Factor de velocidad, factor dn, factor NDm. Independientemente de cómo se le llame, este factor es crucial para la lubricación de rodamientos. Nos ayuda a comprender la relación entre la rotación y el diámetro del rodamiento y cómo esto influye en la determinación de la viscosidad adecuada del aceite base, los cálculos del factor kappa y la cantidad óptima de lubricante a aplicar.
¿Cómo se define el factor de velocidad en los rodamientos?
Básicamente, el factor de velocidad es una variable que expresa la relación entre la velocidad de rotación de un rodamiento y su tamaño. Este factor se expresa normalmente en unidades de velocidad lineal (es decir, desplazamiento por unidad de tiempo). Conocer esta relación es importante, ya que considerar únicamente la rotación del rodamiento de forma aislada puede llevar a una selección errónea del lubricante ideal para la aplicación. Utilizar solo la rotación para determinar si se trata de una aplicación de baja, media o alta velocidad puede ser una visión limitada y pasar por alto detalles cruciales.
¿Cuál es la diferencia entre factor de velocidad y rotación?
Técnicamente, el factor de velocidad corresponde a una medida de velocidad lineal (tangencial), mientras que la rotación se refiere a la velocidad angular (desplazamiento angular por unidad de tiempo).
En la práctica, ambos se expresan más comúnmente como:
- Rotación (velocidad angular): rpm (revoluciones por minuto)
- Factor de velocidad: mm/min (milímetros por minuto).
Así, en un análisis sencillo de unidades de medida, se puede definir la relación entre rotación y velocidad (factor de velocidad), la cual depende de otra dimensión. Para ilustrarlo mejor, la figura 1 muestra un rodamiento con una rotación ω determinada, girando en sentido contrario a las manecillas del reloj.
Figura 1 – Rodamiento con rotación ω
Al seleccionar dos puntos en este rodamiento, alineados con el centro de rotación, en este caso un punto rojo y un punto verde (Figura 2), se observa que el punto rojo está más lejos del centro que el punto verde. Ambos puntos tienen la misma rotación ω; sin embargo, ¿se puede afirmar que tienen la misma velocidad lineal? Es decir, ¿se mueve el punto rojo a la misma velocidad que el punto verde? ¡La respuesta es no!
Figura 2 – Posición de los puntos rojos y verdes en el rodamiento
Al proyectar dos círculos concéntricos que pasan por uno de los dos puntos, el punto rojo se sitúa a un diámetro mayor que el punto verde, ¿correcto? Por lo tanto, el punto rojo tiene un perímetro mayor que recorrer que el punto verde; sin embargo, ambos tardan el mismo tiempo en completarlo. Esto significa que el punto rojo se mueve a una velocidad lineal mayor, es decir, más rápido que el punto verde.
Al establecer esta relación, tenemos que el rodamiento tiene una velocidad angular ω, que es la rotación; el punto verde se encuentra en un radio R1, por lo que tendrá una velocidad V1; y el punto rojo se encuentra en un radio R2 y, por lo tanto, tendrá una velocidad proporcional V2. De este modo, la ecuación relaciona la velocidad angular (rotación) con la velocidad lineal a través del diámetro. La velocidad lineal (tangencial) es igual a la velocidad angular multiplicada por el radio (que equivale a dividir el diámetro entre dos), como se muestra en la Figura 3.
Figura 3 – Relación entre velocidad lineal y rotación
¿Y por qué es esto importante? Porque lo que realmente provoca el cizallamiento del lubricante es la velocidad lineal. La energía transferida al lubricante depende de la velocidad a la que se aplica. Es la velocidad lineal la que está directamente relacionada con la viscosidad, la formación de la película y el cizallamiento del lubricante. En otras palabras, determinar la velocidad en el punto en el que el lubricante cumple su función es esencial para encontrar el lubricante ideal.
Esta ecuación nos muestra que, para una misma rotación (y por lo tanto, manteniendo ω constante), a mayor diámetro, mayor velocidad lineal. En términos más técnicos: si dos puntos describen trayectorias concéntricas con la misma velocidad angular (rotación), el punto más externo tendrá mayor velocidad tangencial/lineal. Esto significa que los rodamientos de mayor tamaño presentarán una mayor velocidad lineal que los de menor tamaño. Y esto influirá considerablemente en la definición del lubricante ideal para el rodamiento.
¿Cómo se calcula el factor de velocidad en los rodamientos?
Tras esta explicación, se procede al cálculo del factor de velocidad o factor NDm, según se prefiera. Existen varios métodos para calcular este factor en rodamientos. Para nuestros fines, presentaremos el método más común, basado en el diámetro medio.
El factor de velocidad se calcula como la rotación (en rpm) multiplicada por el diámetro promedio: (diámetro exterior + diámetro interior) ÷ 2, como se muestra en la Figura 4. Esto se debe a que es en la zona del diámetro promedio donde se coloca el lubricante para que funcione.
Figura 4 – Ecuación para calcular el factor de velocidad en los rodamientos.
Cualquier similitud de esta fórmula con la fórmula de velocidad lineal, que se muestra en la Figura 3, no es mera coincidencia. Se trata prácticamente de la misma ecuación. La única diferencia radica en las unidades, que aquí no contemplan la conversión de revoluciones por minuto a radianes por segundo, y en que se prefiere el diámetro al radio. En esta ecuación se utilizan las unidades comunes (rpm para la velocidad y milímetros para el diámetro). Los resultados de este cálculo con estas unidades son referencias reconocidas mundialmente, publicadas en la literatura y utilizadas en la industria.
Por lo tanto, para determinar si se trata de una aplicación de alta, media o baja velocidad, se considerará el resultado del cálculo del factor de velocidad, y no la rotación en sí misma.
¿Cómo funciona el factor de velocidad en los lubricantes?
Normalmente, las fichas técnicas de las grasas especifican el factor de velocidad máximo que soporta el lubricante. Este valor máximo sugerido indica la fluidez de la grasa, su capacidad para generar una película lubricante y llenar los espacios del rodamiento. El tipo y la viscosidad del aceite base, el tipo de espesante y los aditivos son variables importantes que definen el factor de velocidad de la grasa lubricante. En general, los fabricantes de lubricantes consultan la bibliografía especializada (basada en la viscosidad del aceite base y el tipo de espesante) para determinar el límite del factor de velocidad que figura en la ficha técnica. También se puede realizar un análisis reométrico para identificar la capacidad de la grasa para soportar diferentes rangos de velocidad y cómo varía su viscosidad dinámica.
La viscosidad, en resumen, es la resistencia de un fluido a fluir y al corte (cizallamiento). Cuanto mayor sea la viscosidad del aceite, mayor será su resistencia a estas fuerzas. Cuando se utiliza un lubricante de alta viscosidad entre dos superficies a alta velocidad tangencial (es decir, con alto corte), genera una resistencia proporcionalmente mayor, lo que reduce la eficiencia y aumenta las temperaturas de operación. Por lo tanto, cuanto mayor sea la viscosidad del aceite base, menor será el factor de velocidad que soporte.
El tipo de espesante y los aditivos también desempeñan un papel importante en esta característica para soportar la velocidad y el corte. Algunos espesantes son más densos porque se añaden en mayor concentración a la formulación de la grasa. Por ejemplo, una grasa de complejo de sulfonato de calcio puede contener alrededor del 30 % de espesante para alcanzar una consistencia NLGI 2, mientras que una grasa de complejo de litio solo necesita alrededor del 12 %.
Algunos aditivos confieren a la grasa una mayor fibrosidad. Estos aditivos se suelen añadir para mejorar la adherencia y evitar goteos, y se pueden clasificar en dos tipos: de fibras largas (con aditivo) y de fibras cortas (sin aditivo). En resumen, las grasas de fibras cortas tienen una textura más suave, son más fáciles de bombear y permiten un factor de velocidad superior. Por otro lado, las grasas de fibras largas ofrecen mayor resistencia al flujo y tienen menor capacidad de bombeo, lo que se traduce en un factor de velocidad inferior.
Una forma muy sencilla de distinguir entre fibras cortas y largas en la grasa es colocar una pequeña muestra entre el índice y el pulgar, presionarlos y separarlos. La grasa de fibra corta se rompe con poca elongación, mientras que la de fibra larga tiende a estirarse más formando un haz de fibras único, como se muestra en la Figura 5. En cualquier caso, es un método simple y factores como la viscosidad del aceite base y el tipo de espesante pueden dificultar su interpretación.
Figura 5 – Comparación de grasas de fibra larga y corta
Para mostrar algunos ejemplos de fichas técnicas de grasas, en las figuras 6 y 7 tenemos, respectivamente, una de Interplex, con 1000 cSt de aceite base, espesante de complejo de sulfonato de calcio y factor de velocidad de 150,000, y una de Sintaplex, con un aceite base de 32 cSt, espesante de complejo de litio y un factor de velocidad de 1 millón.
Figura 6 – Hoja de datos técnicos de Interplex.
Figura 7 – Hoja de datos técnicos de Sintaplex
Ejemplo de cálculo: Un rodamiento 22338, con un diámetro exterior de 400 mm, un diámetro interior de 190 mm y una velocidad de rotación de 1,800 rpm. Utilizando la fórmula de la Figura 4, se puede calcular un factor de velocidad de 522,000 mm/min, es decir, para aplicaciones de alta velocidad. ¿Cuál de las grasas mostradas anteriormente seleccionaría? La respuesta es: Sintaplex. La razón de esta elección es que Sintaplex soporta un factor de velocidad de hasta 1,000,000, mientras que Interplex solo soporta 150,000. Si utilizáramos Interplex en un rodamiento con un factor de velocidad de 522,000, sin duda observaríamos un aumento en la temperatura del rodamiento y una posible centrifugación de la grasa.
¿Qué impacto tiene la velocidad en la lubricación?
Hemos visto que calcular el factor de velocidad del rodamiento es fundamental para determinar la viscosidad ideal del aceite base. Sin embargo, además, el factor de velocidad influye en otros factores decisivos para una lubricación de primera clase, como el factor kappa, la cantidad óptima de grasa aplicada y el intervalo de relubricación.
El factor kappa es un método para determinar la viscosidad óptima del aceite base en función de la velocidad de rotación. En general, según la norma ISO 281:2007, el factor kappa es la relación entre la viscosidad del aceite a la temperatura de funcionamiento y la viscosidad de referencia definida según las dimensiones del rodamiento y su velocidad de rotación (es decir, su factor de velocidad). Un factor kappa adecuado, con valores entre 1 y 4, indica que se formará una película lubricante de espesor ideal entre las piezas en contacto; es decir, ni demasiado gruesa como para aumentar la fricción y la temperatura del fluido, ni demasiado delgada como para permitir el contacto metal-metal.
El factor de velocidad también es muy importante para determinar el volumen de grasa a aplicar. En general, cuanto mayor sea el factor de velocidad, menor será el volumen de grasa que se debe aplicar.
Para explicar esto con una analogía, podemos usar el ejemplo de un automóvil que circula por una carretera con la ventanilla abierta. El fluido (en este caso, el aire) genera cierta resistencia al vehículo, y con la ventanilla abierta, esta resistencia es aún mayor. A medida que aumenta la velocidad del vehículo, también aumenta la resistencia del aire. A cierta velocidad, la resistencia del aire es tan alta que conviene cerrar las ventanillas y encender el aire acondicionado, ya que incluso así se consigue un menor consumo energético (en este caso, de combustible). En esta analogía, resulta evidente que la velocidad está directamente relacionada con la resistencia generada por el fluido.
Otra analogía que puede usarse para explicar este efecto es cuando estamos en una piscina e intentamos movernos. Cuanto más profundo estemos sumergidos, más difícil será movernos y más energía gastaremos. Y cuanto más rápido intentemos movernos, mayor será la resistencia del agua a nuestro movimiento.
Siguiendo esta línea de pensamiento, cuanto más rápido gira un rodamiento, mayor es la resistencia que el lubricante (en este caso, la grasa) presenta al movimiento. Por lo tanto, una cantidad excesiva de grasa en un rodamiento de alta velocidad puede generar una resistencia extrema al movimiento, aumentando el consumo de energía y la temperatura de funcionamiento.
Es común encontrar recomendaciones generales de empresas como SKF y FAG para llenar 1/3 del espacio libre del rodamiento con grasa. Si bien esta es una buena aproximación, solo aplica a rodamientos de velocidad media. Generalmente, la cantidad óptima de grasa debe determinarse mediante datos como el rango del factor de velocidad, como se muestra en la Figura 8. Los rodamientos de baja velocidad pueden llenarse con grasa, ya que las pérdidas por agitación son prácticamente insignificantes. Los rodamientos de alta velocidad deben llenarse con una menor cantidad, sugerida aquí entre el 10 y el 15 % del espacio libre del rodamiento.
Figura 8 – Factor de velocidad y cantidad de grasa sugerida
Obviamente, la velocidad es solo uno de los factores que influyen en la determinación de la cantidad ideal de grasa. Las condiciones de contaminación, por ejemplo, también pueden afectar a esta cantidad y, por lo tanto, debemos considerar todas las condiciones operativas y ambientales de la aplicación para definir el volumen óptimo.
Finalmente, la velocidad también influye en la vida útil de la grasa, es decir, en el intervalo de lubricación del rodamiento. La mayoría de los rodamientos en aplicaciones críticas requieren lubricación periódica y, si bien están surgiendo nuevas técnicas de lubricación predictiva que demuestran una alta eficiencia, aún existen muchos casos en los que la lubricación se realiza de forma preventiva (en función del tiempo).
Como ya se mencionó, la grasa del rodamiento se somete a cizallamiento repetido y se degrada con el tiempo. Cuanto más rápido gira el rodamiento, más ciclos de trabajo debe soportar la grasa y mayor es la tensión de cizallamiento a la que se ve sometida. Por lo tanto, a mayor velocidad, más rápido la grasa perderá consistencia, aceite y otras propiedades esenciales. La suma de estas pérdidas representa la degradación de la grasa y de la lubricación del rodamiento. En aplicaciones de alta velocidad, es inevitable tener que reemplazar la grasa con mayor frecuencia que en aplicaciones de baja velocidad.
Nuevamente, numerosos factores, además de la velocidad, influyen en el intervalo de lubricación con grasa. Por lo tanto, considerar todas las condiciones a las que se somete el rodamiento es la mejor manera de lograr una lubricación óptima.
Ejemplo práctico de la importancia de calcular el factor de velocidad.
Consideremos dos rodamientos de diámetros distintos, pero ambos con la misma velocidad de rotación, en este caso 400 rpm. Como se explicó anteriormente, se sabe que la velocidad lineal de cada uno será diferente en el punto donde se coloque el lubricante. En otras palabras, la velocidad lineal en el punto de diámetro promedio será mayor en el cojinete de mayor diámetro.
En este ejemplo, el rodamiento más pequeño tiene un diámetro promedio de 90 mm, mientras que el rodamiento más grande tiene un diámetro promedio de 550 mm. El resultado del cálculo del factor de velocidad será de 36,000 y 220,000 mm/min para el rodamiento más pequeño y el rodamiento más grande, respectivamente, como se muestra en la figura 9.
Figura 9 – Ejemplos prácticos de cálculos.
Por lo tanto, existen rodamientos con la misma rotación que hacen funcionar el lubricante a diferentes velocidades y que podrían necesitar utilizar diferentes lubricantes, aplicados en diferentes cantidades y a diferentes intervalos de lubricación para lograr una lubricación óptima.
A modo de ejemplo, y tomando como referencia la tabla de la Figura 8, el rodamiento de mayor tamaño (NDm = 220,000 mm/min) opera a velocidad media, llenando entre el 30 % y el 40 % de su espacio libre. El rodamiento de menor tamaño (NDm= 36,000 mm/min) opera a muy baja velocidad, con un llenado recomendado del 70 % al 100 % de su espacio libre.
Por lo tanto, al seleccionar lubricantes para rodamientos y especificar el volumen de llenado, no se debe confiar únicamente en la velocidad de rotación en rpm. Por ejemplo, 400 rpm no indican el régimen de lubricación si se desconoce el tamaño del rodamiento.
El punto débil de esta teoría es que no considera un factor muy importante: la temperatura. Por lo tanto, el siguiente paso será considerar esta variable mediante la teoría del factor kappa.
Conclusión
En resumen, el factor de velocidad es el vínculo clave entre la rotación de un rodamiento, su diámetro y el comportamiento del lubricante. Determina la velocidad lineal en el punto de acción de la grasa, guía la selección de la viscosidad del aceite base y dicta el volumen óptimo de grasa y el intervalo de relubricación. Rodamientos de diferentes tamaños, pero con la misma rotación, experimentan velocidades lineales muy distintas, lo que hace que el factor de velocidad sea esencial para una planificación precisa de la lubricación. Ignorarlo y considerar únicamente la rotación conlleva el riesgo de una elección inadecuada del lubricante, un esfuerzo cortante excesivo, temperaturas más elevadas y una menor vida útil del rodamiento. Calcular y aplicar con precisión el factor de velocidad garantiza que la lubricación se adapte a las condiciones de trabajo reales, logrando eficiencia, confiabilidad y una mayor durabilidad.
Raúl Fernandes. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América