La Importancia del Factor Kappa en la Lubricación de Rodamientos

“¿Qué significa la viscosidad relativa o factor K y qué importancia tiene para lograr una lubricación a película completa en rodamientos? Según algunos fabricantes de lubricantes, si este factor es 4 existe una lubricación total y si es este valor es menor que 4 necesitamos buscar un lubricante con aditivos antidesgaste. ¿Qué pasa si utilizo una grasa con un valor muy alto, por ejemplo 8 o 12?”.

En la lubricación de rodamientos es importante considerar las condiciones de operación a fin de poder definir con propiedad el tipo de lubricante a utilizar. En ocasiones se hace indispensable el uso de aditivos EP. Para poder establecer dicho requerimiento utilizamos el factor “Kappa” (Κ), definido por la relación entre la viscosidad del aceite a la temperatura de operación del rodamiento dividido por la viscosidad de aceite requerida por el rodamiento. El factor de viscosidad “Kappa” se calcula mediante la siguiente relación:

En donde:

K es el factor de viscosidad “Kappa”.
V es la viscosidad cinemática real del lubricante a temperatura de operación, en mm²/s.
V₁ es la viscosidad cinemática mínima requerida para lograr la separación de las superficies, en mm²/s (obtenida de la figura 1)

La viscosidad de referencia (V₁) es aquella que produciría una película de lubricante de un espesor tal que logre igualar la rugosidad compuesta de la superficie entre el elemento rodante y la pista del rodamiento. Esta viscosidad también es la que le daría un valor Lambda = 1, en donde lambda es el espesor de la película de lubricante dividido entre la rugosidad compuesta de la superficie. Si Kappa es igual a 1, usted tiene un régimen de lubricación en donde las asperezas de la superficie del elemento rodante y la pista apenas están separadas. Cuando el valor de Kappa es mayor a 1 es que la lubricación empieza a mejorar.

Para obtener una película lubricante lo suficientemente gruesa entre los elementos rodantes y la pista, el aceite debe conservar una viscosidad mínima a la temperatura de operación, la cual, de acuerdo con la norma ISO 281:2007 se ha condensado en una simple ecuación que depende sólo del diámetro pitch (diámetro medio) y la velocidad del rodamiento, la cual se puede obtener también a partir de la imagen 1.

Considere un rodamiento cuyo diámetro interior es de 100 mm y el diámetro exterior es de 200 mm, que trabaja a una velocidad de 1,000 rpm, temperatura de operación de 70°C.

Primero debe calcular el diámetro medio (suma del diámetro interior y el diámetro exterior, dividido entre 2) y convertirlo a mm = (100 + 200) /2 = 300/2 =150 mm

Después busque el valor resultante en la escala del eje de las X. Trace una línea vertical hasta intersectar con la diagonal de la velocidad del rodamiento en rpm y en el punto de intersección trace una línea horizontal hacia el eje de las Y para obtener la viscosidad de referencia en cSt a la temperatura de operación, que en este ejemplo sería de aproximadamente12 cSt.

Imagen 1 – Cálculo de la viscosidad de referencia (V₁)

Posteriormente debe calcular la viscosidad real de los lubricantes disponibles a la temperatura de operación, para lo cual puede utilizar la imagen 2, asumiendo que trabaja con un aceite mineral con índice de viscosidad (IV) de 95.

Imagen 2 – Cálculo de la viscosidad real del lubricante a temperatura de operación

Localice en el eje de las X la temperatura de operación (70°C para este ejemplo) y trace una línea vertical y obtenga el valor para cada grado de viscosidad de los diferentes lubricantes. El siguiente paso es calcular el factor de viscosidad Kappa para cada lubricante, utilizando el valor de viscosidad de referencia (12 para nuestro ejemplo) y aplicando la fórmula. Este cálculo se resume en la tabla 1.

Tabla 1 – Cálculo del factor de viscosidad Kappa para diferentes lubricantes

La imagen 3 muestra cómo Kappa relaciona tanto la selección del lubricante como la vida esperada del rodamiento.

Imagen 3 – Relación entre el factor de viscosidad Kappa y la vida del rodamiento

El factor A₂₃ se aplica en el cálculo de vida del rodamiento y para verificar el estado del lubricante y la influencia de este en la vida útil del rodamiento

A valores de Kappa menores que 1 (aceite ISO VG 22 en nuestro ejemplo), es decir, cuando la viscosidad a la temperatura de operación es menor que la viscosidad requerida por el rodamiento, vamos a operar en un régimen donde las superficies no van a estar separadas, por lo tanto, habrá contacto metal-metal y desgaste. En este sentido el factor de incremento de la vida esperada del rodamiento está por debajo de valores de 1, lo que significa un deterioro prematuro de los mismos.

A valores de Kappa menores que 1, es decir, cuando la viscosidad a la temperatura de operación es menor que la viscosidad requerida por el rodamiento, vamos a operar en un régimen donde las superficies no van a estar separadas, por lo tanto habrá contacto metal-metal y desgaste. En este sentido el factor de incremento de la vida esperada del rodamiento, está por debajo de valores de 1, lo que significa un deterioro prematuro de los mismos.

A medida que Kappa se acerca a 1, es decir la viscosidad del aceite a la temperatura de operación es casi o igual a la viscosidad requerida por el rodamiento, vemos que el factor de incremento de vida se acerca al valor de la tasa de vida esperada, en este caso igual a 1.

Para valores de Kappa por encima de 1, es un hecho el poder extender el valor de la vida esperada del rodamiento quizás hasta más allá de dos veces y media.

A medida que Kappa se acerca a 4 (aceite ISO VG 150 en nuestro ejemplo), la vida del rodamiento alcanza el máximo (si todo lo demás se mantiene igual) mientras que valores de K por encima de 4 (aceites ISO VG 220en adelante en nuestro ejemplo) pueden causar incrementos en la fricción fluida, en la viscosidad, deslizamiento de las bolas y otros efectos indeseables. Es generalmente aceptado que valores de Kappa en el rango de 1 a 2.5 son óptimos para la mayoría de los rodamientos.

Para mejorar la operación de los rodamientos cuando Kappa tiene valores por debajo de 1, en el régimen de lubricación límite, entonces se deben utilizar aditivos extrema presión que brinden una protección adecuada en los puntos de contacto del metal.

Cuando el equipo es operado en un régimen que se acerca al de la lubricación a película gruesa (fluida), Kappa por encima de 1, estos aditivos de extrema presión deben ser eliminados del lubricante, ya que no van a tener ningún efecto sobre la vida del rodamiento. En todo caso su efecto puede ser dañino por los compuestos químicos que intervienen en su formulación. Los aditivos EP se requieren para prevenir el desgaste entre la pista y el elemento rodante, cuando se presentan condiciones de operación que involucran altas cargas y cargas de choque, velocidades muy bajas y Kappa bajos.

La utilización de aceites muy viscosos (valores mayores a 4) puede llevar a que el rodamiento no ruede, sino que deslice y además en seco, por no poder penetrar el aceite. Los aceites muy viscosos tienen mayor fricción interna, por lo que se dificulta su fluidez, lo que a la larga genera mayor calor, fricción y consumo de energía, determinado por un pobre o incorrecto flujo de aceite hacia el mecanismo.

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