A menos que los rodamientos vengan lubricados y sellados de fábrica, necesitarán un cambio de lubricante periódicamente. La frecuencia depende de las condiciones de funcionamiento y del tipo de lubricante. Los lubricantes para rodamientos se dividen generalmente en aceites y grasas, con básicos sintéticos y minerales. Una grasa se compone de un aceite sintético con un espesante de jabón metálico o un sistema espesante sin jabón.
Los aceites minerales se deterioran al oxidarse o reaccionar químicamente con el oxígeno en el aire. Esto aumenta la acidez del aceite y favorece la formación de depósitos sobre las superficies, similares al barniz, lo que puede acortar la vida útil de los rodamientos. Los fabricantes de lubricantes añaden inhibidores de oxidación para ayudar a descomponer los hidroperóxidos que se forman durante el inicio de la oxidación.
Los aditivos prolongan la vida útil del aceite interrumpiendo las reacciones en cadena de oxidación y desactivando cualquier superficie metálica catalítica en contacto con el aceite. Los aditivos inhibidores de oxidación se consumen lentamente durante el período inicial de oxidación. Añadir más inhibidor durante este periodo prolonga el período de inducción y retrasa la aceleración de las reacciones de oxidación.
Los lubricantes sintéticos (Figura 1) generalmente duran más a temperaturas elevadas que sus contrapartes de aceite mineral.
Figura 1. Esperanza de vida de
los aceites sintéticos inhibidos
Algunos tipos de básicos presentan propiedades especiales de inflamabilidad y flujo a baja temperatura. Sin embargo, la hidrólisis, o la tendencia a reaccionar con el agua, incluso por exposición a la humedad atmosférica, suele acortar la vida útil de algunos aceites sintéticos de base fosfato, silicato y éster. Para evitar la hidrólisis, pueden ser necesarios aditivos especiales, filtros de aire desecantes y filtración con alúmina activada o tierras Fuller.
Tasa de cambio
La temperatura elevada es probablemente el principal factor que contribuye a la oxidación del aceite. La regla (ecuación) de Arrhenius aplicada a la vida útil del lubricante sugiere que su ciclo de vida se reduce a la mitad por cada 10 °C de aumento de temperatura. Esta regla es útil, pero no exacta, ya que la tasa de cambio incrementa con el aumento de la temperatura.
Suponiendo que no hay efecto de contaminación, la vida útil de un lubricante L (horas) se puede calcular si se conocen la temperatura de operación del aceite T (°C) y el tipo de producto:
Log L = kl + 4,750/ (T + 273)
donde kl (Tabla 1) depende del tipo de aceite.
Tabla 1. Vida de los aceites minerales bajo condiciones ideales
Por ejemplo, esta ecuación predice que el aceite en un cojinete de turbina a 138 °C se degrada aproximadamente 180 veces más rápido que el mismo aceite en un cojinete de turbina a 71 °C.
No es raro que los sistemas de lubricación tengan varias zonas de temperatura. Cada una de las n zonas con un volumen de aceite Cn tiene una tasa de deterioro de 1/Ln. Sumando las contribuciones individuales:
C/L=C1/L1 +C2/L2 +C3/L3 +… + Cn/Ln
Indica la tasa de deterioro general de todo el aceite de un sistema. Esto podría ser útil para proyectar el punto final de una carga de lubricante en una máquina papelera donde se podrían encontrar múltiples puntos calientes.
Desafortunadamente, el enfoque anterior asume la ausencia de agua u otra contaminación, efectos catalíticos adversos de las superficies de cobre y hierro, y consumo del inhibidor de oxidación, factores que pueden reducir la vida útil esperada del aceite. Ajustar los cálculos de vida útil del aceite con un factor dependiente de la máquina tiene en cuenta estos factores. Los motores eléctricos y los sistemas hidráulicos, por ejemplo, utilizan un factor de tres. En otras palabras, la vida útil del aceite en estos sistemas es aproximadamente un 66 % menor de lo que predicen las ecuaciones de vida útil. Un factor de dos a cinco es adecuado para turbinas de vapor y compresores, mientras que un factor de diez es adecuado para turbinas de gas de servicio pesado.
Cuando cambiar el aceite
En todos los casos, una mayor vida útil de los rodamientos requiere revisiones periódicas (normalmente mensuales) de muestras de aceite en laboratorio para detectar oxidación, cambios de viscosidad y acumulación de contaminantes. Se debe considerar cambiar el aceite cuando su acidez supere en 0.2 a 0.3 mg de KOH/g la del aceite nuevo, o cuando la viscosidad cambie en más del 5 %. Esto depende de la aplicación.
Confirmando la necesidad de un cambio
Afortunadamente, existen varios métodos para evaluar rápidamente la condición del aceite. Estos incluyen:
- Electroquímica. De los numerosos procedimientos electroquímicos, la técnica de voltametría cíclica proporciona la evaluación más rápida (menos de 10 segundos) y sencilla de la concentración de antioxidantes remanentes en lubricantes mediante la relación corriente-voltaje en dos electrodos sólidos. Los aceites de motor de aviación de base éster se disuelven primero, o los lubricantes de hidrocarburos se suspenden, en un disolvente que contiene un electrolito. A medida que el voltaje de un electrodo se cicla linealmente con el tiempo, el voltaje al que aumenta el flujo de corriente y la magnitud de dicho aumento identifican y cuantifican, respectivamente, el o los antioxidantes presentes en la muestra.
- Pruebas de oxidación a microescala. La prueba rápida de micro oxidación de Penn State expone una gota de muestra a una temperatura de aproximadamente 250 °C para simular la vida útil del aceite en condiciones de oxidación en aplicaciones a gasolina y diésel.
- Calorimetría de escaneo diferencial de alta presión. Una vez que los antioxidantes del lubricante se agotan en el rango de temperatura de 150 °C a 250 °C, la oxidación exotérmica aumenta la temperatura de la muestra. Se utiliza oxígeno o aire a presión para reducir la evaporación de la muestra. Para presiones de oxígeno de 170 y 550 psi, un tiempo de tres a cinco minutos suele indicar que el aceite ha llegado o está cerca del final de su vida útil.
Una prueba, denominada espectrometría infrarroja por transformadas de Fourier, permite medir y cuantificar en menos de un minuto el grado de oxidación del aceite mediante la magnitud, expresada en absorbancia/mm, de las bandas de absorción en los rangos de frecuencia de 1050 a 1250 y de 1700 a 1750 cm⁻¹. La cantidad de inhibidores de oxidación restantes también se estima a partir de los picos de absorción asociados con las longitudes de onda infrarrojas discretas de cada aditivo. Se indica un cambio de aceite o la reposición de inhibidor de oxidación cuando la concentración de este disminuye a la mitad o más de los valores originales.
Como alternativa, los aceites para turbinas y otros sistemas de circulación pueden utilizar la prueba de oxidación en recipiente rotativo a presión (RPVOT) ASTM D2272. En este caso, un valor inferior a 50 minutos indica una vida útil residual mínima.
Métricas de grasa
Al igual que con el aceite, la acidez y el contenido de antioxidantes son indicadores importantes de la vida útil restante de la grasa. Sin embargo, las grasas contienen aceite y espesantes, los cuales también influyen en su vida útil. El contenido de aceite es una medida de la vida útil restante y puede cuantificarse en una muestra de grasa mediante espectrometría de absorción atómica o mediante la separación con disolventes y el pesaje del aceite restante.
Las grasas suelen fallar tras perder aproximadamente la mitad de su contenido inicial de aceite. En este punto, la fricción y el ruido del rodamiento suelen aumentar junto con el contenido de hierro en la grasa. Mantenerla en uso puede causar desgaste severo y falla prematura del rodamiento.
La Figura 2 indica que, a partir de este grado de falta de aceite, se espera una falla en el 10 % de los rodamientos engrasados tras aproximadamente 30,000 a 40,000 horas de funcionamiento con grasas premium para rodamientos de bolas a velocidades moderadas, temperaturas de hasta 70 °C y cargas ligeras.
Figura 2. La vida útil de la grasa a temperaturas de hasta 70 °C
disminuye con el factor de velocidad del rodamiento kf DN
La mitad del contenido inicial de aceite corresponde al porcentaje de espesante, Sf, contenido en una grasa en el momento de la falla:
Sf = 100 x 2S0 / (100 + S0)
donde S0 = porcentaje de espesante en la grasa fresca.
Por ejemplo, se esperaría que una grasa fresca con un 10 % de espesante fallara al secarse hasta un punto en que Sf = 20 %.
Por lo general, los rodamientos de mayor tamaño y los que funcionan a altas velocidades acortan la vida útil de la grasa. El tiempo de falla de la grasa suele reducirse a la mitad cuando la velocidad de rotación del rodamiento alcanza los límites de DN de la grasa (velocidad lineal en la línea de paso), medidos mediante la siguiente fórmula:
DN = N x (DI + DE) /2
donde DI = diámetro del eje (mm), DE = diámetro exterior (mm), N = velocidad (rpm).
El funcionamiento a velocidades incluso más altas puede provocar fallas prematuras de los rodamientos, en parte porque la fuerza centrífuga expulsa la grasa de las superficies de la jaula y las pistas de rodadura.
Tabla 2. Factor de reducción de velocidad Kf para reducir la vida de la grasa
El factor de reducción de velocidad kf es otro indicador de la vida útil de la grasa. Es directamente proporcional a la distancia que debe recorrer la grasa para alimentar el ancho de las pistas del rodamiento de bolas o rodillos. Los valores más altos (para un tipo de rodamiento determinado) se aplican a aquellos con secciones transversales mayores o mayor capacidad de carga, y viceversa.
Los factores de reducción de velocidad más altos acortan la vida útil de la grasa. Como referencia, los rodamientos rígidos de bolas convencionales de una hilera tienen un kf = 1.0 y un límite de DN de aproximadamente 300,000.
Los efectos de la velocidad también varían según la grasa. Por ejemplo, las grasas de buena canalización, que suelen utilizarse en rodamientos de bolas con doble escudo (ZZ) y doble sello (2RS), probablemente no duren tanto como otros tipos de grasa cuando funcionan cerca de los valores límite de kfDN.
Las grasas de silicona, con sus aceites de baja tensión superficial y propiedades lubricantes más deficientes para superficies de acero sobre acero, imponen factores de velocidad límite DN un 35 % inferiores. Se requiere una reducción adicional del DN del 25 % al 50 % al operar rodamientos en ejes verticales.
Las temperaturas de funcionamiento elevadas también son perjudiciales para las grasas. De hecho, los rodamientos que operan a temperaturas superiores a 70 °C reducen la vida útil de la grasa en 1.5 veces por cada aumento de 10 °C. Por encima de 150 °C, la oxidación rápida multiplica este factor por 2 por cada aumento de 10 °C. Las altas temperaturas promueven la oxidación y aumentan la evaporación y la pérdida de aceite por fluencia, lo que acelera el secado de la grasa y acorta su vida útil.
La vida útil de la grasa LG se puede estimar para temperaturas de funcionamiento superiores a 70 °C con cargas moderadas y sin contaminación mediante esta fórmula:
log LG =-2.60+2,450/(T+273)-1×10-6 kfDN
Aquí, LG es el tiempo hasta la falla de la grasa para el 10 por ciento de las aplicaciones que utilizan grasas industriales con base mineral premium o sintético, con grado de consistencia NLGI 2 y espesantes como litio, jabones metálicos complejos y poliureas.
La ecuación de Arrhenius
El sentido común y la intuición química sugieren que cuanto mayor sea la temperatura, más rápido se desarrollará una reacción química. Cuantitativamente, esta relación entre la velocidad de la reacción y su temperatura está determinada por la ecuación de Arrhenius, que relaciona el logaritmo de la velocidad de reacción con el recíproco de la temperatura absoluta. A temperaturas más altas, aumenta la probabilidad de que dos moléculas colisionen con suficiente energía cinética para activar una reacción química. La energía de activación es la cantidad de energía necesaria para garantizar que se produzca una reacción.
En forma exponencial, el efecto de la temperatura sobre las velocidades de reacción utilizando la ecuación de Arrhenius se convierte en:
k=A*exp (-Ea /R*T)
donde k es el coeficiente de velocidad, A es una característica constante de la reacción, Ea es la energía de activación, R es la constante universal de los gases y T es la temperatura (en grados Kelvin).
R tiene el valor de:
8.314 x 10-3 kJ mol-1 K-1.
Existen diversas maneras de estimar los ciclos de vida de los lubricantes. Calcularlos según las condiciones de operación requiere la aplicación de factores que consideren las condiciones reales, como la contaminación por sólidos, la humedad, el aire, el efecto catalítico de las partículas de desgaste, las variaciones de temperatura en un sistema de circulación, etc. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la tasa de cambio. La regla de Arrhenius sugiere duplicar la tasa de degradación del aceite lubricante por cada 10 °C de aumento de temperatura. Los ciclos de vida de las grasas se ven influenciados por los problemas observados con los aceites lubricantes, el diseño de los rodamientos, las velocidades de las superficies y la sequedad de la grasa.
Referencia
Figura 1. Beerbower. Publicación especial STLE SP-15, 1982.
Nota del editor:
Este artículo apareció originalmente en Machine Design, marzo de 2003. Para lecturas relacionadas, consulte Applied Tribology-Bearing Design and Lubrication Nueva York de los autores John Wiley & Sons, 2001.
Michael Khonsari y ER Booser, Universidad Estatal de Luisiana. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América