La grasa es el tipo de lubricante más común para la lubricación de rodamientos en la actualidad. Aproximadamente el 90 % de los rodamientos se lubrican de esta manera. Es importante seleccionar la grasa adecuada para los requisitos específicos y calcular el ciclo de vida del lubricante. Para calcular con precisión la vida útil de la grasa, es necesario conocer y aplicar factores limitantes. Un cálculo correcto permitirá la lubricación por cantidad mínima (LCM).
Los rodamientos de bolas y de rodillos cilíndricos utilizados en motores eléctricos son un ejemplo de rodamientos con LCM. Sin embargo, si estos tipos de rodamientos se someten a influencias negativas, la vida útil de la grasa puede reducirse rápidamente y causar daños en los rodamientos.
Este artículo analiza algunas de estas influencias negativas y sus efectos con ejemplos prácticos. Se presentarán implicaciones prácticas a través del tema de la continuidad eléctrica (corrientes en los rodamientos o erosión por chispa) y su efecto sobre la grasa y los rodamientos.
Grasa y lubricación con grasa de rodamientos
La grasa lubricante para rodamientos se compone de espesante, aceite y aditivos seleccionados para mejorar las propiedades deseadas. El lubricante real para un rodamiento es el aceite, que puede ser mineral, sintético o una mezcla de ambos.
A estos aceites se les añaden diferentes tipos de aditivos para influir en las propiedades de resistencia a la corrosión o crear capas que protejan la superficie metálica en condiciones extremas. Los aditivos también mejoran la viscosidad a diferentes temperaturas.
La función del espesante es absorber el aceite y liberarlo en pequeñas cantidades al elemento rodante durante un largo periodo.
En la práctica, solo se utilizan unos pocos gramos de grasa para lubricar los rodamientos, y esta cantidad suele durar mucho tiempo. Por lo tanto, es fundamental calcular con precisión la vida útil de la grasa.
Figura 1. Manufactura y composición de las grasas
Cálculo de la vida útil de la grasa
La vida útil de la grasa para la lubricación de rodamientos depende de la selección de la grasa, el tipo de rodamiento, las condiciones de trabajo y las influencias ambientales.
La base para el cálculo de la vida útil de la grasa se puede ver en el diagrama de la figura 2, generalmente aceptado.
Figura 2. Vida útil estimada de dos grasas diferentes
Este diagrama contrasta lo que a menudo se denomina una “grasa de uso general” (una grasa de espesante de litio a base de aceite mineral, Grasa A) con la curva de vida útil de una grasa de alta calidad, con espesante de poliurea y aceite sintético base éster, (Grasa B).
Las ventajas de los aceites sintéticos espesados con poliurea incrementan al trabajar a temperaturas más altas. Pueden alcanzar fácilmente una vida útil de la grasa hasta 20 veces superior a la de las grasas estándar, dependiendo de la temperatura. Esto significa que el usuario puede aumentar el margen de seguridad ante daños en los rodamientos causados por el lubricante y, al mismo tiempo, aumentar los intervalos de relubricación.
El denominado valor de tipo de rodamiento (kf) asume el diseño real del rodamiento a lubricar. Este factor puede tener valores entre 0.9 y 10 para rodamientos de bolas cinemáticamente simples.
En rodamientos cinemáticamente complejos (como los rodamientos axiales de rodillos cilíndricos con alta fricción por deslizamiento), el factor kf puede alcanzar valores de hasta 90. Los valores más altos indican mayores áreas superficiales y una mayor tensión total aplicada a la matriz de aceite y espesante. Los rodamientos de rodillos esféricos, como categoría, tienden a aplicar la mayor tensión a las grasas.
El factor de velocidad, n*dm (RPM * diámetro medio del rodamiento), es un número de clasificación para la velocidad de rotación del rodamiento y depende de las condiciones de funcionamiento.
De esta manera, ya se puede calcular la vida útil disponible del tipo de grasa utilizado, aunque este es solo un valor teórico. En el cálculo posterior, se deben tener en cuenta los factores que influyen en la aplicación real y evaluar su importancia.
tfq = tf* f1* f2* f3* f4* f5* f6
tfq … vida útil de la grasa en horas en la práctica
tf … vida útil de la grasa de la Figura 2
f1 … f6 … factores de influencia
Estos factores reflejan influencias negativas conocidas sobre la vida útil de la grasa para rodamientos de rodillos, que acortan la vida útil de la grasa, según los valores que se muestran en la Figura 2.
Factores de influencia
Se debe considerar la influencia de la contaminación (f1), la vibración (f2), el aumento de la temperatura del rodamiento (f3), la alta carga del rodamiento (f4) y la circulación de aire (f5) sobre o alrededor del rodamiento.
Los valores pueden variar fácilmente entre 0,1 y 1 (sin influencia), lo que significa que el resultado del cálculo real está fuertemente influenciado por el nivel de experiencia de la persona que estima los valores de los factores.
Los factores estructurales (f6) también pueden reducir significativamente la vida útil de la grasa. Por ejemplo, la dirección de montaje del rodamiento (horizontal, vertical o angular) es importante para el intervalo de relubricación. Debido a las diferentes influencias de las fuerzas centrífugas sobre la grasa, debe considerarse la pista de rodadura giratoria del rodamiento (pista interior – IR o pista exterior – OR).
Los valores del factor de reducción deben seleccionarse dentro de un rango. A medida que las condiciones se vuelven más severas, el valor del factor disminuye, lo que acorta el resultado calculado de la vida útil de la grasa. La experiencia es fundamental para una estimación precisa.
f1 = Medio ambiente, grado de contaminación (0.1 a 0.9)
f2 = Dinámicas de carga, impactos (0.1 a 0.9)
f3 = Temperatura del rodamiento (0.1 a 0.9)
f4 = Carga del rodamiento (0.1 a 1.0)
f5 = Flujo de aire (0.1 a 0.7)
f6 = Tipo de montaje, energía centrífuga (0.5 a 0.7)
Si bien los factores de reducción 1, 2, 5 y 6 se basan en valores empíricos, la temperatura del rodamiento (3) y la carga (4) se pueden atribuir a coherencias físicas y químicas, y dependen del tipo de grasa.
En el caso de la grasa estándar (jabón de litio y aceite mineral), el envejecimiento térmico aumenta desproporcionadamente tras cualquier aumento de temperatura superior a 140 °C. La vida útil de la grasa se reduce prácticamente a cero al alcanzar su punto de goteo, aproximadamente a 190 °C. Cabe esperar una mayor separación del aceite y, debido a la mayor circulación, un aumento considerable de la tasa de oxidación.
A medida que la grasa alcanza su punto de goteo, se produce una pérdida de aceite irreversible y espontánea, perdiendo sus propiedades. La vida útil de la grasa también se reduce a temperaturas extremadamente bajas, pero esto no puede medirse con la misma configuración del banco de pruebas. Por lo tanto, es posible determinar los factores de vida útil de la grasa en función del desempeño dentro de un rango de temperaturas.
Rodamientos lubricados con grasa en motores eléctricos
Se presenta el caso de un rodamiento de rodillos lubricado por grasa en un motor eléctrico para demostrar la posible vida útil de la grasa. En general, el soporte de rotores con rodamientos de rodillos lubricados con grasa es una aplicación ampliamente utilizada y conocida, y constituye un buen ejemplo de un rodamiento sometido a diversos factores de influencia.
Con el advenimiento de las técnicas modernas de conversión de frecuencia, se ha descubierto una influencia negativa adicional en la vida útil de los rodamientos y que continúa provocando fallas: las corrientes en los rodamientos.
Normalmente, los rodamientos de maquinaria eléctrica se someten a una carga mínima, con una carga típica entre P/C=0.05 y C/P=20. La carga, en relación con la capacidad de carga del rodamiento, es tan mínima que debería ser posible alcanzar el rango máximo de resistencia.
En realidad, con este tipo de rodamiento, las fallas siguen ocurriendo después de 15,000 a 20,000 horas. Con una relubricación correcta, la vida útil de la grasa puede ajustarse a la vida óptima del rodamiento, alcanzando fácilmente las 100,000 horas o más.
En las estrategias de mantenimiento preventivo planificado, los motores eléctricos suelen reemplazarse después de tan solo dos o tres años de funcionamiento. Diversos factores determinan el intervalo, pero generalmente se relaciona con la experiencia previa en el ciclo de vida de la aplicación. La reconstrucción de motores requiere tiempo, es costosa y presenta un mayor riesgo con cada nueva instalación.
En maquinaria nueva, las técnicas modernas de conversión de frecuencia, como los motores de velocidad variable de alta frecuencia, la regulación de la velocidad del motor, el aumento de la velocidad y la prolongación de las horas de funcionamiento, tienen diferentes efectos que reducen la vida útil (véase el recuadro). Una mayor capacidad de velocidad de un motor eléctrico provocará temperaturas elevadas en los rodamientos, lo que expone a la grasa a fuerzas centrífugas más intensas.
Estas fuerzas centrífugas extraen el aceite de las superficies de contacto en el momento más crucial para el funcionamiento y la supervivencia de los rodamientos. Esto puede provocar un envejecimiento prematuro (oxidación y endurecimiento) debido a la sobre exigencia del desempeño de las grasas de uso general.
Las temperaturas extremas de los rodamientos, de 100 °C (212 °F), pueden causar evaporación de aceite, condensación y problemas de estabilidad en la grasa y el rodamiento. En los últimos años, el aumento de fallas debido a arcos eléctricos (corriente alterna de alta frecuencia que pasa entre el rotor y el armazón a través del rodamiento) en variadores de frecuencia ha agravado estos problemas.
Al conmutar el voltaje de onda cuadrada, se producen armónicos en el rango de MHz, que no pueden aislarse con materiales aislantes comunes. Las medidas convencionales empleadas por los fabricantes de rodamientos (aislamiento de la superficie del anillo del rodamiento con una capa cerámica de aproximadamente 100 micrones de espesor) ya no son eficaces. Estos métodos solo son eficaces al trabajar con corriente continua (CC) o corriente alterna (CA) de baja frecuencia.
Se especula que la energía restante en estas corrientes de alta frecuencia es tal que se produce una conexión a tierra a través de la película lubricante, dañando el elemento rodante y la grasa. Esta influencia no se tiene en cuenta en los cálculos convencionales actuales y, a su vez, ha provocado daños en los rodamientos de las máquinas modernas que utilizan técnicas de conversión de frecuencia para la regulación de la velocidad.
Reconocer las influencias ambientales (f1 y f3) y seleccionar adecuadamente los factores de ciclo de vida reducidos puede contribuir a superar el estrés inducido por el arco en el elemento. El propietario del motor puede ayudar a compensar el efecto de la contaminación y la temperatura presentes en estas circunstancias, reduciendo la cantidad y aumentando la frecuencia de reposición del lubricante en servicio.
Fallas de rodamientos
Se puede observar una fuerte oxidación y endurecimiento de la grasa tras el estrés por alta temperatura, producido por una conexión a tierra (arco eléctrico). La pérdida de las propiedades del lubricante produce fricción y desgaste combinados en la zona de contacto del rodillo.
La dificultad para relubricar fácilmente un rodamiento desde el exterior es crucial para su eventual falla. La grasa recién añadida no puede desplazar el lubricante endurecido y oxidado ya presente, lo que imposibilita el cambio de grasa. Con intervalos de relubricación normales, es inevitable la falla del rodamiento (Figuras 3 a 8).
Figura 3. Grasa envejecida entre la jaula y la pista interior
Figura 4. Grasa endurecida que imposibilita la relubricación
Figura 5. Lubricación mixta en un rodamiento de rodillos cilíndricos
Figura 6. Daños por mala lubricación
Figura 7. Agua del exterior
Figura 8. Problema causado por agua condensada
Como se mencionó, existe un aumento notable de daños por corriente eléctrica debido a la corriente alterna de alta frecuencia. Es común observar marcas y líneas de color marrón opaco en las bolas o rodillos (Figuras 9 a 14).
Figura 9. La pista exterior de este rodamiento de rodillos tiene un color marrón
Figura 10. Bola de rodamiento con bandas marrones
Figura 11. Daños en rodamientos de bolas de ranura profunda
Figura 12. Imagen SEM que muestra la pista
Figura 13. Rodamiento de rodillos cilíndricos dañado debido a la corriente
Figura 14. Grasa deteriorada
Como se muestra en la Figura 12, el cráter causado por corriente eléctrica es pequeño y solo puede identificarse mediante un microscopio de escaneo de electrones (SEM, por sus siglas en inglés). Actualmente, el diámetro típico de los cráteres casi circulares presentes en las fallas más comunes oscila entre 1 y 4 µm.
La experiencia práctica demuestra que las superficies de los rodamientos se dañan, incluso con una carga mínima. Estos arcos también provocan un envejecimiento catastrófico de la grasa por oxidación en la zona de contacto, lo que acorta drásticamente su vida útil (Figuras 13 y 14).
En los puntos de contacto de los rodillos, la grasa deteriorada ya no puede lubricar eficazmente, mientras que las partes exteriores del rodamiento retienen grasa fresca.
Esta condición a veces se caracteriza como lubricación insuficiente, lo cual puede ser una descripción precisa de un mecanismo de falla secundario, pero no es necesariamente la causa principal de la falla. Las medidas correctivas no suelen ser eficaces si no se identifica y corrige correctamente la causa real.
Figura 15. Patrón de estrías típico
(Cortesía de MH Electric Motor and Control Corp.)
La última etapa se caracteriza por el patrón típico de estrías como resultado de las corrientes en el rodamiento (Figura 15).
Lubricar con grasa los rodamientos es una práctica común para una lubricación a largo plazo. Para lograr la vida útil esperada, es fundamental calcular correctamente la vida útil de la grasa. La vida útil de la grasa puede reducirse considerablemente debido a los factores de operación. Los motores eléctricos modernos, con convertidores de frecuencia para regular la velocidad de rotación, presentan mayores problemas debido a las corrientes en los puntos de contacto de los rodamientos.
Estas corrientes provocan micro cráteres en las superficies de los rodamientos tras la destrucción térmica de la grasa en los puntos de contacto metálicos por pequeños arcos eléctricos. Esta reducción particular de la vida útil de la grasa aún no se ha considerado en los cálculos convencionales. Las fallas causadas por corrientes en los rodamientos siguen aumentando con el uso frecuente de la tecnología de accionamiento moderna para el control de motores.
Figura 16. Sistema de lubricación automática DuoMax 160
Michael Weigand, Lubricant Consult GMBH. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América