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El lubricante es posiblemente uno de los componentes más esenciales de una máquina, pero también resulta ser uno de los más vulnerables. Algo que influye en gran medida sobre esta vulnerabilidad es la temperatura, que tiene una correlación inversa con la propiedad más importante del lubricante: la viscosidad. Al darse cuenta de los efectos potenciales que la temperatura puede tener en sus lubricantes, usted puede comprender mejor cómo podría fallar una máquina y, con un poco de suerte, evitar fallas futuras.
Figura 1. La viscosidad del lubricante tiene una relación dependiente con la temperatura
Temperatura de arranque
La temperatura de arranque es la temperatura ambiente durante la puesta en marcha inicial de una máquina antes de que el lubricante tenga la oportunidad de alcanzar la temperatura de funcionamiento. Durante una operación típica, muchos de los contribuyentes a la generación de calor, como la fricción, harán que la temperatura se eleve y alcance un equilibrio con su entorno, también conocida como la temperatura de operación de la máquina. Conocer la temperatura de operación de una máquina es crucial al seleccionar la viscosidad adecuada del lubricante, ya que la viscosidad tiene una relación dependiente con la temperatura de operación.
Arranque en frío de la máquina
El término «arranque en frío de la máquina» se refiere a la baja temperatura del ambiente que puede ser perjudicial para la operabilidad de una máquina. Las industrias de vehículos y equipos móviles llevan mucho tiempo desarrollando soluciones para el desafío de lidiar con temperaturas extremas, incluyendo el trabajo en ambientes muy fríos. Esto ha llevado a la creación de formulaciones avanzadas de lubricantes, como aditivos depresores del punto de fluidez y aceites multigrado, así como diseños avanzados de motores con calefactores integrados en el cárter y en el monoblock.
Falla del lubricante
Para comprender los modos de falla potenciales de la máquina asociados con un arranque en frío, es esencial revisar las formas en que un lubricante puede fallar en estas condiciones, tanto física como químicamente. El lubricante no solo se vuelve más viscoso a temperaturas frías debido a la relación temperatura-viscosidad, sino que también puede solidificarse cuando pasa por debajo de un determinado punto de temperatura denominado punto de fluidez. De acuerdo con la definición establecida en el estándar ASTM D97, el punto de fluidez describe la temperatura más baja (fría) a la cual el aceite comienza a quedar inmóvil y ya no fluirá.
Por ejemplo, un aceite para engranajes a una temperatura suficientemente fría puede colocarse sobre el piso y quedar como un bloque de hielo. Sin embargo, a diferencia del agua, que mantiene una viscosidad constante hasta que se solidifica a una temperatura exacta, el aceite se volverá gradualmente más espeso y se congelará a velocidades variables. Esto hace que sea difícil establecer estándares de selección de lubricante para la operación de la maquinaria. Por lo tanto, aunque el aceite aún no haya alcanzado el punto de fluidez, la naturaleza viscosa del aceite frío puede causar una restricción sustancial del flujo en los componentes de la máquina, como es el caso de las bombas de aceite hidráulicas o de circulación. Las consecuencias de una restricción de flujo en la bomba pueden ser catastróficas, con efectos como el desgaste de la superficie por cavitación vaporosa y el desgaste de los cojinetes por escacez de lubricante.
Algunos aditivos se ven afectados por las condiciones de baja temperatura durante el arranque de la máquina. Por ejemplo, ciertos aditivos extrema presión solo se activan a temperaturas elevadas como resultado de la fricción de la superficie debido a altas velocidades o altas cargas. Si la máquina funciona a velocidades más lentas durante el arranque y en un entorno frío, el aditivo puede ser significativamente menos efectivo. Otros aditivos, como los inhibidores de oxidación, pueden tener poca solubilidad y estratificarse hasta el fondo de los tanques y contenedores de almacenamiento durante períodos prolongados de permanencia a bajas temperaturas. Si el aceite continúa operando a bajas temperaturas, la tendencia de espuma puede aumentar, especialmente con aceites de baja viscosidad. Todos estos efectos degradantes sobre los aditivos del lubricantes darán como resultado una protección limitada a los componentes de la máquina contra la corrosión, el desgaste prematuro y la espuma.
Figura 2. Arranque en frío del motor
Resistencia y falla del filtro
Todas las máquinas se comportan diferente a la alta viscosidad en condiciones de arranque en frío, dependiendo del diseño de la máquina y la sensibilidad de los componentes. Por ejemplo, en cualquier sistema donde circule fluido, como un sistema de lubricación por circulación forzada o un sistema de circulación con cárter húmedo, el aceite debe fluir a través de un filtro. Los filtros naturalmente causarán restricción de flujo. Una mayor restricción del flujo da como resultado una mayor caída de presión, lo que lleva a la apertura de la válvula de derivación del filtro (si está instalada), la ruptura de la media filtrante o ambas. Debido a que la viscosidad aumenta durante un arranque en frío, la caída de presión también aumenta debido a la mayor resistencia a través del filtro.
Desafortunadamente, el potencial de falla en estás condiciones no está centrado solo en el filtro. Este no solo puede romperse, sino que también puede generar una reacción en cadena con otras fallas secundarias en la máquina. Cuando el aceite comienza a canalizarse entre las grietas a medida que el filtro se rompe, los contaminantes acumulados en el filtro tienen la posibilidad de salir todos al mismo tiempo. La entrada masiva de partículas promoverá directamente el desgaste de la máquina.
Generalmente, la principal causa de falla por condiciones de arranque en frío es la mayor resistencia al flujo. Incluso si el filtro no se rompe, el aceite viscoso causará daños. La tabla en la Figura 3 ilustra cómo la viscosidad puede cambiar como resultado de un cambio de su temperatura. Un aceite ISO VG 220 con un índice de viscosidad de aproximadamente 100 aumentará por arriba de 5,000 centistokes (cSt) cuando la temperatura descienda a 0 ºC (32 ºF).
Escacez de lubricante
La mayoría de los métodos mecánicos que ayudan a suministrar aceite a los componentes lubricados se verán obstaculizados cuando las temperaturas bajen. Como se mencionó anteriormente, si el aceite está diseñado para fluir a través de tuberías, como un sistema de circulación de aceite, puede restringirse su flujo en gran medida y hacer que la máquina padezca escacez de lubricante. Otros dispositivos, como los levantadores de aceite, también pueden perder su efectividad en tales condiciones. Los lubricadores por anillo presentan resistencia a moverse, causando una fricción no deseada entre el anillo y el eje mientras la parte inferior queda atrapada en el aceite viscoso, lo que resulta en una distribución insuficiente de lubricante a las zonas más altas.
Aplicación de grasa
La grasa tiene riesgos similares en ambientes fríos, ya que el aceite dentro de la grasa también cumple con la relación de temperatura-viscosidad. El potencial de falta de lubricante por la carencia de grasa es un problema común. Con cualquier método de aplicación diseñado para empujar la grasa a través de un orificio o tubo de engrase, como un sistema centralizado de engrasar, un lubricador de un solo punto o incluso una pistola manual de engrase, el movimiento de la grasa puede verse significativamente restringido en temperaturas frías. En consecuencia, la grasa puede no ingresar correctamente en las zonas de fricción del componente. Ciertas grasas destinadas a temperaturas frías están formuladas para manejar estas condiciones. Se han desarrollado métodos de prueba como los estándares ASTM D4693 y D1478 para determinar cómo la grasa restringe el movimiento en un rodamiento a temperaturas frías.
Cajas de engranajes
La mayoría de los tipos de cajas de engranajes corren el riesgo de sufrir escacez de lubricante, incluyendo las lubricadas por salpique, sistemas de circulación de cárter húmedo y sistemas de circulación forzada de aceite. Cuando el aceite es demasiado viscoso durante el arranque, no puede alcanzar las zonas de contacto del engranaje debido a la falta de presión del inyector o la formación de canales en el aceite en los sistemas lubricados por salpique. Como resultado, pueden dañarse los puntos de contacto de alta presión entre los dientes de los engranajes al no estar lubricados. Además, cualquier sistema de engranajes que debe vencer el efecto de moverse en un fluido muy viscoso también experimentará una transmisión de potencia limitada y alto consumo de energía.
Figura 3. Viscosidad cinemática del aceite (cSt) combinada con temperatura
Motores de combustión interna
Hoy en día, es común que las máquinas en ambientes fríos estén equipadas con elementos de calefacción para permitir que la máquina arranque. Sin embargo, a medida que las temperaturas continúan bajando, el solo uso de calentadores no elimina el riesgo para los componentes del motor que no reciben el aceite que permanece por debajo del punto de fluidez. Por ejemplo, aunque el cigüeñal del motor puede girar libremente al arrancar, si el lubricante en el cárter sigue gelificado, no podrá realizar su función correctamente. Esto puede conducir a la detención del motor por aferramiento. Pueden formarse bolsas de aire en el cárter por el aceite gelificado, lo que se denomina bloqueo de aire, y hacer que no llegue aceite a la bomba. Para evitar esto, a menudo se usan calentadores en el cárter y lubricantes de mayor calidad para ayudar a mantener baja la viscosidad. Si no está seguro de la condición del aceite, puede observar el flujo de aceite en la punta de la varilla de medición de nivel para verificar el estado de la viscosidad del aceite.
Cojinetes planos
La cuña de aceite formada durante la rotación del eje en el alojamiento del cojinete es el resultado de un cuidadoso balance de velocidad, viscosidad y carga. En cualquier circunstancia, cuando la viscosidad es indeseablemente alta, como cuando las temperaturas son muy bajas, el aceite puede comenzar a batirse alrededor del eje, lo que provoca la oscilación del eje. Puede producirse entonces un desgaste excesivo por la reducción excesiva del espacio dinámico de trabajo.
Sistemas hidráulicos
En sistemas hidráulicos los mayores riesgos en temperaturas frías son la falla de los elementos filtrantes y la cavitación en las bombas, como se mencionó anteriormente. Otro problema que puede surgir es el de los sellos hidráulicos. Si bien los problemas de contaminación e instalación son las razones más comunes por las que los sellos presenten fugas y fallan, los arranques en frío y la operación a bajas temperaturas también representan una amenaza de fragilización de los sellos.
Rodamientos
Los rodamientos tendrán una movilidad reducida cuando el aceite o la grasa se vuelvan demasiado viscosos en temperaturas frías. El aceite viscoso conduce a pérdidas por batido y deslizamiento/patinado de los elementos rodantes. El deslizamiento dañará los elementos rodantes y la estructura de la jaula. La fricción aumenta a medida que estos componentes se dañan y pueden resultar en una falla. En el caso de lubricación por grasa, el aceite en la grasa enfrenta un reto considerable a bajas temperaturas. La velocidad de separación de la base lubricante será insuficiente a bajas temperaturas porque el aceite viscoso quedará atrapado en el espesante que se mantiene fuera de la pista. Durante estas condiciones, la falta de lubricante puede causar una falla temprana en los rodamientos.
Cuidado con la cavitación vaporosa
La cavitación vaporosa es particularmente preocupante, ya que es un síntoma del alto diferencial de presión en la bomba, como sucede durante los arranques en frío con alta viscosidad. A medida que el aceite se introduce en el lado de succión de una bomba hidráulica, el aire disuelto en el aceite se separa y forma burbujas de vapor, que luego continúan expandiéndose. Estas burbujas de vapor más grandes responden de manera destructiva cuando se comprimen al pasar a través de la bomba del lado de succión al lado de alta presión. Este aumento repentino y drástico de la presión hace que estas burbujas colapsen, lo que provoca daño en el aceite a su alrededor y sobre las superficies de la máquina por el efecto adiabático.
Evite la falla de la maquinaria durante el arranque en frío
Afortunadamente, en las últimas décadas, los fabricantes de lubricantes se han dado cuenta de los efectos que las bajas temperaturas pueden tener en las máquinas. Esto les ha llevado a desarrollar formulaciones que pueden manejar estas condiciones, incluso durante los arranques de las máquinas. La base lubricante juega un rol importante, ya que muchos aceites minerales altamente refinados y sintéticos se ven menos afectados por los cambios de temperatura. Esto se representa por el índice de viscosidad. Los mejoradores del índice de viscosidad pueden mejorar esta propiedad. Cuanto más alto sea el índice de viscosidad, menor será el cambio en la viscosidad por un cambio en la temperatura. Los depresores de punto de fluidez también pueden mejorar las características del aceite en temperaturas frías. Estas propiedades del aceite base y aditivos, junto con un grado de viscosidad seleccionado correctamente o un aceite multigrado, ofrecen soluciones viables en temperaturas frías.
Sin embargo, a veces las formulaciones de lubricantes pueden no ser suficientes para evitar los contratiempos de los arranques en frío. En estos casos, las máquinas se pueden equipar para superar los efectos del frío instalando calentadores en el cárter y en el monoblock, como se mencionó anteriormente, así como empleando sistemas de prelubricación, que preparan a los componentes de la máquina para un arranque en frío.
La falla consecuente que puede surgir de una preparación inadecuada para las condiciones de arranque en frío será gradual e indirecta. Las temperaturas frías no solo pueden ser la causa principal de condiciones desfavorables del lubricante, sino que su presencia también puede desencadenar una reacción en cadena, lo que lleva a lubricantes altamente viscosos, que presentan la posibilidad de una falta de lubricante, un aumento de contaminación, una generación prematura de desgaste, aditivos inactivos y otros efectos perjudiciales. Una vez que los operadores de la maquinaria y los ingenieros de confiabilidad están conscientes de los riesgos que presentan las bajas temperaturas, especialmente durante el arranque, se pueden hacer ajustes para evitar que ocurran estas reacciones en cadena.
Referencias
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