Evitando las fallas por viscosidad insuficiente

5 de enero de 2018

VISCOSIDAD WP Evitando las fallas por viscosidad insuficienteJim Fitch. Noria Corporation. Traducido por Gustavo Huicochea Hernández, Noria Latín América.

La industria se mueve sobre una delgada película de lubricante. La viscosidad del aceite soporta la carga y define el espacio dinámico entre las superficies en movimiento relativo durante la operación. Algunas veces este claro dinámico es grueso y abundante, y otras veces es delgado o llega a desaparecer. Sin viscosidad, la mayoría de las máquinas se autodestruirían rápidamente por la fricción mecánica y el desgaste.

También existe una bien conocida penalización y riesgo para la confiabilidad debido a un exceso de viscosidad. Como la mayoría de las cosas, la selección de la viscosidad de un lubricante debe optimizarse para permitir la protección necesaria y evitar el peligro de una viscosidad excesiva. Por ejemplo, un exceso de viscosidad puede causar pérdidas por batido y generación excesiva de calor por fricción molecular. También puede impedir el movimiento del lubricante y el flujo a superficies que lo necesitan.

Una de las desventajas más conocidas de una viscosidad excesiva es el alto consumo de energía. En los últimos años, hemos visto que la viscosidad especificada por los fabricantes de automóviles con motores a gasolina se redujo de 5W-40 a 5W-30, y ahora en algunos casos a 5W-20. Todos estos cambios son motivados por la conservación de la energía. Por supuesto, el principal motivador para la conservación de la energía no es ahorrar dinero en combustible o electricidad, sino más bien reducir el consumo de combustibles fósiles, que emiten gases nocivos (dióxido de carbono, óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, etc.) a la atmósfera como subproductos de la combustión.

Si bien cualquier esfuerzo por disminuir el consumo de energía y proteger el medio ambiente es una causa noble, debe estar consciente de que una excesiva reducción de la viscosidad puede ser contraproducente. En condiciones ideales, una reducción de la viscosidad en un motor puede no causar daños. Sin embargo, en los peores escenarios, el colapso de la película de aceite puede acelerar peligrosamente el desgaste y provocar fallas prematuras. En el motor de un automóvil estos escenarios pueden presentarse debido a bajos niveles de refrigerante, cargas pesadas (arrastrando un remolque), elevada temperatura ambiental, bajos niveles de aceite, conducción en caminos de tierra (alta ingestión de partículas), patrones de conducción de viajes cortos, contaminación con agua y dilución con combustible. El desgaste excesivo en la región de la cámara de combustión (anillos, pared del cilindro, válvulas y levas/seguidores) causada por una viscosidad excesivamente baja y alguno de los escenarios mencionados arriba, dará como resultado combustión ineficiente, mayor consumo de combustible y salida de gases nocivos por el tubo de escape.

Una viscosidad demasiado baja también puede causar volatilización excesiva y consumo de aceite en el motor, con un impacto negativo para el medio ambiente. La baja viscosidad equivale a moléculas pequeñas que son más propensas a evaporarse a altas temperaturas en la zona de los anillos del pistón, la pared del cilindro y las válvulas de escape.

Falta de viscosidad en los peores escenarios

Los ingenieros de lubricación consideran numerosos factores al hacer coincidir la selección de viscosidad con las necesidades de la máquina. La velocidad es un factor importante, al igual que la carga. Ambos definen la viscosidad necesaria para producir películas de aceite hidrodinámicas y elasto-hidrodinámicas. Estas películas de aceite crean una separación entre las superficies de trabajo para mitigar la fricción y el desgaste por contacto mecánico.

Algunas máquinas funcionan a velocidades variables. Sin velocidad, no puede generarse la película de aceite. Es por eso que a menudo se dice que cada vez que enciende el motor de su automóvil o camión está causando un desgaste mecánico equivalente a 800 km de recorrido. Arranques, paradas, bajadas pronunciadas, bajas velocidades y movimientos en reversa son todos eventos con escasez de viscosidad o falta de película de aceite.

La temperatura es otro factor crítico. Por lo general, primero se toman en consideración las temperaturas extremas y luego las temperaturas normales de operación. En el extremo más bajo de temperatura, el aceite debe ser lo suficientemente fluido para permitir el movimiento y el flujo. En el extremo de temperatura más alta, la viscosidad no debe ser tan baja como para permitir que las superficies rocen y colisionen, lo que daría como resultado desgaste en las superficies de trabajo y fallas. El índice de viscosidad también juega un rol crucial cuando se sabe que las temperaturas fluctúan ampliamente.

Normalmente, se utilizan gráficos y fórmulas para seleccionar la viscosidad de un lubricante. También debería tomarse en consideración el riesgo. ¿Cuál es la probabilidad de escasez de viscosidad durante condiciones normales o extremas? ¿Cuáles serían las consecuencias? Debe tomarse en cuenta la seguridad, el costo de reparación, el tiempo de inactividad, el consumo de energía y los factores ambientales.

Es fácil seleccionar la viscosidad para condiciones normales y con carga constante. Sin embargo, la operación con carga muy alta impone exigencias extremas en la viscosidad de un lubricante, como resultado de cargas de choque o aumento repentino de carga, desbalanceo y desalineamento mecánico. Es esencial saber cuándo ocurren estas condiciones. En muchos casos, la solución no es la viscosidad, sino más bien los aditivos para lubricación a película límite.

Todos sabemos que la viscosidad produce los claros dinámicos entre las superficies en movimiento relativo con respecto a la velocidad y la carga. Esta separación define la sensibilidad de la máquina a la abrasión de tres cuerpos por contaminación con partículas. Las partículas en el rango de tamaño de este claro dinámico causan la mayor cantidad de abrasión. Por ejemplo, si el claro dinámico de operación es de 10 micrones, entonces las partículas de alrededor de 10 micrones causan la mayor abrasión y fatiga de superficie (pitting). La población de partículas pequeñas en un lubricante es siempre mucho mayor en comparación con la de las partículas grandes. Cuanto menor es la viscosidad, más delgado es el claro dinámico de operación y más daño causa la contaminación con partículas.

Otras causas de la escasez de viscosidad

Como se mencionó antes, las condiciones que a menudo privan a una máquina de viscosidad pueden ser momentáneas o temporales. El alto calor ambiental o un intercambiador defectuoso pueden reducir la viscosidad. En ocasiones, el problema de la temperatura está localizado o es específico de una condición de operación transitoria. Por ejemplo, una máquina puede desarrollar un punto caliente por diversas razones que pueden causar que la viscosidad disminuya en ese punto. Cuando estos puntos calientes son extremosos también pueden romper las moléculas del aceite, lo que produce una pérdida permanente y severa de la viscosidad.

La viscosidad puede disminuir por contaminación o degradación del aceite. La dilución con combustible en los motores y la contaminación química (solventes, refrigerantes, gas natural, etc.) pueden provocar una caída repentina de la viscosidad. La contaminación con agua puede diluir muchos aceites que tienen una alta solvencia con agua. En el caso de los ésteres naturales y sintéticos, el agua puede descomponer la molécula del éster para reducir drásticamente la viscosidad mediante una reacción química llamada hidrólisis.

Algunos lubricantes tienen paquetes de aditivos que incluyen mejoradores del índice de viscosidad (MIV). Las moléculas de los MIV son extremadamente grandes y cuando el aceite está caliente se estiran, haciéndolas extremadamente susceptibles a la ruptura por corte mecánico en las zonas de fricción de la máquina (contactos de leva/seguidor, contactos de placa oscilante/deslizante, bombas y rodamientos). Estas rupturas reducen la viscosidad del aceite con el tiempo. Los aceites para motores de combustión interna y la mayoría de los fluidos hidráulicos tienen riesgo de pérdida de viscosidad por corte de los mejoradores del índice de viscosidad.

tabla1 Evitando las fallas por viscosidad insuficiente

Consecuencias de una viscosidad inadecuada

Las máquinas con escasez de viscosidad adolecen de una serie de problemas que se traducen en costos operativos y problemas de confiabilidad. En ciertas situaciones, la falta de viscosidad puede provocar la muerte súbita y catastrófica de los componentes de la maquinaria, como los rodamientos, cojinetes y engranajes. En otros casos, los efectos son más leves y solo acortan ligeramente la vida útil de la máquina. Las siguientes consecuencias pueden ocurrir cuando la viscosidad es menor que la ideal:

  • Desgaste mecánico

En muchas circunstancias, la viscosidad es la propiedad más importante del lubricante que previene o mitiga el desgaste. Cuando la viscosidad cae por debajo de un umbral crítico, se acelera el desgaste mecánico. Esto incluye desgaste abrasivo (dos y tres cuerpos), desgaste adhesivo (rayado y escoriación), fatiga de superficie (micropicaduras) y desgaste por delaminación.

  • Círculo vicioso de falla térmica

La baja viscosidad causa desgaste y fricción, que generan calor. El calor reduce la viscosidad del aceite, lo que provoca más fricción y desgaste, así como más calor. Este es el círculo vicioso de falla térmica. El desgaste acelerado acorta la vida útil de la máquina y el calor acorta la vida útil del lubricante.

  • Reducción del tiempo de vida del lubricante

Cuando las superficies de fricción se ven privadas de la viscosidad, los aditivos del lubricante se ven afectados de tres maneras. La primero es por el calor (como se mencionó anteriormente), que acelera el agotamiento de aditivos como los antioxidantes, dando como resultado la oxidación del aceite básico. La segunda es la ruptura de los aditivos MIV, que conduce a una mayor pérdida de viscosidad. La tercera es la fricción mecánica causada por la baja viscosidad que causa que los aditivos antidesgaste y de presión extrema (EP) se agoten sacrificándose más rápidamente.

  • Fuga

La baja viscosidad aumentará la tasa de fugas, tanto externas como internas. La fuga externa causa una pérdida de lubricante, mientras que la fuga interna afecta el funcionamiento de la máquina (velocidad y control en el caso de los sistemas hidráulicos) y el consumo de energía.

  • Consumo de aceite de motor de combustión interna y efectos ambientales

La baja viscosidad del aceite aumenta la tasa de consumo en los motores a diésel y gasolina, que es un costo operativo. El aceite que se libera hacia el sistema de escape produce emisiones de hidrocarburos, lo que pone en peligro la salud humana y deja una huella de carbón.

Reconociendo máquinas con carencias de viscosidad

No suponga que el lubricante en su máquina tiene la viscosidad correcta simplemente porque es el especificado en el manual de operación y mantenimiento de la máquina. Desafíe las recomendaciones convencionales de viscosidad. Algunas máquinas funcionan en condiciones muy alejadas de las previstas por el que las diseñó. Las aplicaciones de la máquina varían notablemente a causa del ciclo de trabajo, el entorno de operación, la temperatura, la proximidad a contaminantes y las condiciones de funcionamiento. Muchas máquinas funcionan a velocidades y cargas muy por debajo del máximo especificado por el fabricante. Otras máquinas, por el contrario, operan por encima de las velocidades y cargas de diseño. Todo esto tiene un efecto agudo en las necesidades de viscosidad de la máquina.

Una forma de mantenerse alerta por una viscosidad inadecuada (falta o exceso de viscosidad) es “escuchando” a la máquina. Esto se puede hacer usando las siguientes técnicas:

  • Análisis de aceite: Análisis de viscosidad e índice de viscosidad, contaminación (combustible, agua, partículas, etc.), estabilidad a la oxidación, estabilidad térmica, metales de desgaste, etc. Busque las causas raíz (de disminución de viscosidad) y los efectos de la escasez de viscosidad en las máquinas.
  • Sonido: Los rodamientos, las bombas y los engranajes emiten sonidos muy diferentes cuando carecen de lubricante o viscosidad.
  • Monitoreo de calor: Utilice pistolas y cámaras de infrarrojo para detectar puntos calientes y temperaturas inusualmente altas del aceite y componentes de la maquinaria. Las máquinas con detectores de temperatura de resistencia (RTD) y medidores de temperatura pueden informar variaciones de temperatura importantes en el aceite, el refrigerante y el metal de los cojinetes (radiales y axiales).
  • Cambio de nivel de aceite: Los contaminantes como el combustible, los productos químicos del proceso e incluso el agua pueden cambiar drásticamente la viscosidad del aceite cuando lo contaminan. Esto a menudo se puede ver como un aumento repentino en el nivel de aceite en los medidores y mirillas de nivel.
  • Superficies de fricción estresadas: Las paredes de los cilindros, los cojinetes, los dientes de los engranajes y las levas son ejemplos de superficies de la máquina que pueden inspeccionarse periódicamente para identificar degradación anormal del aceite o falta de viscosidad.
  • Fugas: Una disminución repentina de la viscosidad del aceite a veces puede aumentar la fuga en varios puntos.

Escasez de lubricante vs. Escasez de viscosidad

Los peligros de la falta de lubricante se han discutido ampliamente en diversos artículos publicados en la revista Machinery Lubrication. Esta condición describe máquinas y superficies críticas que reciben un suministro inadecuado de aceite o grasa. La escasez de viscosidad es diferente. La cantidad de lubricante puede ser adecuada, pero la capacidad de carga del lubricante se ve afectada por la delgada película de aceite. Manténgase atento a ambas formas de escasez por medio de su programa de monitoreo de condición.

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