El método más eficaz para reducir la fricción y el daño en las superficies consiste en separar completamente las superficies de contacto mediante una película gruesa de aceite o aire, más gruesa que la suma de las protuberancias o asperezas más elevadas de la superficie. Sin embargo, esto a menudo no es posible, y los contactos lubricados se clasifican según el espesor de la película lubricante.
Espesor específico de película (Lambda)
Dado que las superficies de la maquinaria no son completamente lisas, sino que tiene rugosidades que dependen del acabado de las superficies, no es posible definir una película mínima de lubricante en forma absoluta. En lugar del espesor mínimo de la película, el ingeniero de lubricación trabaja con el espesor específico de película, Lambda, definido como la relación entre el espesor promedio de la película y la rugosidad compuesta de las superficies en movimiento relativo. Para lograr una separación completa, Lambda debe ser mayor que 2.5 (lubricación a película completa) pero cuando Lambda es menor que 1 (lubricación límite), se produce contacto, y las pendientes y curvaturas de las asperezas se pueden utilizar para calcular las tensiones de contacto locales y, por lo tanto, para estimar la fricción y el desgaste.
Existen cuatro regímenes de lubricación:
- Lubricación límite
- Lubricación mixta
- Lubricación hidrodinámica
- Lubricación elastohidrodinámica
Lubricación límite
La lubricación límite se asocia con el contacto metal-metal entre dos superficies deslizantes de la máquina. Durante el arranque o la parada inicial de algunos equipos (por ejemplo, cojinetes de deslizamiento) o bajo condiciones de carga elevada (pasadores y bujes de maquinaria de construcción), las superficies metálicas de un sistema lubricado pueden llegar a entrar en contacto directo. Si la película de aceite no es lo suficientemente gruesa como para superar la rugosidad superficial del metal, el valor de Lambda será inferior a uno.
En general, procuramos evitar la lubricación límite siempre que sea posible. Los especialistas en lubricación coinciden en que la fricción puede alcanzar su nivel máximo durante la lubricación límite. Esto ocurre durante el arranque, las paradas, a baja velocidad o en condiciones de alta carga.
El régimen de lubricación límite se producen en cualquier situación donde las asperezas de dos superficies lubricadas y en movimiento relativo puedan entrar en contacto físico, existiendo la posibilidad de abrasión o adhesión. Ingenieros de lubricación y tribólogos sugieren que hasta el 70 % del desgaste se produce durante las fases de arranque y parada de la maquinaria.
Un método fundamental para reducir la lubricación límite es proporcionar un lubricante con la viscosidad adecuada. Una viscosidad demasiado baja no puede mantener separadas las superficies metálicas, lo que provoca el contacto metal con metal. Un lubricante con una viscosidad demasiado alta aumenta la fricción molecular del aceite. Esta fricción interna del aceite hace que las capas de aceite se deslicen entre sí, lo que a su vez incrementa la temperatura de funcionamiento y produce un aumento en el consumo de energía.
Un método alternativo o secundario para reducir este fenómeno de lubricación límite consiste en utilizar un lubricante que incluya aditivos antidesgaste o anti rayado (extrema presión). Estos aditivos reaccionan con las asperezas del metal que entran en contacto, respondiendo a la alta presión y temperatura de contacto y formando instantáneamente una película dúctil (flexible) modificada sobre la superficie del metal (hierro).
Esta nueva película actúa entonces como capa protectora a medida que las superficies se deslizan o ruedan unas sobre otras. La película química formada por el aditivo se desgasta en lugar de la superficie metálica.
Lubricación mixta
En términos generales, la lubricación límite se reduce drásticamente a medida que aumenta la velocidad de deslizamiento, creando una separación (cuña) de película lubricante entre las superficies en movimiento. Al disminuir la posibilidad de contacto entre las asperezas y aumentar el espesor de la película, el coeficiente de fricción cae drásticamente hasta alcanzar la condición conocida como lubricación mixta.
Todavía se produce cierto contacto entre las asperezas metálicas, combinado con la carga (separación) del lubricante. Esta es una condición intermedia entre los regímenes de lubricación límite e hidrodinámica y elastohidrodinámica. A medida que aumenta el espesor de la película de aceite, el sistema pasa a una lubricación de película completa, ya sea hidrodinámica o elastohidrodinámica.
Lubricación hidrodinámica (HD)
Este régimen de lubricación se produce entre superficies deslizantes cuando una película completa de aceite proporciona soporte y crea un claro dinámico de trabajo (por ejemplo, entre un eje y un cojinete). Para que la lubricación hidrodinámica se aplique de forma eficaz y completa, debe existir un alto grado de conformidad geométrica entre los componentes de la máquina (por ejemplo, la curva del eje y la curva del cojinete deben ser muy similares) y, como resultado, una baja presión de contacto (de 100 a 300 psi en cojinetes industriales) entre las superficies en movimiento relativo.
Esta condición de lubricación se produce después de que los componentes comienzan a moverse y las velocidades y cargas son tales que se forma una cuña de aceite entre el eje y las superficies de apoyo.
Esta cuña de aceite separa el eje de la superficie de apoyo, lo que reduce al mínimo el riesgo de contacto entre las asperezas. Esta es una condición deseable para evitar la fricción y el desgaste.
Hay una fricción residual que se produce dentro del propio lubricante, ya que las estructuras moleculares del aceite se deslizan entre sí durante el funcionamiento.
Las películas de aceite suelen tener un espesor de entre 2 y 100 micrones (0.00008 a 0.004 pulgadas). Pueden ser mayores (300 micrones o 0.012 pulgadas) en cojinetes deslizantes de gran diámetro.
Los valores de Lambda suelen ser superiores a 2.5. Para que la lubricación hidrodinámica sea efectiva, la viscosidad del aceite debe ser tal que se mantenga la condición hidrodinámica en todas las condiciones de funcionamiento, como alta velocidad y carga, baja velocidad y alta carga, baja velocidad y carga, etc. Si las condiciones de funcionamiento reducen demasiado el claro dinámico de trabajo, podría producirse contacto metal con metal entre las protuberancias o asperezas metálicas.
Si la viscosidad del aceite es demasiado alta (muy espeso), la resistencia interna (arrastre) de sus moléculas reducirá la eficiencia operativa y aumentará la temperatura.
Puede ser útil imaginar la lubricación hidrodinámica como el deslizamiento que se presenta cuando un neumático pierde contacto con la carretera a causa de la presencia de agua. El coche, al ser pesado, se apoya sobre un fluido de baja viscosidad (agua) y pierde contacto con el pavimento debido a su velocidad. Muchos de estos mismos factores intervienen en la lubricación hidrodinámica.
Lubricación elastohidrodinámica (EHL)
Las condiciones de lubricación elastohidrodinámica se producen cuando existe un movimiento de rodadura entre los elementos móviles y la zona de contacto presenta un bajo grado de similitud. Por ejemplo, cabe destacar que la curvatura del rodillo y la de la pista en un rodamiento son muy diferentes.
De hecho, el rodillo y la pista interior están curvados en direcciones opuestas, por lo que tienen una pequeña área de contacto (prácticamente un único punto de contacto).
Esto genera altas presiones de contacto (cientos de miles de psi).
Cuando el aceite entra en la zona de contacto entre la bola y la pista (debido a la acción de rodadura), su presión aumenta bruscamente. Esta alta presión, a su vez, incrementa significativamente la viscosidad del aceite y su capacidad de retención de carga. Esta carga concentrada deforma ligeramente (aplana) el metal de los elementos rodantes y la pista en la zona de contacto. La deformación solo se produce en dicha zona, y el metal recupera elásticamente su forma original al continuar la rotación.
Obviamente, la metalurgia y el tratamiento térmico del metal son cruciales para este régimen de lubricación. Dado que la viscosidad del aceite se ve directamente afectada por la temperatura, es evidente que las temperaturas de funcionamiento incorrectas o anormales interferirán con la formación de la película lubricante elastohidrodinámica (EHL).
Ejemplos de aplicaciones de maquinaria que operan bajo lubricación elastohidrodinámica (EHL) son los rodamientos (bolas y rodillos), los dientes de engranajes y los contactos en las levas (rodamiento), donde se producen altas cargas de contacto rodante. Si no se rebasan las condiciones de operación, como la velocidad, la carga y la temperatura, es posible que nunca se produzca contacto entre las asperezas debido a esta característica excepcional del lubricante y el metal.
El espesor de la película de aceite suele ser del orden de 1 micrón (muy, muy delgada). Sin embargo, se considera que la EHL opera sobre una película de fluido (aceite) completa (la altura de las asperezas de la superficie es del orden de 0.4 a 0.8 micrones).
Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América