En tribología y la lubricación, con frecuencia se habla de la viscosidad como la característica más importante de un aceite básico. ¿Por qué es tan importante para la lubricación de una máquina? Por un lado, una viscosidad muy baja podría permitir que se presente contacto entre las superficies de los componentes en movimiento en el interior de la máquina, generando desgaste. Por otro lado, una viscosidad muy elevada podría forzar a la máquina y hacerla trabajar con más dificultad para vencer la resistencia interna del lubricante. Por esta razón, es importante entender no sólo la viscosidad del aceite básico, sino también cómo puede cambiar debido a las variantes en las condiciones operacionales.

Viscosímetros vs. Reómetros

La viscosidad es la medición de la resistencia a fluir de un fluido (esfuerzo de corte) a una temperatura determinada. Como las condiciones de flujo varían, no todos los fluidos mantienen su viscosidad sin cambio. Un fluido en el que la viscosidad cambia por el esfuerzo de corte se llama fluido no-Newtoniano. La viscosidad de estos fluidos es medida con reómetros. Los viscosímetros miden la viscosidad de los fluidos Newtonianos.

Viscosidad Cinemática vs. Absoluta

Hay dos formas diferentes en las que se puede expresar la viscosidad: viscosidad absoluta y viscosidad cinemática. La diferencia clave entre las dos es que la viscosidad cinemática se mide observando la resistencia a fluir de un fluido bajo la fuerza de la gravedad, mientras que la viscosidad absoluta se mide observando la resistencia a fluir del fluido bajo una fuerza externa controlada, ya sea a través de un capilar o por el movimiento de un cuerpo dentro del fluido.

La viscosidad cinemática se reporta en centistokes (cSt), mientras que la viscosidad absoluta está en centipoises (cP). Con fines de comparación, la viscosidad absoluta se puede convertir a viscosidad cinemática dividiéndola entre la gravedad específica del fluido (SG).

cSt = cP/SG o la ecuación inversa: cP = cSt x SG

Métodos de ensayo para viscosidad

Existen varios métodos para medir la viscosidad, y cada uno tiene sus propias ventajas. A continuación una lista de las técnicas más comúnmente usadas para analizar la viscosidad del aceite básico.

Viscosímetro capilar (vidrio)

El aparato principalmente usado en un viscosímetro capilar es un tubo de vidrio en forma de una “U”, por lo cual se asocia comúnmente con el nombre de “tubo en U”. El procedimiento requiere que el tubo se sumerja en un baño con temperatura controlada (comúnmente a 40°C o 100°C) y se mida con precisión el tiempo (en segundos) que le toma a una cantidad fija de aceite para fluir dentro del tubo de una marca a otra, ya sea por succión o por la fuerza de la gravedad. El tiempo medido se multiplica por una constante (asociada con el tubo en particular) para calcular la viscosidad absoluta (succión) o la cinemática (por la fuerza de gravedad).

Viscosímetro rotatorio

La característica clave de un viscosímetro rotatorio es que emplea un aparato giratorio, llamado husillo, que se sumerge dentro del fluido a analizar. Con base en el torque del eje del aparato se mide la resistencia interna de las moléculas del fluido a fluir. Como esta medición no se basa en la fuerza de la gravedad, sino en función de la resistencia interna al corte del fluido, el viscosímetro rotatorio calcula la viscosidad absoluta del fluido. Una variación común de este tipo de viscosímetro es el llamado viscosímetro Brookfield.

Una variante del viscosímetro rotatorio es el viscosímetro Stabinger que utiliza un husillo flotante independiente, controlado por fuerzas electromagnéticas para generar la rotación dentro del fluido. Esto es ventajoso porque elimina la difícil tarea de calcular la fricción del rodamiento en el motor acoplado al eje.

Viscosímetro por caída de esfera o por caída de pistón

Algunas alternativas menos comunes para medir la viscosidad son el viscosímetro de caída de pistón y el de caída de esfera. En estos ensayos, se deja caer dentro del líquido una esfera o un pistón, y se mide el tiempo que tarda en pasar de una marca inicial a una segunda marca. Para calcular la viscosidad de acuerdo con la Ley de Stokes, deben conocerse la velocidad terminal, tamaño y peso de la bola o pistón.

Otros métodos

En algunos casos se utilizan métodos menos comunes, como el método de la burbuja. En este ensayo, se mide el tiempo que le toma a una burbuja de aire para subir una distancia específica. El tiempo medido puede asociarse proporcionalmente a la viscosidad del fluido. Otra variante consiste en medir la resistencia a la vibración de una sonda dentro del fluido.

Tipos de viscosímetros

Aunque hay varios métodos para determinar la viscosidad, la mayoría de los viscosímetros disponibles comercialmente están manufacturados para cumplir con su propósito de la mejor manera. A continuación una lista de estas categorías de viscosímetros.

Viscosímetros portátiles

Como el nombre lo indica, los viscosímetros portátiles están diseñados para utilizarse en cualquier sitio en que sea poco práctico medir la viscosidad en un laboratorio. En la mayoría de las aplicaciones de campo o en sitio, se necesitan viscosímetros que proporcionen una lectura rápida de la viscosidad aproximada, con frecuencia para determinar si se requieren otros análisis.

62%

de los profesionales de la lubricación utilizan algún tipo de viscosímetro para analizar el aceite, de acuerdo con una encuesta efectuada en machinerylubrication.com

Viscosímetros en sitio

Para lecturas de viscosidad más precisas, existen viscosímetros en sitio que pueden emplearse en laboratorios de campo a precios más razonables. Entre estos viscosímetros están las variantes de tubos en U o Brookfield. Aunque hay muchas opciones de viscosímetros con tubo en U, los tres más conocidos son el Ostwald, Cannon-Fenske y Ubbelohde.

Viscosímetros de servicio completo

A fin de obtener el más alto grado de precisión en los ensayos de viscosidad, debe emplearse un viscosímetro de servicio completo. Esas unidades típicamente tienen la capacidad para evaluar automáticamente la viscosidad cinemática y absoluta en un amplio rango de temperaturas, así como el cálculo de la densidad y gravedad específica. Un reto común que enfrentan los laboratorios de análisis de aceite con muestras que requieren múltiples ensayos es la habilidad para efectuar esos ensayos con la menor cantidad de muestra posible. Varios de los viscosímetros para servicio completo pueden hacer mediciones exactas con una repetitividad dentro del 0.1 por ciento utilizando una muestra de menos de 0.1 mililitro, lo cual es una gran ventaja en laboratorios grandes que analizan cientos de muestras al día con viscosímetros de servicio completo.

Viscosímetros en línea/dentro de línea

Aun cuando la mayoría de los ensayos de viscosidad se llevan a cabo después de introducir en ellos una muestra, algunos viscosímetros pueden proporcionar lecturas de viscosidad continua en líneas de flujo activas. Por lo general esto se lleva a cabo por medio de un sensor o transductor que está directamente dentro de la línea (en parte de la tubería) o en línea (una derivación de flujo). Se toman las lecturas de viscosidad y se envían señales electrónicas a una computadora o dispositivo de control.

Factores que afectan a las mediciones de viscosidad

Aunque puede parecer simple analizar la viscosidad de un fluido, efectuar mediciones precisas puede ser una tarea difícil. Deben conocerse y mantenerse constantes varios factores para que la medición sea efectiva, incluyendo los que se mencionan a continuación:

Temperatura

En términos de importancia, la temperatura es a la viscosidad lo que la viscosidad es al aceite básico. El baño a temperatura controlada es por sí solo el responsable de que durante todo el ensayo de medición de viscosidad se mantenga una temperatura precisa (usualmente 40°C o 100°C) y se controle con una variación máxima de 0.02°C. Controlar la temperatura del baño con este grado de precisión puede ser todo un reto, razón por la cual los viscosímetros más sofisticados incluyen un sistema de control de temperatura del baño como parte de la unidad.

Vidrio del viscosímetro

La exactitud de los viscosímetros capilares no depende sólo de la temperatura, sino también de la precisión del diámetro interior del tubo de vidrio. Por esta razón, esos tubos de vidrio se fabrican de borosilicato totalmente templado, de baja expansión y asociados con la constante del tubo como factor de corrección. Una práctica común es efectuar anualmente la recalibración de la constante del viscosímetro de acuerdo a la temperatura a la que se va a utilizar, para asegurar que el grado de error sea lo más bajo posible. Los métodos de calibración se especifican en la norma ASTM D446-12

Tamaño del viscosímetro

Los viscosímetros varían en dimensiones, dada la gran variedad de viscosidades a analizar. Se recomienda que el tiempo que le lleve al fluido para pasar a través del viscosímetro de un punto al otro sea de al menos 200 segundos (medido manualmente empleando un cronómetro), a fin de evitar el error humano.

Limpieza entre las mediciones

Otro factor crucial para la prueba es la calidad de la limpieza del interior del tubo de vidrio entre mediciones. Típicamente se lava, enjuaga y seca usando varios solventes que no dejan residuos. En laboratorios donde se analizan muestras continuamente, se emplean sistemas de auto-limpieza integrados, para asegurar la eficiencia en el lavado. De cualquier manera, se requiere una inspección visual para determinar si es necesario efectuar un segundo enjuague, especialmente para aceites usados.

Otro importante factor que puede afectar la determinación de la viscosidad es el método de medición del tiempo, los dispositivos y su precisión, el adecuado manejo de la muestra, además de un intenso y permanente control de la calidad.

La medición de la viscosidad ha evolucionado con el paso de los años incorporando varios estilos y metodologías. Cabe resaltar la labor de ASTM (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales) y la ISO (Organización Internacional para la Estandarización), para mantener las normas al día de acuerdo con la constante evolución de los viscosímetros, métodos de ensayo, procedimientos, calibración, limpieza y otros factores que garantizan la exactitud y consistencia entre los diferentes viscosímetros. Después de todo, siendo la viscosidad la propiedad física más importante del aceite básico, al esforzarnos por efectuar su medición empleando métodos más cuidadosos y estándares más exigentes, se puede lograr una lubricación más confiable en la maquinaria y con ello alargar la vida útil de estas.

Para conocer más sobre viscosidad y métodos de medición, contactar a Roberto Trujillo, [email protected]

Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.