible evitarlo ya que aun cuando se controlen las causas que lo originan, no será factible evitar la fatiga del material ya que ésta es una propiedad intrínseca de dicho material y conducirá a que finalmente el mecanismo se tenga que reemplazar. Si se quiere que las máquinas alcancen sus mayores índices de productividad es necesario lograr que los componentes que las constituyen se cambien por fatiga y no por alguno de los muchos tipos de desgaste que se pueden presentar durante su explotación. TIPOS DE DESGASTE Una superficie lubricada se puede desgastar por causas que pueden ser intrínsecas al tipo de lubricante utilizado , a su tiempo de servicio, a contaminantes presentes en el aceite cuyo origen puede ser de los mismos mecanismos lubricados ó de fuentes externas, a fallas intempestivas del sistema de lubricación y en algunos pocos casos como resultado de una selección incorrecta del equipo para el tipo de trabajo que va a desarrollar, a un mal diseño ó al empleo de materiales inadecuados para las condiciones de operación de los mecanismos que lo constituyen. Las superficies correctamente lubricadas también se desgastan cuando se desgasta ó se rompe la película límite en el caso de la lubricación límite ó EHL y se conoce como desgaste adhesivo ó del desprendimiento de dicha película de las rugosidades de las superficies metálicas cuando se tienen condiciones de lubricación fluida; en este último caso el desgaste es leve y genera partículas metálicas del orden de 1 a 2 micras y se denomina desgaste erosivo. Los tipos de desgaste más comunes en orden de importancia son: adhesivo, erosivo, corrosivo, cavitación, corrientes eléctricas y fatiga superficial.
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LECTURA Nº12 LAS GRASAS Una grasa es un producto que va desde sólido hasta semifluido y se obtiene por la dispersión de un agente espesante (jabón metálico) en un líquido lubricante (aceite base). La composición de la grasa se puede definir como: ACEITE BASE + AGENTE ESPESANTE + ADITIVOS · Adhesividad · Antioxidante · Jabón (calcio, sodio, · Mineral · Anticorrosivo litio, etc) · Sintético · Antidesgaste · Sin jabón (arcilla, · Vegetal · Extrema Presión gel) · Antiespumante · Colorantes El aceite le confiere a las grasas sus características lubricantes y el espesador le da determinadas propiedades físicas, tales como la capacidad de soportar altas temperaturas, humedad, ácidos y otros tipos de contaminantes. Se podría decir que una grasa es una especie de esponja (espesador), saturada de aceite, que a medida que trabaja lo dosifica sobre el mecanismo que está lubricando. Las grasas poseen coeficientes de fricción más bajos que los aceites que se utilizan en su fabricación, especialmente cuando en el mecanismo lubricado se presentan condiciones de lubricación límite ó EHL; por lo tanto, para estas condiciones de lubricación se consume menos energía por fricción cuando se lubrica con grasa que con aceite. En la tabla No1 se comparan los coeficientes de fricción combinado (fc) ó EHL del aceite base y de varios tipos de jabón utilizados en la fabricación de grasas lubricantes. Tabla No 1 Coeficientes de fricción combinado (fc) del aceite y de varios tipos de jabón utilizados en la fabricación de grasas lubricantes a 38°C Componente
Coeficiente de fricción combinado (fc) 0,040 0,022 0,034 0,012 0,008
Aceite base Calcio Complejo de calcio Sodio Litio
En la mayoría de los casos, los rodamientos lubricados con grasa consumen menos potencia que cuando se lubrican con aceite, lo que a su vez hace que la temperatura de operación sea 144
menor. En una fabrica, en donde hayan muchos rodamientos lubricados con grasa, el ahorro de energía puede ser significativo, así por ejemplo, un rodamiento de rodillos de 100 mm de diámetro exterior girando a 1.800 rpm consumirá aproximadamente 0,11 Kw lubricado con grasa y 0,33 Kw si se hace con aceite. Por consiguiente la grasa es el camino más eficaz y económico para reducir el consumo de energía y el desgaste en los mecanismos lubricados. La fabricación de la grasa consta de los siguientes procesos: · Saponificación: es la preparación del jabón en un saponificador ó autoclave, a una presión entre 2 y 6 bares y a una temperatura entre 80° y 250°C, dependiendo del tipo de jabón metálico. · Cocción: es el proceso de calentamiento progresivo y controlado, en el cual se le añade el aceite al espesador, según la clase de grasa que se esté fabricando. En este proceso se le extraen los vapores a la mezcla de aceite y espesador y se le ajusta la alcalinidad. · Enfriamiento: durante este proceso se adiciona más aceite hasta lograr la penetración deseada, se agita la mezcla y se agregan colorantes y aditivos. · Desaireación y alisado: se homogeniza la grasa al vacío en un molino coloidal y se lamina.
COMPONENTES DE LA GRASA Aceite base El aceite base utilizado en la fabricación de la grasa se selecciona con las mismas características del que se requeriría si el mecanismo fuese lubricado con aceite. Básicamente se utilizan los aceites de tipo parafínico y nafténico; este último se utiliza ampliamente para grasas que trabajan a bajas temperaturas, por su fluidez y por su habilidad para combinarse con el jabón. La viscosidad dinámica del aceite base oscila entre 12 y 190 cSt a 40°C. Los de baja viscosidad se utilizan en grasas para aplicaciones de baja temperatura y velocidades altas, mientras que los de alta viscosidad se emplean para condiciones de baja velocidad, cargas altas y de impacto. La relación viscosidad-temperatura del aceite base es importante para aquellas condiciones de operación donde hay fluctuaciones de temperatura. Los aceites sintéticos se utilizan en grasas que trabajan en condiciones extremas de alta ó baja temperatura y generalmente se utilizan con espesadores de jabón de litio. Cuando el espesador y el aceite base de la grasa son sintéticos, su uso se reduce solamente a equipos que trabajan bajo condiciones extremas. Espesadores Los espesadores ó jabones de las grasas se fabrican a partir de una base metálica que puede ser calcio, sodio, litio, aluminio, bario, etc, que es sometida a un proceso de calentamiento en donde se le añaden ácidos grasos ó hidróxidos. El espesador se mezcla con el aceite en
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un agitador y la mezcla resultante se calienta de nuevo. Durante la reacción se produce glicerina y agua, ésta se vaporiza, quedando solamente la glicerina, la cual ayuda a que el espesador se solubilice en el aceite. Una vez solubilizado éste, la mezcla se enfría, y el espesador pasa a estado de cristalización, en la forma deseada. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento y del medio en el cual se lleve a cabo, se obtiene la estructura de la grasa, la cual puede ser de fibra corta, media ó larga. Esta estructura permite utilizarla para cada caso en particular. El tipo de fibra se puede determinar por medio del microscopio. Las propiedades de los espesadores dependen de las bases metálicas ó jabones utilizados. La reacción química para la formación del espesante a partir de una base metálica es siguiente: HOOCR MOH -------- RCOOM H2O + + Acido Base -Espesador Agua graso metálica Tipos de espesadores Los espesadores más utilizados y el comportamiento de las grasas en las cuales trabajan son: · Sodio: presentan una contextura fibrosa, un buen rendimiento a temperaturas moderadamente altas, soportan mayor batimiento, vibración y agitación sin sufrir ninguna alteración ó separación. Poseen buena resistencia a la oxidación. La temperatura de goteo es aproximadamente de 195°C, para un contenido de jabón metálico entre un 14 y un 18%. Se recomiendan para una temperatura máxima de operación continua comprendida entre 0° y 80°C. Se descomponen fácilmente con el agua. Presentan un buen desempeño en la lubricación de los rodamientos de los motores eléctricos. Las grasas de baja consistencia se utilizan en la lubricación de máquinas textiles, debido a que se pueden remover fácilmente del producto terminado, durante los procesos de lavado. · Calcio: contienen agua de hidratación, la cual utilizan para su estabilidad. Son resistentes al efecto del lavado por agua, sin embargo no la absorben y esto hace que sus propiedades anticorrosivas sean deficientes y sea indispensable recubrir totalmente los mecanismos lubricados. Se recomiendan donde las condiciones de batido, vibración y agitación no sean críticas. Se emplean entre -10°C y 55°C para un contenido de calcio entre 21 y 25%. Las frecuencias de relubricación son cortas. · 12-hidroxyestearato de calcio: no utilizan agua de hidratación y se recomiendan para aquellas aplicaciones donde la grasa puede estar accidentalmente en contacto con alimentos. Se utilizan hasta temperaturas máximas de operación de 121°C. · Complejos de calcio: le confieren a la grasa propiedades de Extrema Presión sin necesidad de agregarle este tipo de aditivo. El estearato acetato de calcio y las sales de ácido ácetico se emplean como modificadores de los jabones de calcio. El punto de goteo está sobre los 250°C; sin embargo este tipo de grasas se endurecen a bajas temperaturas. · Litio ó multipropósito: tiene un rango de trabajo comprendido entre -20° y 80°C, para un contenido máximo de litio entre 9-11%. Poseen buen resistencia al lavado por agua, pero no 146
ofrecen una protección adecuada contra la corrosión. Las que contienen estearato de hidróxido de litio son especialmente útiles para condiciones de alta temperatura y ambientes húmedos. Se conocen también como grasas de uso múltiple ó multipropósito y sustituyen a las de calcio y de sodio. · Complejas de litio: presentan puntos de goteo hasta de 250°C, excelente estabilidad mecánica y muy buena resistencia al lavado por agua. · Aluminio: poseen buena resistencia al lavado por agua, buenas características antiherrumbre y excelente adhesividad. Se emplean hasta 77°C. Su alto costo limita su uso. · Compleja de aluminio: poseen elevados puntos de goteo y alta resistencia al lavado por agua, muy buena bombeabilidad debido a su estructura fibrosa corta y buena estabilidad mecánica. · Bario: fueron las primeras grasas multipropósito utilizadas debido a su buena estabilidad a las altas temperaturas y a su resistencia al lavado por agua. La temperatura máxima permisible de trabajo es de 100°C. Debido A su alto contenido de jabón, no se recomienda su utilización en sistemas centralizados de grasa ya que los pueden obstruir. · Base mixta: sus propiedades dependen del porcentaje de sus componentes, así como del método de fabricación. Se utilizan poco porque el fin que se persigue con ellas es obtener las características de los diferentes tipos de jabones en uno solo, lo cual raras veces se logra, por lo que es más práctico utilizar una grasa de un jabón específico que da mejores resultados a un menor costo. · Sin jabón metálico: utilizan como espesante el negro de humo, gel de sílice, alquilos de úrea y arcillas modificadas. Son resistentes al lavado por agua y su rata de oxidación es más baja que las fabricadas con otros espesadores. Poseen un elevado punto de goteo y las temperaturas de trabajo pueden estar alrededor de los 200°C; sin embargo a estas temperaturas resulta más práctico hacer una evaluación y seguimiento del producto, con el fin de determinar si es mejor y más económico utilizar grasas sintéticas. · Bisulfuro de molibdeno (MoS2): se emplean para condiciones de lubricación EHL, poseen bajos coeficientes de fricción y reducen el desgaste de los mecanismos lubricados, tienen excelente adhesividad y resisten el lavado por agua. Su principal aplicación es en rodamientos, cojinetes de fricción, husillos y articulaciones. La película lubricante límite que forman este tipo de grasas persiste durante largos períodos de tiempo, lo cual permite que los intervalos de relubricación sean prolongados. Si la base lubricante es sintética se pueden emplear hasta 370°C. No se deben utilizar con mecanismos de bronce porque, si hay presencia de agua, el MoS2 se puede volver un agente corrosivo. · Poliurea: se obtienen de combinaciones orgánico-sintéticas. Poseen excelente resistencia al envejecimiento y las temperaturas de servicio están comprendidas entre -30° y 175°C. Su mayor aplicación se presenta para condiciones de alta temperatura, elevadas cargas y altas velocidades de giro. Tienen la notable propiedad de ser más viscosas a elevada temperatura y volver a sus condiciones normales a temperatura ambiente. · Bentonita: están compuestas de aceites sintéticos y espesantes de bentonita. Permiten temperaturas máximas de operación comprendidas entre -20° y 170°C. Presentan buen estabilidad al envejecimiento y un comportamiento estable en presencia de agua. · Sintéticas: están constituidas por aceites sintéticos de elevado índice de viscosidad (alrededor de 195), se pueden utilizar para temperaturas muy amplias de servicio (entre 78° y 165°C ), presentan una excelente estabilidad térmica y bajos coeficientes de fricción. Permiten amplias frecuencias entre relubricaciones.
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Aditivos Los aditivos más comunes utilizados en las grasas son los antioxidantes, los inhibidores de la herrumbre, de la corrosión, los aditivos de extrema presión (EP) y los mejoradores de untuosidad ó adhesividad hacia las superficies metálicas. PROPIEDADES DE LAS GRASAS Consistencia de las grasas Depende de la viscosidad del aceite y del tipo y porcentaje de espesador que posea, el cual puede fluctuar entre 5-30% por peso, ó más, dependiendo del tipo de grasa. La consistencia es un factor importante de la grasa porque ella determina su capacidad de lubricación y sellamiento, de permanencia en su sitio, de bombeabilidad, y capacidad de soportar temperatura. Dos grasas con igual consistencia ó dureza, no tienen necesariamente el mismo desempeño. Penetración trabajada La consistencia de las grasas de determina según el método ASTM D217, conocido como cono de penetración de las grasas lubricantes y establecido por la NLGI (Instituto Nacional de Grasas Lubricantes). Este método permite hallar la consistencia de una grasa en términos de penetración, sin agitación (durante el almacenamiento). Penetración trabajada, penetración no trabajada y penetración trabajada durante prolongados períodos de tiempo. La consistencia normalmente se reporta en términos de penetración trabajada, porque es el factor más representativo de las condiciones bajo las cuales opera una grasa, principalmente si se utiliza en la lubricación de rodamientos. Para determinar la penetración trabajada de una grasa, se llena una vasija especial con suficiente cantidad de ésta (una libra aproximadamente) y se somete inicialmente a 60 carreras dobles (ciclos) de un pistón, a 25°C (77°F) en un dispositivo llamado trabajador de grasa patrón, el cual consiste en un disco perforado (pistón) el cual al subir y bajar dentro de un cilindro, hace que la grasa pase repetitivamente de un lado a otro, hasta completar 60 carreras dobles. Una vez que se completan los 60 ciclos se coloca la muestra de grasa trabajada debajo de un cono de peso y dimensiones normalizadas llamado penetrómetro. La punta de éste se coloca tocando ligeramente la superficie de la grasa, se deja caer el cono por su propio peso dentro de la grasa y luego de cinco segundos se lee en un dial (cuya aguja es accionada por el cono al caer) la profundidad en décimas de milímetro que la punta de éste ha penetrado dentro de la grasa. Esta profundidad representa la consistencia de la grasa. El ángulo del cono es de 90°, de la punta de 30° y el peso de 102,5 gr. Para determinar la penetración no trabajada, se somete la muestra de grasa (una libra aproximadamente) al mismo procedimiento utilizado para la penetración trabajada, excepto que en este caso, la grasa no se somete al batido en el trabajador de grasa patrón. La penetración de las grasas según el método ASTM D217 tiene su correlación con una escala numérica estandarizada por la NLGI, para clasificar la consistencia de las grasas. 148
Este número es el que aparece al final del nombre de las grasas, así, por ejemplo, la grasa Mobilux EP2 de Mobil, Balina 3 de Shell y Unirex 4 de Exxon significa que estas grasas tienen una consistencia 2, 3 y 4 respectivamente. En la tabla No2 se da la clasificación ASTM y su equivalencia en el sistema NLGI. Tabla No2 Clasificación ASTM y Consistencia NLGI
Penetración Consistencia trabajada NLGI ASTM D217 mm/10 25°C (77°F) 447-475 000 400-430 00 355-385 0
Grado de dureza
Campo de aplicación
Muy fluida Fluida Semifluida
Engranajes Engranajes Rodamientos, sistema centralizado de lubricación Rodamientos, sistema centralizado de lubricación Rodamientos Rodamientos Cojinetes lisos, grasa en bloque Cojinetes lisos, grasa en bloque Cojinetes lisos, grasa en bloque
310-340
1
Muy Blanda
265-295 220-250 175-205 130-160 85-118
2 3 4 5 6
Blanda Media Dura Muy Dura Durisima
Observaciones: (1) Las grasas fluidas y semifluidas, con una penetración ASTM D217 por encima de 475, no se prueban con el penetrómetro. SELECCIÓN DE LA GRASA Para seleccionar correctamente la grasa para una aplicación específica es necesario tener en cuenta los siguientes parámetros: · Consistencia: los grados NLGI que se emplean comúnmente son 1, 2 y 3. · Tipo de espesante: los más utilizados son los de litio, sodio y calcio. · Viscosidad dinámica: se específica de acuerdo con la velocidad y temperatura de operación del mecanismo. · Factor de velocidad: el factor de velocidad (Fv) de la grasa es característico de cada grasa y siempre debe estar, en el caso de la lubricación de rodamientos, por encima del factor de giro (Fg) del rodamiento que se obtiene de multiplicar el diámetro medio del rodamiento (Dm) en mm por su velocidad de giro (n) en rpm. El Fg es igual a Dmn. El Fv de la grasa es
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importante tenerlo en cuenta en aquellas aplicaciones de altas velocidades, ya que si éste es mayor que el del rodamiento se podrá garantizar que durante el funcionamiento de éste, la grasa no será expulsada por fuerza centrífuga de las pistas de rodadura y elementos rodantes, evitándose de esta manera una lubricación deficiente y la posibilidad, en el caso de máquinas textiles como mecheras e hiladoras, que se manche la tela que se está procesando. Las grasas que presentan los mayores valores de Fv son las de jabón de litio y sodio y menores las de calcio, aluminio, poliurea y complejas. El valor de Fv se encuentra en el catalogo del fabricante de la grasa. · Temperatura de trabajo: permite seleccionar el grado NLGI y el tipo de jabón de la grasa. · Aditivos: es necesario tener en cuenta el tipo de lubricación (fluida ó EHL) que se está presentando en los mecanismos lubricados con el fin de determinar si la grasa requiere ó no aditivos de Extrema Presión. · Sistema de aplicación: influye en la selección de la consistencia de la grasa, así, para sistemas de lubricación centralizada por lo regular es NLGI 0 ó 1; para reengrase es 2 y para sistemas de grasa empacada es 3. Los datos que normalmente especifica el fabricante de un equipo en el catalogo de mantenimiento cuando tiene rodamientos lubricados con grasa son la consistencia, tipo de jabón, temperatura de goteo y aditivos. Con estos parámetros conocidos, se busca la más adecuada en el catalogo del fabricante de grasas. Si la velocidad de giro es alta, surge como muy importante tener en cuenta el Fg del rodamiento y seleccionar una grasa que además de cumplir con los parámetros anteriormente mencionados, tenga un Fv mayor que el Fg del rodamiento. MISCIBILIDAD DE LAS GRASAS En la práctica de la lubricación se debe evitar mezclar grasas de diferentes marcas ó especificaciones porque en muchos casos, tanto los espesadores, la viscosidad del aceite base y los aditivos son incompatibles y por lo tanto pueden llegar a reaccionar desfavorablemente, descomponiendo la grasa resultante. Solamente son compatibles las grasas de jabón de calcio y de litio (CALI), siempre y cuando los aceites sean del mismo tipo ( parafínicos, nafténicos ó sintéticos) y tengan la misma viscosidad. Para evitar problemas de contaminación de una grasa con otra, es necesario que cada una de ellas se aplique con su respectiva pistola engrasadora. Cuando se vaya a cambiar una grasa por otra, se debe limpiar el mecanismo de tal forma que no queden trazas de la grasa anterior. Las grasas a base de aceite mineral han demostrado perfecta inalterabilidad frente a los plásticos, elastómeros, pegamentos, lacas u otros tipos de materiales de construcción de las máquinas.
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LECTURA Nº 13 MODIFICACION DEL GRADO ISO DEL ACEITE DE ACUERDO CON LA TEMPERATURA AMBIENTE
INTRODUCCIÓN Por lo regular cuando el fabricante de una máquina especifica el tipo de aceite que se debe utilizar en la lubricación de sus mecanismos, lo hace recomendando la marca y el nombre de un aceite ó dando las propiedades físico-químicas del aceite con base en las normas ASTM. Cuando recomienda la marca y el nombre de un aceite, si ésta no es conocida en el país donde va a funcionar la máquina, entonces el usuario debe hallar el aceite que sea equivalente y de fácil consecución. Esto aunque parece sencillo, en muchos casos presenta dificultades, como la de tenerlo que importar; pero ya sea que se haga esto ó se proceda de otra manera el problema finalmente se puede resolver. El inconveniente más crítico se presenta es con la temperatura de operación a la cual va a trabajar el aceite en los mecanismos lubricados y con la temperatura ambiente, ya que por lo regular el primer parámetro, en el 99% de los casos no se especifica y el segundo dato, la mayoría de los fabricantes lo dan para rangos de temperatura muy amplios. Esto hace, que el aceite que finalmente se utiliza no sea el óptimo y conlleve, por lo tanto, a que en los mecanismos lubricados se presenten problemas de desgaste erosivo ó adhesivo, a corto ó a mediano plazo. Con este artículo se busca aclarar esta situación y dar las herramientas necesarias para que el usuario de un equipo pueda seleccionar, de la mejor manera posible, el grado ISO del aceite con base en la temperatura de operación y la del medio ambiente. FORMA CORRECTA DE RECOMENDAR EL ACEITE Para hallar de manera precisa el grado ISO del aceite que se debe utilizar para una aplicación en particular, el fabricante del equipo debe especificar dos valores de la viscosidad a su respectivas temperaturas de referencia, ó un valor de la viscosidad y el índice de viscosidad del mismo. Algunas veces el fabricante del equipo solo especifica un valor de la viscosidad del aceite a una temperatura de referencia, lo cual es una manera incorrecta de recomendar el aceite. En cualquiera de los tres casos descritos, el fabricante del equipo debe especificar adicionalmente, el rango de la temperatura de operación y el de la temperatura ambiente, en el cual va a trabajar el equipo, con la viscosidad recomendada. La forma de proceder en cada uno de estos casos es la siguiente: - Dos valores de la viscosidad a sus respectivas temperaturas de referencia. Del gráfico No1 (ver articulo "Selección correcta de un aceite industrial", abril 09 de 2003), se halla la viscosidad del aceite en centistokes (cSt) a las mismas temperaturas de
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referencia, luego en el gráfico No2 (ver articulo "Selección correcta de un aceite industrial", abril 09 de 2003), se grafica la curva del aceite requerido, con los dos valores de viscosidad en cSt a sus respectivas temperaturas de referencia. Por la curva hallada del aceite se sube hasta que corte la vertical de los 40°C y por el punto de intersección se traza una línea horizontal y en la escala vertical de la izquierda se leen el número de cSt del aceite a 40°C. Luego por medio de la Tabla No1 (ver articulo "Selección correcta de un aceite industrial", abril 09 de 2003), se estandariza dicha viscosidad y se halla el grado ISO correspondiente. - Un valor de la viscosidad del aceite a su respectiva temperatura de referencia y el índice de viscosidad del aceite a utilizar. Con la viscosidad dada a una temperatura de referencia especifica y el índice de viscosidad del aceite, se va a un gráfico que relacione dos valores de la viscosidad del aceite con el índice de viscosidad (libro Tribología y Lubricación Industrial y Automotriz, Tomo I, 2da edición, gráficos 8.1 y 8.2, página 205 y 206), y se halla el otro valor de la viscosidad a su respectiva temperatura de referencia. Normalmente la viscosidad se da en cSt a 40° y a 100°C, ó en SSU (Segundos Saybolt Universal) a 100° y a 210°F. Con los dos valores de la viscosidad en cSt a sus respectivas temperaturas de referencia, se halla el grado ISO del aceite de acuerdo con el procedimiento explicado en el numeral anterior. - Un solo valor de la viscosidad del aceite a su respectiva temperatura de referencia y sin especificar el índice de viscosidad del aceite a utilizar. En este caso, del gráfico No1 (ver articulo "Selección correcta de un aceite industrial", abril 09 de 2003), se halla la viscosidad del aceite en cSt a las mismas temperaturas de referencia y luego del gráfico No2 (ver articulo "Selección correcta de un aceite industrial", abril 09 de 2003), se halla el grado ISO del aceite a utilizar. Es necesario tener en cuenta que la curva del aceite hallado, en la práctica puede diferir de la curva real que el fabricante del equipo halló para calcular el grado ISO del aceite.
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FORMA CORRECTA DE SELECCIONAR EL ACEITE Para seleccionar el grado ISO del aceite, se consulta el catálogo del fabricante del equipo y allí si la recomendación es correcta deben aparecer las propiedades físico-químicas del aceite, entre ellas la más importante, la viscosidad del aceite, en cualquier sistema de unidades de viscosidad a una temperatura determinada, y el rango de la temperatura de operación y el de la del medio ambiente. Por ejemplo, supóngase que una empresa adquiere un compresor de tornillo de cámara de compresión húmeda y las especificaciones del fabricante son: 1- Viscosidad SSU/100°F, ASTM D 445: 356 2- Viscosidad SSU/210°F, ASTM D 445: 55 3- Indice de Viscosidad, ASTM D 2270: 97 4- Punto de inflamación, °F, ASTM D 92: 445 5- Punto de Fluidez, °F, ASTM D 97: 0 6- Corrosión en lámina de cobre, 3 hr a 212°F, ASTM D 130:1b 7- Prueba de espuma, secuencia II, en 5 y 10 minutos, 10 y 0 ml de espuma, ASTM D892:30/0. El fabricante del compresor adicionalmente especifica que la temperatura de operación del aceite en los rodamientos de apoyo de los rotores del compresor oscila entre 50° y 58°C y las propiedades físico-químicas del aceite recomendado son para un rango de temperatura ambiente entre 15° y 23°C. En este caso el procedimiento para seleccionar el aceite correcto para el compresor de tornillo de cámara de compresión húmeda, corresponde a la primera metodología del item anterior y es el siguiente: 1- Se halla el grado ISO del aceite requerido para lo cual, utilizando el gráfico No1 (ver articulo "Selección correcta de un aceite industrial", abril 09 de 2003), se pasa la viscosidad dada del aceite en SSU a cSt, a sus respectivas temperaturas de referencia. En este caso se tiene que: 356 SSU/100°F = 78 cSt/100°F. 55 SSU/210°F = 8,8 cSt/210°F. 2- Como la recomendación del fabricante involucra los dos valores de la viscosidad del aceite a sus respectivas temperaturas de referencia, se va al gráfico No2 (ver articulo "Selección correcta de un aceite industrial", abril 09 de 2003), y se grafica la curva real del aceite requerido. Por la curva graficada se sube hasta hallar la línea vertical correspondiente a 40°C, y por este valor se traza una línea horizontal y se lee la viscosidad del aceite en cSt/40°C. Utilizando la tabla No1 (ver articulo "Selección correcta de un aceite industrial", abril 09 de 2003), se halla el grado ISO requerido del aceite, que en este caso es un ISO 68. 3- Con el grado ISO del aceite hallado, se va al catalogo del fabricante de los lubricantes utilizados en la empresa, y se halla el aceite de un grado ISO 68 que sirva para lubricar compresores de tornillo de cámara de compresión húmeda y que cumpla con las demás propiedades físico-químicas especificadas por el fabricante del compresor. Por el valor del
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índice de viscosidad especificado de 97, se puede concluir que se trata de un aceite mineral ó derivado del petróleo ó un sintético del tipo Diester. Si se quisiera utilizar un aceite sintético para esta aplicación, sería necesario tener en cuenta la metodología respectiva para seleccionar correctamente el aceite sintético. TEMPERATURA DE OPERACIÓN Y TEMPERATURA AMBIENTE El dato de la temperatura de operación y de la temperatura ambiente entran a desempeñar un papel muy importante cuando el equipo va a trabajar bajo unas condiciones de temperatura ambiente ó de operación diferentes a las especificadas por el fabricante del equipo. Por ejemplo, si se tiene la situación, que el compresor de tornillo del caso anterior, va a operar en un lugar donde la temperatura ambiente es de 35°C, es necesario hacer las modificaciones respectivas en el grado ISO del aceite a utilizar, ya que el fabricante del equipo está recomendando el aceite para un rango de temperatura entre 15° y 23°C. Por definición la temperatura de operación es igual a: Top = Ta + DTf Donde: Top: Temperatura de operación, °C (°F). Ta: Temperatura ambiente, °C (°F). DTf: Incremento de temperatura por fricción fluida, °C (°F). Cuando la Ta cambia, también lo hace el DTf, pero solo ligeramente comparado con Ta, por lo que se puede considerar constante. Teniendo en cuenta los anteriores comentarios, la forma de proceder, para hallar el nuevo grado ISO requerido es la siguiente: - Se halla el DTf, que como se dijo anteriormente, se puede considerar constante. En este caso es igual a: DTf = 50°- 15°C = 35°C ó DTf = 58°- 23°C = 35°C - Se halla la nueva temperatura de operación, que en este caso es igual a: Top = 35° + 35°C = 70°C - Como la nueva Top de 70°C, está por encima de 58°C, que es el límite superior de la temperatura de operación, se procede de la siguiente manera: - En la curva del aceite seleccionado de grado ISO 68, en el gráfico No2 (ver articulo "Selección correcta de un aceite industrial"), se localiza la viscosidad de operación con la temperatura inicial de operación de 58°C (límite superior de la temperatura de operación) , para lo cual se traza una línea vertical por este valor de la temperatura hasta que corte la
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curva del aceite, y por el punto de intersección se traza un línea horizontal y en la columna vertical de la izquierda se halla el valor de la viscosidad de operación en cSt. - Se localiza en la escala horizontal inferior del gráfico No2 (ver articulo "Selección correcta de un aceite industrial"), la nueva temperatura de operación de 70°C, por este punto se traza una línea vertical hasta que corte la línea horizontal de la viscosidad de operación (está viscosidad solo puede variar ligeramente dentro del rango de la temperatura de operación, ó sea entre 50° y 58°C), por el punto de intersección, se traza una línea paralela a la del aceite original, y se prolonga hasta que corte la línea vertical de 40°C, por este punto de intersección, se traza una línea horizontal y se lee en la escala vertical de la izquierda, la viscosidad del aceite en cSt/40°C. - Se estandariza el valor hallado de la viscosidad del aceite y se tiene en este caso que el grado ISO del aceite a utilizar cuando la temperatura ambiente es de 35°C es un 220. Si la temperatura ambiente donde va a trabajar el compresor de tornillo, estuviera por debajo de la temperatura ambiente mínima de 15°C, para la cual se seleccionó el grado ISO 68, entonces se encontraría el nuevo grado ISO del aceite, teniendo en cuenta la viscosidad de operación hallada con la curva del grado ISO 68 y la temperatura de operación de 50°C. PROBLEMAS QUE SE PRESENTAN AL NO TENER EN CUENTA LA TEMPERATURA DE OPERACIÓN NI LA TEMPERATURA AMBIENTE Si el grado ISO del aceite a utilizar para una máquina, se selecciona sin tener en cuenta la temperatura de operación ni la temperatura ambiente, se presentarán los siguientes problemas en los mecanismos lubricados: - Si la temperatura ambiente real es menor que la que tuvo en cuenta el fabricante del equipo en sus cálculos, el grado ISO del aceite que se utilizara será mayor que el requerido, dando lugar a problemas de desgaste erosivo, altas temperaturas de operación, y mayor consumo de energía por fricción fluida, en los mecanismos lubricados. - Si la temperatura ambiente real es mayor que la que tuvo en cuenta el fabricante del equipo en sus cálculos, el grado ISO del aceite que se utilizara será menor que el requerido, dando lugar a problemas de desgaste adhesivo, altas temperaturas de operación, y mayor consumo de energía por fricción sólida, en los mecanismos lubricados. RECOMENDACIONES Para evitar que se presenten problemas de desgaste erosivo ó adhesivo con los mecanismos lubricados es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos: - Cerciorarse de que en las recomendaciones del fabricante, con respecto al tipo de aceite a utilizar, para una aplicación especifica, se haya incluido el rango de la temperatura de operación y el de la temperatura ambiente donde va a trabajar el equipo, en caso contrario, recurrir al fabricante para que las especifique. - Hacer las modificaciones del grado ISO a utilizar, en caso de que la temperatura ambiente donde va a trabajar el equipo sea diferente a la que tuvo en cuenta el fabricante en sus cálculos. 155
LECTURA Nº14 PROCEDIMIENTO PARA LA TOMA DE LA MUESTRA DE ACEITE Para su análisis de laboratorio Por: Pedro Albarracín Aguillón Ingeniero Mecánico - Universidad de Antioquia Medellín Septiembre 19 de 2005
1. INTRODUCCION Con el fin de que los resultados de los análisis de laboratorio, ya sea cualitativos ó cuantitativos, que se le efectúen a una muestra de aceite usado sean lo más precisos posibles, es necesario que la toma de la muestra de aceite se lleve a cabo siguiendo los procedimientos que se han establecido para ello. Unos de los aspectos más importantes que es necesario tener en cuenta es que el aceite que se va a analizar si sea representativo del aceite que realmente está circulando dentro del equipo rotativo y que este aceite no se haya contaminado con agentes externos al equipo rotativo en el momento de tomar la muestra de aceite. 2. PUNTO DE TOMA DE LA MUESTRA DE ACEITE La selección del punto correcto donde se debe tomar la muestra de aceite es de vital importancia, ya que si se toma en cualquier lugar, es factible que los resultados no sean representativos de la condición real del aceite. El punto de la toma de la muestra de aceite depende del sistema de lubricación del equipo rotativo al cual se le va a tomar la muestra de aceite, en este caso se van a considerar los sistemas de lubricación más comunes como el de salpique, circulación y por presión de aceite en la succión y en la descarga como en el caso de los sistemas hidráulicos. 2.1 Sistema de lubricación por salpique Se entiende por sistema de lubricación por salpique, aquellos sistemas en los cuales el aceite es salpicado por el mismo mecanismo que está lubricando ó por elementos asociados con él. En este caso se tienen sistemas tales como el de salpique por engranajes, por anillo, por cadena, por disco, por cangilones, etc. Punto de la toma de la muestra de aceite Los siguientes son los puntos en los cuales se puede tomar la muestra de aceite: -
Punto de muestreo No1: está localizado en el punto más bajo de la carcaza del equipo rotativo, y coincide con el punto por el cual se drena el aceite cuando se cambia. La mayoría de los equipos rotativos, en este punto, en lugar de válvula cuentan es con un
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tapón de drenaje, por lo que es necesario reemplazar el tapón, por una válvula de media vuelta y a ésta por seguridad, se le vuelve a colocar el tapón. Estos accesorios deben ser de acero inoxidable 304, de un diámetro igual al del tapón de drenaje conque viene el equipo rotativo, el cual por lo regular es de ¾” ó de 1”. Punto de muestreo No2: está constituido por una válvula localizada en la carcaza y en un punto ubicado en la mitad de la altura del nivel de aceite. Por lo regular los equipos rotativos no cuentan con esta válvula por lo que es necesario en un mantenimiento que se le haga, perforarle lateralmente en el carter ó en el depósito de aceite, y a la altura que se especificó, un orificio de 3/8”, hacerle rosca y colocar un niple, una válvula de media vuelta, un niple, codo de 90°, un niple y un tapón hembra. Todos estos accesorios deben ser de acero inoxidable 304. Si el equipo rotativo no cuenta con esta válvula y mientras se le instala se puede utilizar para la toma de la muestra de aceite el Punto de muestreo No1, siguiendo el procedimiento recomendado. Vampiro ó tomador de muestra manual: este elemento permite tomar la muestra de aceite a través del tubo de llenado y con el equipo rotativo en operación. La imprecisión que se presenta al tomar la muestra de aceite con el vampiro es que la manguera de succión al introducirla en el carter del equipo rotativo no permite garantizar que el punto en el cual se toma la muestra de aceite es el correcto, por lo que puede presentar cierto margen de error.
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2.2 Sistema de lubricación por circulación Se entiende por sistema de lubricación por circulación, aquellos sistemas en los cuales el aceite es succionado y descargado a un circuito de lubricación mediante una bomba de engranajes, ó de desplazamiento positivo. En este caso el sistema de lubricación está constituido por un depósito de aceite (carter) integrado al equipo rotativo, ó independiente de él, por una bomba de desplazamiento positivo, un filtro, un enfriador de aceite, instrumentos y tuberías de circulación y de retorno de aceite. Punto de la toma de la muestra de aceite Los siguientes son los puntos en los cuales se deben tomar las muestras de aceite: -
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Punto de muestreo No1: está constituido por una válvula localizada en el carter ó en el depósito de aceite y en un punto ubicado en la mitad de la altura del nivel de aceite. Por lo regular los equipos rotativos no cuentan con esta válvula por lo que es necesario en un mantenimiento que se le haga, perforarle lateralmente en el carter ó en el depósito de aceite, y a la altura que se especificó, un orificio de 3/8”, roscarlo y colocar un niple, una válvula de media vuelta, un niple, codo de 90°, un niple y un tapón hembra. Todos estos accesorios deben ser de acero inoxidable 304. Si el equipo rotativo no cuenta con esta válvula y mientras se le instala se puede utilizar para la toma de la muestra de aceite la válvula de drenaje, ubicada en el drenaje de aceite siguiendo el procedimiento recomendado. Punto de muestreo No2: está localizado antes del filtro de aceite e inmediatamente después de un codo de 90°. En este caso se puede instalar una Tee en la tubería de entrada al filtro, con una reducción de 3/8” (en caso de que la tubería sea de un 157
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diámetro mayor), un niple, una válvula de media vuelta, un niple y un tapón hembra. Si no es factible instalar la Tee, se puede soldar un niple de 3/8” directamente en la tubería del sistema de lubricación. Estos accesorios deben ser de acero inoxidable 304. Punto de muestreo No3: está localizado después del filtro de aceite e inmediatamente después de un codo de 90°. En este caso se puede instalar una Tee en la tubería de salida del filtro, con una reducción de 3/8” (en caso de que la tubería sea de un diámetro mayor), un niple, una válvula de media vuelta, un niple y un tapón hembra. Si no es factible instalar la Tee, se puede soldar un niple de 3/8” directamente en la tubería del sistema de lubricación. Estos accesorios deben ser de acero inoxidable 304.
En este caso se toma una muestra de aceite en los tres puntos de muestreo, las cuales permiten determinar lo siguiente: -
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Los Puntos de muestreo No1 y No2, permiten corroborar la tendencia al desgaste de los mecanismos lubricados y con cualquiera de las dos determinar el estado físicoquímico del aceite. Las dos muestras de aceite tomadas, en cuanto a la tendencia al desgaste son excluyentes, ó sea que se toma el valor donde el contenido de metales sea mayor. Si el contenido de metales siempre es mayor en una de las muestras de aceite tomadas se toma este Punto de muestreo como el punto en el cual siempre se va a tener en cuenta para el análisis del contenido de metales. Los Puntos de muestreo No2 y No3 permiten analizar la eficiencia del filtro al hacerles Conteo de Partículas según la Norma ISO 4406.
2.1 Sistema por presión de aceite en la succión y en la descarga Se entiende por sistemas por presión de aceite en la succión y en la descarga, aquellos en los cuales el aceite circula por un sistema de tuberías, hace un trabajo y retorna de nuevo a una presión determinada al depósito de aceite. En este caso el aceite se utiliza más como un fluido hidráulico que como un aceite lubricante. Punto de la toma de la muestra de aceite Los siguientes son los puntos en los cuales se debe tomar la muestra de aceite: -
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Punto de muestreo No1: está localizado antes del filtro de aceite e inmediatamente después de un codo de 90°. En este caso se puede instalar una Tee en la tubería de entrada al filtro, con una reducción de 3/8” (en caso de que la tubería sea de un diámetro mayor), un niple, una válvula de media vuelta, un niple y un tapón hembra. Si no es factible instalar la Tee, se puede soldar un niple de 3/8” directamente en la tubería del sistema de lubricación. Estos accesorios deben ser de acero inoxidable 304. Punto de muestreo No2: está localizado después del filtro de aceite e inmediatamente después de un codo de 90°. En este caso se puede instalar una Tee en la tubería de entrada al filtro, con una reducción de 3/8” (en caso de que la tubería sea de un diámetro mayor), un niple, una válvula de media vuelta, un niple y 158
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un tapón hembra. Si no es factible instalar la Tee, se puede soldar un niple de 3/8” directamente en la tubería del sistema de lubricación. Estos accesorios deben ser de acero inoxidable 304. Punto de muestreo No3: está localizado antes del filtro de retorno de aceite al depósito de aceite. En este caso se puede instalar una Tee en la tubería de entrada al filtro, con una reducción de 3/8” (en caso de que la tubería sea de un diámetro mayor), un niple, una válvula de media vuelta, un niple y un tapón hembra. Si no es factible instalar la Tee, se puede soldar un niple de 3/8” directamente en la tubería del sistema de lubricación. Estos accesorios deben ser de acero inoxidable 304.
En este caso se toma una muestra de aceite en los tres puntos de muestreo, las cuales permiten determinar lo siguiente: -
Los Puntos de muestreo No1 y No2, permiten hallar la eficiencia del filtro al hacerles Conteo de Partículas según la Norma ISO 4406. El Punto de muestreo No3 permite hallar la tendencia al desgaste de los componentes del sistema hidráulico. El estado físico-químico del aceite se determina con cualquiera de las tres muestras de aceite tomadas.
3. PROCEDIMIENTO Los siguientes son los pasos que se deben seguir para tomar la muestra de aceite: 3.1 Limpieza del punto de toma de la muestra de aceite Antes de comenzar un proceso de la toma de la muestra de aceite es necesario asegurarse de que el punto de la toma de la muestra de aceite esté limpio, de lo contrario se debe limpiar con un trapo limpio que no desprenda hilachas. 3.2 Frasco para tomar la muestra de aceite Para tomar la muestra de aceite se debe utilizar un frasco plástico transparente de 100 cc de capacidad, que cuente con una tapa hermética. 3.3 Identificación de la muestra de aceite El frasco donde se va a alojar la muestra de aceite debe llevar una etiqueta con la siguiente información: -
Fecha. Nombre de la empresa. Nombre y código del equipo rotativo. Nombre y marca del aceite. Identificación del punto de muestreo. Volumen de aceite que contiene el equipo rotativo. Volumen de aceite añadido entre cambios de aceite. Temperatura de trabajo del aceite. 159
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Horas de operación del aceite y del equipo rotativo. Observaciones relevantes sobre las características del equipo rotativo y del proceso, con el fin de que las recomendaciones que se den con respecto al estado del aceite sean los más precisas posibles.
3.4 Procedimiento para la toma de la muestra de aceite La muestra de aceite se toma de acuerdo con el siguiente procedimiento: -
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Si el sistema de lubricación es por salpique y se va a tomar la muestra de aceite utilizando el Punto de muestreo No1, se quita el tapón, se abre la válvula de drenaje y se drena el agua libre, en caso tal de que el aceite contenga este contaminante. En la mayoría de los casos el aceite puede contener agua debido a la condensación del vapor de agua presente en el aire que se encuentra dentro del equipo rotativo. Si las propiedades demulsificantes del aceite están dentro de especificaciones, el agua se separa de éste, depositándose en el fondo del carter del equipo rotativo (si el sistema de lubricación es por salpique), ó en el depósito (si el sistema de lubricación es por circulación). Debido a este fenómeno primero se debe drenar (eliminar) el agua presente en el aceite antes de recoger la muestra de aceite para su análisis en el laboratorio. Luego se deja fluir por lo menos un galón de aceite, ó hasta que éste salga caliente, se recoge en un recipiente limpio y vuelve y se le aplica al carter del equipo rotativo ó al depósito de aceite. Se debe utilizar un embudo para evitar arrojar el aceite al piso y facilitar la toma de la muestra de aceite. Posteriormente se toma la muestra de aceite de 100 cm3 en el envase disponible para contenerla, cerrándolo herméticamente. Luego se cierra de nuevo la válvula y se coloca el tapón hembra. Si el sistema de lubricación es por salpique y se va a tomar la muestra de aceite utilizando el Punto de muestreo No2, se quita el tapón hembra, se abre la válvula de media vuelta, y se toma la muestra de aceite de 100 cm3 en el envase disponible para contenerla, cerrándolo herméticamente. Luego se cierra de nuevo la válvula y se coloca el tapón hembra. Si el sistema de lubricación es por circulación de aceite, y se van a tomar las muestras de aceite utilizando los Puntos de muestreo No1, No2 y No3, se quita el tapón hembra, se abre la válvula de media vuelta, se deja fluir un volumen de aceite equivalente a 100 cm3 de aceite, los cuales se recogen en un envase limpio y vuelven y se le aplican al carter ó depósito de aceite del equipo rotativo. Una vez realizada esta operación, se toma y se contiene la muestra de aceite de 100 cm3 en el envase limpio disponible para este propósito, garantizando que queda herméticamente cerrado; luego se cierra de nuevo la válvula y se coloca el tapón hembra. Si el sistema de lubricación es por presión de aceite en la succión y en la descarga, y se van a tomar las muestras de aceite utilizando los Puntos de muestreo No1, No2 y No3, se quita el tapón hembra, se abre la válvula de media vuelta, se deja fluir un volumen de aceite equivalente a 100 cm3 de aceite, los cuales se recogen en un envase limpio y vuelven y se le aplican al depósito de aceite del equipo rotativo ó del sistema hidráulico según el caso. Una vez realizada esta operación, se toma la 160
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muestra de aceite de 100 cm3 en el envase disponible para este propósito, garantizando que queda herméticamente cerrado; luego se cierra de nuevo la válvula y se coloca el tapón hembra. El envase utilizado para contener la muestra de aceite, solo se debe abrir en el momento de la toma de la muestra de aceite, para evitar que ésta se influencie con los contaminantes presentes en el ambiente. En el momento de tomar la muestra de aceite es muy importante introducir el niple por donde sale el aceite, dentro del envase, con el fin de evitar la contaminación del aceite con las partículas sólidas y metálicas que puedan estar presentes en el medio ambiente. Los envases que contienen la muestra de aceite se deben seleccionar de tal manera que dejen un espacio vacío en la parte superior, que permita agitar la muestra de aceite antes de su análisis en el laboratorio. Al envase que contiene la muestra de aceite se le debe colocar una etiqueta adhesiva con los datos especificados en el Numeral 3.3. En caso de tener ambientes contaminados (alto contenido de vapor, humos, cenizas y partículas en la atmósfera), es recomendable tomar la muestra de aceite en una botella de vidrio limpia, utilizando un embudo limpio, para evitar hacer regueros de aceite en el piso de la planta y facilitar la toma de la muestra de aceite. El embudo se debe limpiar cada vez que se tome una muestra de aceite, con un trapo limpio que no desprenda hilachas. Posteriormente en el cuarto de control de la planta se vierte el aceite recogido en la botella, en el envase que va a contener la muestra de aceite. Una vez realizados los pasos anteriores, se procede a enviar las muestras de aceite al laboratorio para su análisis de acuerdo con las pruebas ASTM.
4. OBSERVACIONES Los siguientes son algunos aspectos adicionales que es necesario tener cuenta en el momento de tomar la muestra de aceite: -
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Para el caso de equipos rotativos con sistema de lubricación por anillo, con un volumen de aceite menor a 1 litro, se debe tener cuidado en el momento de tomar la muestra de aceite, de no desocupar el carter del equipo rotativo, debido a que en muchos de estos equipos rotativos, la longitud de la tubería de drenaje es bastante considerable, (superior a 1m). Cuando se presenta este caso, una segunda persona debe estar pendiente del nivel del aceite en el momento de la toma de la muestra de aceite, para que vaya completando el nivel y así garantizar que el mecanismo lubricado cuenta con la cantidad correcta de aceite, evitando que se presente una falla catastrófica por lubricación. La muestra de aceite que se tome se debe enviar lo más pronto posible al laboratorio, con el fin de que los resultados de los análisis sean lo más representativos posibles.
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LECTURA Nº 15 TOMA DE MUESTRAS DE ACEITE PARA SU ANALISIS DE LABORATORIO Por: ING. JUAN IVAN CASTRO
[email protected] Laboratorio de Materiales - Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Jujuy - San Salvador de Jujuy, Av. Italia y Av. Martiarena. - Telf. 54388-4221590 - Argentina.
[email protected] ;
[email protected] Los siguientes parámetros son necesarios respetar para que la muestra que se extraiga sea la más representativa del equipo a estudiar: 1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Tomar la muestra “en caliente”, es decir que la temperatura sea la de operación y el equipo este trabajando en ese instante. La causa de lo anterior radica que cuando trabaja, el aceite se encuentra los mas homogéneo posible por la circulación forzada a la que es sometido. Esta puede realizarse durante el uso o inmediatamente después del apagado. Tomar en un lugar por donde pase todo el aceite. De esta forma nos aseguramos de que no se traten de lugares estancos donde se acumulan partículas, es allí donde la cantidad recogida no representa en lo absoluto el comportamiento del equipo rotativo. Tomar antes de añadir aceite limpio. Cuando se agrega aceite limpio se diluye el aceite, con sus características, haciendo que los resultados no concuerden con la realidad por que los contaminantes estarán en menor proporción. Siempre en las mismas condiciones y en el mismo lugar. Así el seguimiento realizado al equipo será lo mas equivalente posible. Los resultados reflejaran la realidad innata de cada evento que le ocurre a la maquinaria. En lo posible en días donde no llueva ni haya alta humedad. El riesgo de que ingrese agua al depósito de aceite es muy grande, ya que los lubricantes son altamente higroscópicos, especialmente a altas temperaturas (especialmente los Sintéticos Polialkileneglicol, son extremadamente acuofílicos por su naturaleza química). La entrada de agua es un veneno para el equipo. Como dice el dicho “cuando el agua y el aceite se juntan es por que algo malo va a pasar” los problemas fundamentales son que el agua interrumpe la película de aceite que tiene que lubricar, y que acelera la formación de ácidos que destruyen los mecanismos internos. Tratar en lo posible de que no ingrese tierra al sistema. En la tierra se encuentra presente el Silicio vulgo arena, este mineral en contacto con las partes metálicas en movimiento actúa como un esmeril o lija que los desgastan rápidamente. Es sabido que una de las formas para limpiar pinturas es mediante el arenado, lo mismo le pasa a los metales frente al silicio. Nunca se debe aflojar ninguna manguera o tubería, como así tampoco de conductos destinados para dirigir el aceite que ha terminado su vida útil para su destino final.
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Las muestras extraídas desde estos lugares se encontraran altamente contaminadas y reflejaran resultados irreales. Cuidados para el operario: 1.
2. 3. 4.
En el momento de la toma de muestra nunca succionar el aceite con la boca. Ya que el aceite contaminado es altamente tóxico, además si esta caliente puede provocar quemaduras. Usar guantes. El problema principal es que si esta muy caliente puede quemarse. No fumar. La caída de cenizas aumentarán erróneamente la viscosidad del aceite. Usar mascaras. Es primordial para evitar salpicaduras que pueden proyectarse al rostro. Además el ingreso de saliva también suministrará una lectura de contenido de agua erróneo.
Cuidados para con el equipo de muestreo: 1.
2.
3.
4. 5.
6.
Nunca usar estopa para la limpieza personal ni del equipo, ya sea en su mantenimiento o toma de muestras. La causa principal es que la estopa deja inevitablemente pelusas que contaminan al lubricante interfiriendo en la lubricación de los órganos internos del equipo. Se deben usar trapos que no contengan fibras flojas tendientes a escapar como pelusas. Cuando se introduce la manguera plástica corroborar de que el extremo no toque el fondo ni que tome contacto con superficies contaminantes. Para ello medir la manguera de antemano, es decir antes de cortarla de su carretel. Un buen criterio, es la de medir con el largo de la varilla de medición. Si en el lubricante se hallan formados depósitos, estos podrían ser succionados por el equipo. Si el aceite se encuentra a alta temperatura no dejar que la manguera de la toma de muestras esté mucho tiempo en el interior del equipo a muestrear. Hay que recordar de que es un componente plástico y que su composición no difiere en gran medida de la base lubricante, por lo que es alta la posibilidad de que se ablande (por el calor, derritiéndose) y se disuelva en el aceite. El tubo plástico para la toma de muestras “Sólo tiene la vida útil de un muestreo”. El uso en más de un equipo rotativo con la misma manguera provoca que las determinaciones posteriores a la primera sean contaminadas por su antecesora. Evitar la entrada de Tierra en el frasco, anterior a la toma y posterior a ella, para ello se debe de abrir el frasco sólo en el momento de introducir en su interior el fluido a estudiar. También es de vital importancia que el frasco sea cerrado garantizando su hermeticidad, además de que de este modo se evita derrames de su contenido. Se debe de identificar con toda claridad el frasco: Tipo y marca del lubricante, Tipo de Sistema, Posición, Matrícula y Nº. Referencia dado en la Compañía (Año/Número), Compañía Fabricante del sistema, Temperatura de trabajo, horas de trabajo del equipo, horas después del ultimo cambio de aceite, Fecha de toma de muestra). Cantidad de aceite añadido durante la marcha. Nombre del operario que tomo la muestra. Nº de muestra (para realizar un historial del equipo, con ello se hará un seguimiento de comportamiento) Detalles de Anomalías vistas en el equipo rotativo. Es necesario aclarar que mucha de esta información deberá acompañar a la muestra en un documento anexo. Por lo tanto la información primordial a colocar en el frasco ha de 163
7.
ser el aceite utilizado, marca y viscosidad. Número de identificación del equipo, dada por la empresa, Fecha de muestreo, ultima fecha de cambio de aceite. Ambiente en el que se encuentra. En el momento de envío se debe de depositar la botella en una bolsa de plástico polietileno debidamente sellada junto a la documentación correspondiente. Tomar una muestra de fluido puede ser muy peligroso. Tenga extrema precaución.
Si la toma de muestra se realiza sin bomba de vacío: A través de la boca de carga del depósito:
A) Se introduce el tubo por la boca de carga del depósito de aceite y se espera a que el aceite se introduzca en el interior. B) Se tapa con el dedo la parte superior del tubo, se saca. C) Se introduce en el frasco de plástico porta muestras. D) Finalmente se retira el dedo que obstruía el extremo superior y por gravedad el contenido del macarrón pasará al frasco. Se repite esta operación hasta completar la cantidad requerida de muestra. Comentario: este método es muy tedioso más cuando existen altas temperaturas en el ambiente. No es recomendable.
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A través del drenaje: Es recomendable disponer de un recipiente cilíndrico y un soporte. A) Quitar el tapón de drenaje y hacer que el aceite caiga en el recipiente auxiliar que soporta el porta-muestras. B) Cuando haya caído aproxima un cuarto de litro de aceite (arrastrando la suciedad del fondo), hacer que el aceite caiga en el bote porta muestras hasta llenar la cantidad de muestra requerida. C) Retirar de nuevo, tapar el drenaje y el frasco.
Si el tapón tuviese un imán para retener las virutas, es desaconsejable este método, ya que al caer el aceite, arrastrará consigo a los metales y se obtendrán resultados erróneos del equipo rotativo. Muestra de fluido hidráulico: Se recomienda ENJUAGAR el bote de la muestra con el propio líquido hidráulico, desechándolo después. Tomar la muestra con las máximas precauciones, ya que el fluido hidráulico es muy susceptible a la contaminación. Si la toma se realiza mediante bomba de vacío: La Bomba de Vacío puede ser usada para obtener muestras de fluido desde el sistema colector de aceite o el tanque sin el uso de una válvula especial de muestreo.
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1. Utilice un tramo nuevo de tubo plástico (1) suficientemente largo para alcanzar al menos la mitad del camino a la parte inferior del colector de aceite o el tanque. 2. Desprenda el tornillo metálico (6). 3. Inserte una punta del tubo (1) a través del tornillo metálico (6) hasta que esta se extienda ligeramente por debajo de la parte inferior del cuerpo de la bomba (5). 4. Ajuste el tornillo metálico (6). 5. Rosque una botella SUCIA de muestra sobre el cuerpo de la bomba (5). 6. Inserte la otra punta del tubo plástico (1) dentro del colector de aceite o el tanque. 7. Tire de la manija de la bomba (2) y haga correr algo del fluido del sistema a través del tubo plástico (flushing del tubo). 8. Desenrosque la botella SUCIA de muestra y descargue el aceite. Se debe de tener especial atención en el proceso de toma e identificación de las muestras, debido a que la muestra es la única fuente de información para diagnosticar el estado de desgaste del sistema. 9. Remueva la tapa (3) de la botella LIMPIA de muestra (4). Haga esto cuidadosamente para no contaminar con ninguna suciedad la tapa o la botella. 10. Rosque la botella LIMPIA de muestra (4) fijamente sobre el cuerpo de la bomba. 11. Inserte la otra punta del tubo plástico (1) dentro del colector o el tanque y tire de la manija (2) para llenar la botella de muestra. Es muy importante sólo jalar de la bomba hasta sentir el vacío, una sola vez, no se debe de seguir bombeando, ya que se formaran burbujas debido a la evaporación parcial de los contenidos volátiles por el vacío reinante. Un único proceso llenara más vertiginosamente la botella y no se cansara al operario, si es que debe de testear varios equipos rotativos.
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12. Desenrosque la botella de muestra (4) del cuerpo de la bomba (5), e inmediatamente rosque la tapa (3) sobre la botella. Ajuste firmemente la tapa. 13. Desprenda el tornillo metálico (6), y remueva y descargue el tubo plástico (1). “La eficacia de un buen análisis es que la muestra llegue lo antes posible al laboratorio de investigación”
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LECTURA Nº16 EL TIEMPO MEDIO ENTRE FALLA COMO ENFOQUE PARA EL MEJORAMIENTO DE LA CONFIABILIDAD Por .Arnulfo Grandas Ingeniero Mecánico Refinería de Ecopetrol Barrancabermeja-Colombia A veces nos preguntamos como priorizar ó qué hago con las fallas que se presentan en los equipos rotativos, los jefes y operaciones quieren que los equipos rotativos no fallen y esperan soluciones. Cuando los ingenieros se enfrentan a todas estas oportunidades, pero a la vez con tantas cosas que hacer, es necesario pensar en lo siguiente: “Lo que no se mide no se puede controlar, y lo que no se puede controlar no se puede mejorar”. Si se quiere mejorar la “Confiabilidad”, debemos basarnos en observaciones pasadas para identificar probabilidades futuras. Se debe determinar una medida apropiada de la confiabilidad y determinar las metas que se quieren alcanzar. Un indicador clave para mejorar la “Confiabilidad” es el Tiempo Medio Entre Falla ó TMEF, la manera como se calcule y se utilice para una efectiva gestión de activos, nos puede llevar a obtener avances hacia el éxito. Lo primero que se tiene que definir para el sitio, es que se considera falla y cómo y dónde se van a registrar estos eventos de falla. Si se considera un equipo rotativo, el TMEF se calcula como: TMEF =
∆t # Fallas
Donde ∆t es un intervalo de tiempo para identificar el número de fallas que tuvo el equipo rotativo, por ejemplo en los últimos 24 meses. Como ejemplo para un equipo rotativo de bombeo, se encontró que en los últimos 24 meses, se registraron cuatro fallas en la bomba centrífuga, y dos fallas en el motor eléctrico que mueve la bomba centrífuga. Con lo anterior obtenemos que para la bomba centrífuga, el TMEF = 6 meses, y para el motor eléctrico, el TMEF = 12 meses. Ahora bien, si se piensa en un conjunto motor eléctrico-bomba centrífuga como sistema de bombeo (sin el motor eléctrico ó la bomba centrífuga, no se puede cumplir la función), el TMEF sería 4 meses (6 fallas en total como sistema). Si se quiere medir el comportamiento de una planta ó de un grupo de equipos rotativos similares, entonces el TMEF se puede calcular con la siguiente formula: TMEFGrupo de equipos =
∆t × E # Fallas
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Donde, ∆t es un intervalo de tiempo; E, el número de equipos rotativos que se está considerando y como denominador, el número de fallas registradas para en intervalo de tiempo evaluado para todos los equipos rotativos. Como ejemplo, si en una planta se tienen 20 bombas centrífugas, y en un intervalo de tiempo de 12 meses, se registraron en total 12 fallas, podemos concluir que para este grupo de equipos rotativos el TMEF en promedio es: TMEF =
12 × 20 = 20 meses 12
Si se tiene un buen registro de fallas y se quiere gestionar la “Confiabilidad” con el TMEF, se puede identificar el TMEF a nivel del equipo rotativo y el promedio para un grupo de equipos rotativos, y que se puede representar en la Figura No1.
Frecuencia de Falla
TMEF
Tiempo
Figura 1
En una planta ó empresa con varias plantas, hay unos equipos rotativos cuya frecuencia de falla es alta ó TMEF bajo, y otros cuya frecuencia de falla es baja, representados por la dispersión de la curva, cuya medía sería el TMEF promedio para el grupo de equipos rotativos. Cual es el enfoque?. Tratar que la dispersión de esta curva sea menor y que el TMEF promedio se incremente. Para eso, se debe tener un enfoque en buscar la eliminación de los defectos que hacen que estos equipos rotativos fallen y lograr incrementar el TMEF de los mismos, ver Figura No2. Frecuencia de Falla
TMEF
Tiempo
Figura 2
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Además de buscar el incremento del TMEF de aquellos equipos rotativos con alta frecuencia de falla, es importante mantener controlados aquellos cuya frecuencia de falla es menor, y así poder obtener una mejor “Confiabilidad” como se muestra en la Figura No3.
Frecuencia De Falla
TMEF
TMEF
Incrmento de Confiabilidad
Tiempo
Figura 3
Como se puede observar, el TMEF nos puede ayudar a priorizar y cómo debemos enfocarnos en las acciones para mejorar la “Confiabilidad” en nuestros equipos rotativos. El TMEF por equipo rotativo nos muestra los pocos equipos rotativos que nos incrementan los esfuerzos de mantenimiento con los costos asociados, inclusive de lucro cesante en una unidad de proceso. El TMEF por grupo de equipos rotativos, en una empresa con varias unidades, nos indica aquella unidad con más oportunidades de mejora y que de alguna manera hay que enfocarse en busca de soluciones ó a la vez, en buscar las estrategias adecuadas para controlar sus fallas.
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INA – Educación Técnica - TEC
BIBLIOGRAFIA
1. Lubrication Engineering Vol. 54, 55 y 56. Society of Tribologists and Lubricaction Engineers 2. General Reference Guide, BR 777-8 Tribology. 3. Lubricants Handbook, 1.992 Petro-Canadá Products. 4. Encyclopedia. Lubetext D400 Exxon Corporation 5. Back to Basis. Troblogy: The Science of Combatting Wear. Societey of Tribologists and Lubrication Engineers 6. Back to Basis. Physical and Chemical Properties of Industrial Mineral Oils Affecting Lubrication. Societey of Tribologists and Lubrication Engineers 7. American Gear Manufacturers ANSI/AGMA 9005-D94
Association
Industrial
Gear
Lubrication
8. FAG Kugelfischer Georg SchAfer KgaA Lubricación de Rodamientos Publicación No. 8115 SA 9. Diseño en Ingeniería Mecánica .Joseph Edward Shigley, Charles R. Mischke 51. 10. American Petroleum Insititute. A Guide to the API Engine Oil Licensing and Certificaction System Publicación 11. Omega Encyclopedia . Omega Manufacturing Division 12. www.ingenierosdelubricacion.com
Bibliografía
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Ing. Alberto Garro Zavaleta
