Lubricación práctica de engranajes abiertos

Las transmisiones por engranajes abiertos o semicerrados, también conocidas como transmisiones de engranajes de servicio pesado o engranajes circulares, han sido un método común de transmisión de potencia desde el comienzo de la Revolución Industrial.

Por lo general, las transmisiones por engranajes abiertos son el tipo de transmisión alternativa por engranajes más económica para su uso en aplicaciones donde se requiere una alta capacidad de carga y una larga vida útil en condiciones severas de carga de choque.

Son estas características, además de la flexibilidad en el diseño de la máquina, las que han hecho que las transmisiones por engranajes abiertos sean el tipo de transmisión más común utilizado para molinos de bolas, molinos, hornos, secadores, dragas y palas. Hay dos tipos de transmisiones por engranajes abiertos: El tipo 1 utiliza una cremallera, mientras que el tipo 2 utiliza un engranaje o una serie de engranajes.

Definición de la aplicación

Transmisiones de engranajes abiertos tipo 1

Las transmisiones por engranajes abiertos tipo 1 constan de un actuador y un sistema de cremallera utilizado para transmitir potencia. Este tipo de engranaje abierto se utiliza principalmente en tambores de cable de polipasto, transmisiones de movimiento oscilante, plataformas elevadoras mecánicas, unidades de transferencia y en transmisiones de elevación y arrastre de palas, dragas y excavadoras de minería.

Estos engranajes abiertos pueden tener movimiento bidireccional y, en la mayoría de las aplicaciones, la geometría de los dientes, el acabado de la superficie, la línea de paso y las cargas intermitentes hacen que funcionen en una película lubricante delgada o en condiciones de lubricación límite. Los engranajes tipo 1 suelen ser engranajes tipo recto.

Las funciones principales de un lubricante en una transmisión por engranajes abiertos Tipo 1 es actuar como una interfaz reductora de la fricción entre las superficies de los dientes del engranaje en contacto y como un amortiguador contra cargas de impacto.

Si el lubricante para engranajes abiertos es capaz de proporcionar estas características y los contaminantes y partículas de desgaste no exceden los niveles moderados, el lubricante puede aumentar significativamente la vida útil del engranaje abierto.

Transmisiones de engranajes abiertos tipo 2

Las transmisiones por engranajes abiertos tipo 2 normalmente constan de un actuador, un piñón y un engranaje o una serie de engranajes de conexión utilizados para transmitir cargas continuas. Normalmente se utilizan para alimentar equipos estacionarios o semiestacionarios, como hornos, molinos, hornos rotativos, secadores, descortezadores, molinos de caucho, molinos de papel y molinos de acabado.

Las transmisiones por engranajes abiertos tipo 2 normalmente funcionan en o cerca de sus límites de diseño y a menudo están expuestas a contaminantes abrasivos y partículas de desgaste. Por lo general, constan de engranajes de tipo helicoidal simple y doble helicoidal.

Requisitos de lubricantes para engranajes abiertos y estándares de la industria

Las aplicaciones de engranajes abiertos, particularmente aquellas asociadas con molinos de bolas y molinos de acabado se consideran algunas de las más difíciles que puede encontrar un lubricante. Generalmente, estos tipos de engranajes abiertos operan a bajas velocidades en la línea de paso y bajo cargas pesadas.

Sin embargo, los diseños de equipos más recientes requieren engranajes abiertos para transmitir cargas cada vez más altas. Debido a estas consideraciones, un lubricante para engranajes abiertos debe poseer las siguientes características y propiedades:

Adherencia (propiedades adhesivas/cohesivas): Excelente adherencia a los engranajes
Resistencia al lavado y aspersión con agua.
Capacidad de carga para proteger contra la fricción y el desgaste.
Protección contra el desgaste y la corrosión de los engranajes.
Capacidad de amortiguación (reducción de vibraciones).
Capacidad de aspersión y/o facilidad de dispensación.
Reducción de problemas de limpieza y mantenimiento.

Resistencia a despegarse de las superficies de trabajo.
No acumularse en las raíces de los dientes del engranaje.
Drenable para facilitar su extracción de las protecciones.

La Asociación Americana de Fabricantes de Engranajes (AGMA, por sus siglas en inglés) y diferentes fabricantes de equipos originales (OEM, por sus siglas en inglés) han desarrollado varias especificaciones y estándares para toda la industria para lubricantes para engranajes abiertos. El más utilizado es AGMA 251.02 (que se ha incorporado a AGMA 9005-D94 y AGMA 9005- E02) y US Steel 226 y 236. Los requisitos se detallan en la Tabla 1.¹

Las normas AGMA 9005-D94 y AGMA 9005- E02 estipulan el uso de compuestos residuales 14R y 15R para engranajes abiertos cuando el lubricante para engranajes abiertos se aplica mediante métodos de aplicación intermitente, donde la velocidad de la línea de paso no excede los 7.5 metros por segundo (1,500 pies/minuto). Las viscosidades indicadas para 14R y 15R son de 428.5 a 857.0 y de 857.0 a 1714 cSt a 100 ºC respectivamente.

Además de las especificaciones AGMA, diferentes OEM de maquinaria minera y unidades de engranajes abiertos tienen sus propias pruebas y especificaciones de referencia. Falk especifica que un lubricante para engranajes abiertos debe tener una viscosidad mínima de 857 cSt a 100 °C, mientras que Svedala especifica que los lubricantes para engranajes abiertos tienen una viscosidad mínima de 150 cSt a 100 °C. Los requisitos restantes de los OEM para maquinaria minera se describen en la Tabla 2.¹

Tipos de lubricantes para engranajes abiertos

Actualmente, los lubricantes utilizados por los engranajes abiertos tanto Tipo 1 como Tipo 2 consisten en lo siguiente:

Tipo asfáltico (también conocido como compuestos residuales)
Grasas semifluidas (también conocidas como tipo pasta)
Reducciones de grasa semifluida
Grasas con espesante tipo gel/polímero
Sintéticos de alta viscosidad

Cada uno de estos lubricantes para engranajes abiertos posee características de desempeño y composición que definen sus capacidades.

Tipo asfáltico

Los lubricantes para engranajes abiertos de tipo asfáltico se conocen como compuestos residuales o aceites negros. Este tipo de lubricante para engranajes abiertos se ha utilizado durante años y se considera confiable entre los operadores. Están formulados a partir de aceites minerales de alta viscosidad o compuestos residuales que contienen un alto nivel de asfalto o betún y un diluyente solvente volátil, que se utiliza en la aplicación del producto. Normalmente, los aceites residuales negros utilizados en la formulación tienen viscosidades de 643 cSt a 100 ºC o superiores.

Los lubricantes asfálticos para engranajes abiertos funcionan según el principio de una película de aceite que separa las superficies de contacto del piñón y el engranaje. Generalmente se aplican mediante un sistema de aspersión automático. Una vez aplicado a los engranajes, la acción de contacto hace que el solvente diluyente volátil se evapore o volatilice, dejando una capa viscosa de lubricante.

En el pasado, los disolventes clorados como el 1,1,1-tricloroetano, el percloroetano, el percloroetileno y el tricloroetileno se utilizaban como diluyentes solventes volátiles debido a su no inflamabilidad, sus rápidas tasas de evaporación y su capacidad para mejorar la capacidad de bombeo en sistemas de lubricación automática, para mejorar la eficiencia de aspersión y su costo relativamente bajo.

Aunque los solventes clorados proporcionaron un excelente desempeño, surgieron preocupaciones desde el punto de vista ambiental y de salud debido a su potencial como destructores de la capa de ozono y la posibilidad de ser cancerígenos, lo que llevó a la prohibición de su uso.

Estas preocupaciones dieron como resultado que los fabricantes de lubricantes de engranajes abiertos de tipo asfáltico usaran solventes de tipo hidrocarburo o solventes de hidrocarburo fluorados. El uso de estos solventes generó preocupación sobre la posibilidad de incendios a bordo en maquinaria y equipos de minería debido a sus puntos de inflamación más bajos, problemas de toxicidad con los hidrocarburos fluorados, informes de emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV) y su lenta tasa de evaporación.

Se utilizan lubricantes para engranajes abiertos de tipo asfáltico debido a la alta viscosidad impartida por estos productos que inhibe el contacto de los engranajes en contacto. La alta viscosidad también mejora la adhesividad del producto. Sin embargo, la alta viscosidad de los lubricantes asfálticos no es necesaria para la correcta lubricación y minimización del desgaste de los engranajes abiertos. Los lubricantes para engranajes abiertos de tipo asfáltico son adecuados para su uso en la lubricación de engranajes abiertos siempre que las velocidades de los engranajes y las temperaturas ambiente o de funcionamiento permanezcan estables.

A altas temperaturas ambiente y de funcionamiento, se vuelven menos viscosos y adhesivos, lo que genera problemas de limpieza y mayores tasas de consumo de lubricante. Las altas temperaturas ambiente y de funcionamiento también pueden hacer que los lubricantes para engranajes abiertos de tipo asfáltico se oxiden, endurezcan y se acumulen fácilmente en la zona de la raíz. A bajas temperaturas, tienden a proporcionar un rendimiento poco satisfactorio debido a su dificultad para dosificarse y a su tendencia a endurecerse, agrietarse y desprenderse, dejando los engranajes sin lubricar. También tienden a acumularse en la zona de las raíces a bajas temperaturas.

Debido a la naturaleza adhesiva de los aceites que contienen asfalto y betún, los lubricantes para engranajes abiertos de tipo asfáltico atraen polvo, suciedad y otros contaminantes, que pueden convertirse en partículas de desgaste abrasivas durante la acción de contacto de los engranajes.

Grasas semifluidas y reducciones de solventes semifluidos (tipo pasta)

Las grasas semifluidas y las reducciones de solventes semifluidos se introdujeron por primera vez en Europa hace aproximadamente 50 años. Estos tipos de lubricantes para engranajes abiertos se utilizan y especifican ampliamente en Europa para engranajes abiertos de molinos primarios y en equipos fabricados en Europa. Este tipo de lubricante se aplica en pequeñas cantidades antes del contacto del engranaje en el lado cargado del diente.

Estos tipos de lubricantes para engranajes abiertos suelen contener un aceite base mineral de viscosidad media a alta, que puede contener algo de asfalto o betún. También pueden contener un aceite sintético, un agente gelificante o un sistema espesante como complejo de aluminio o complejo de litio, aditivos sólidos como disulfuro de molibdeno y grafito, inhibidores de oxidación y aditivos de extrema presión (EP).

Debido a que estos tipos de lubricantes contienen un sistema espesante, comúnmente se les conoce como lubricantes para engranajes abiertos tipo pasta. Su consistencia varía de un grado NLGI 0 a 1. Las versiones reducidas contienen un solvente volátil para mejorar la capacidad del producto para aplicarse con sistemas de aspersión y lubricación automática, especialmente cuando se encuentran bajas temperaturas.

Los lubricantes tipo pasta permiten que las superficies del engranaje y el piñón funcionen en condiciones límite de lubricación. Los aditivos EP tipo pasta y los sólidos como disulfuro de molibdeno, grafito, negro de acetileno y otros ingredientes trabajan juntos para lograr el resultado deseado de minimizar el desgaste de los engranajes en condiciones límite de lubricación. Cada ingrediente tiene un papel que desempeñar.

En primer lugar, el sistema espesante mantiene los aceites base en su lugar. En segundo lugar, los aditivos EP protegen el metal de los engranajes. En pocas palabras, evitan la soldadura de los engranajes. En tercer lugar, como el aceite base del producto no proporciona el espesor de película completo necesario para separar los engranajes incluso con superficies lisas, los lubricantes sólidos complementan al lubricante manteniendo una película sólida que separa las superficies de contacto de los engranajes.

Los lubricantes para engranajes abiertos tipo pasta, cuando se aplican a engranajes abiertos, producen una película de trabajo espesa, tenaz y semiseca que separa los engranajes durante el contacto. Esta película semiseca no se acumula en las raíces de los engranajes a menos que se aplique en exceso o se encuentre en condiciones de alta temperatura de funcionamiento. La formación de esta película semiseca permite el uso de lubricantes tipo pasta en ambientes moderadamente sucios y polvorientos sin formar compuestos abrasivos.

Los lubricantes tipo pasta se pueden formular para que sean de naturaleza tixotrópica (que se adelgacen por cizallamiento) o dilatantes (que se espesen por cizallamiento), según sea necesario para la aplicación mediante un cambio en la composición. Estas propiedades se pueden lograr mediante la cantidad de espesante utilizada en la formulación del lubricante o mediante el uso de solventes volátiles. Cuando se utilizan solventes, estos se evaporan después de la aplicación dejando una capa gruesa de grasa que se adhiere a las superficies de los dientes de los engranajes.

Estos tipos de lubricantes se pueden utilizar en la lubricación de engranajes abiertos de tipo 1 y 2. Se ha observado lo siguiente cuando se han utilizado lubricantes tipo pasta para engranajes abiertos:

Menos goteo y mejor limpieza debido a las buenas características de adherencia en superficies verticales.
Puede usarse como lubricante multipropósito en engranajes abiertos, rodamientos y bujes, lo que resulta en una lubricación simplificada, una reducción de inventarios y la eliminación de aplicaciones incorrectas de lubricante, que pueden resultar en tiempo de inactividad.
Forma una película lubricante flexible que es más fácil de limpiar de la superficie de los engranajes para inspecciones de mantenimiento, reparaciones y soldadura.
Las tasas de consumo de lubricante suelen ser de dos a tres veces más altas que las de otros lubricantes para engranajes abiertos debido a la tendencia de los lubricantes del tipo de pasta a que los aceites base se separen del sistema espesante cuando se encuentran condiciones de carga de choque elevadas o temperaturas de funcionamiento elevadas.

Grasas espesadas con gel/polímero

Los lubricantes para engranajes abiertos de tipo espesado con gel/polímero se introdujeron por primera vez en el mercado en la década de 1980. Estos tipos de lubricantes son similares a los lubricantes para engranajes abiertos tipo pasta porque contienen aceites base sintéticos o minerales de viscosidad media a alta que se espesan con un espesante polimérico, aditivos EP y lubricantes sólidos para mejorar el desempeño de su película delgada y de película límite.

Algunos productos que entran en esta clasificación contienen solventes volátiles para facilitar su aplicación. Estos tipos de lubricantes para engranajes abiertos suelen tener una consistencia NLGI 00 a 0 o una consistencia semifluida.

Los lubricantes espesados con gel/polímero son de naturaleza tixotrópica. La propiedad tixotrópica permite reducir la fricción al mínimo y ayuda a que se puedan aplicar mediante sistemas de aspersión intermitente estándar o en sistemas de inmersión por salpique o paletas.

Una vez aplicados a la superficie de los engranajes abiertos, los lubricantes espesados con gel/polímero forman una película espesa, tenaz, opaca y semitransparente sobre los engranajes que se puede observar durante las inspecciones cuando se utiliza una luz estroboscópica mientras el equipo está en funcionamiento.

Los lubricantes para engranajes abiertos espesados con gel/polímero no se acumularán en las zonas de la raíz del engranaje. La película lubricante no se romperá, especialmente durante condiciones de carga de alto impacto. Normalmente, la estabilidad de los lubricantes espesados con gel/polímero es buena, mientras que su estabilidad a largo plazo es excelente, porque los aceites base muestran poca o ninguna tendencia a separarse del gel.

Se puede reducir el mantenimiento del sistema de aspersión intermitente y aumentar la confiabilidad del sistema con el uso de estos lubricantes. Debido a sus características de bombeabilidad de buena a excelente, las bombas, los dispositivos dosificadores y los conductos del sistema de aspersión están sujetos a menos tensión.

Es menos probable que una boquilla rociadora se ensucie debido al secado del lubricante, lo que a menudo ocurre cuando se utilizan lubricantes de tipo asfáltico o lubricantes que contienen solventes. Cuando el rociado intermitente funciona correctamente, los lubricantes espesados con gel/polímero pueden proporcionar tasas de consumo reducidas por debajo de las pautas recomendadas por AGMA. Incluso con una tasa de aplicación reducida, estos tipos de lubricantes para engranajes abiertos pueden reducir la temperatura del piñón hasta en 15 ºC.

Los lubricantes de tipo espesado con gel/polímero se drenan y eliminan fácilmente de las protecciones de los engranajes y remueven los contaminantes de las superficies de desgaste de los engranajes. No permiten la adhesión de la contaminación con polvo o suciedad y no presentan problemas de limpieza distintos de los asociados con la aplicación excesiva del producto al engranaje.

Aceites sintéticos de alta viscosidad

Los aceites sintéticos de alta viscosidad aparecieron en el mercado a principios de los años 1990. Están formulados a partir de fluidos de base sintética de media a muy alta, como polialfaolefina (PAO) y poliol ésteres, o una combinación de ambos, y contienen aditivos EP e inhibidores de herrumbre y corrosión.

Algunos productos también pueden contener aditivos sólidos, como disulfuro de molibdeno, que se dispersa en el lubricante en una suspensión coloidal, o mejoradores del índice de viscosidad para mejorar las propiedades viscométricas de los aceites sintéticos.

Los fabricantes de engranajes han considerado tradicionalmente inaceptable el uso de mejoradores del índice de viscosidad. Aunque estos productos presentan viscosidades elevadas, existen preocupaciones cuando, en condiciones de cargas elevadas y cizallamiento, los mejoradores del índice de viscosidad pueden cizallarse. Esto da como resultado una pérdida permanente de viscosidad.

Varios tipos de fluidos de base sintética, como los PAO, tienen propiedades de tracción inherentemente bajas, lo que da como resultado una baja fricción del fluido en la zona de carga de los engranajes acoplados. Esta fricción reducida del fluido produce una temperatura de funcionamiento más baja del piñón y del engranaje y una mejor eficiencia del engranaje.

Estos tipos de lubricantes para engranajes abiertos cumplen con los requisitos de viscosidad AGMA 14R y 15R. Al igual que los compuestos para engranajes abiertos de tipo asfáltico, funcionan según el principio de una película de aceite que separa las superficies del engranaje y el piñón y se aplican de la misma manera que los lubricantes de tipo asfáltico.

En algunos casos, pueden ser necesarias modificaciones, incluido el aumento de la presión de operación de los sistemas de aspersión intermitente, para aplicar correctamente el lubricante debido a su alta viscosidad. Estos tipos de lubricantes para engranajes abiertos, cuando se aplican mediante sistemas intermitentes, deben utilizarse de acuerdo con las pautas que se encuentran en las normas ANSI/AGMA 9005-D94 y AGMA 9005-E02. Si se utilizan tasas de aplicación inferiores a las pautas de AGMA, pueden producirse mayores temperaturas de funcionamiento del piñón y rayado de los engranajes.

Se utilizan lubricantes sintéticos debido a la alta viscosidad que imparten estos productos. Esta viscosidad también mejora la adhesividad del producto. Sin embargo, la alta viscosidad de estos lubricantes no es necesaria para la lubricación adecuada y la minimización del desgaste de los engranajes abiertos. Estos lubricantes son aceptables para su uso en la lubricación de engranajes abiertos siempre que las velocidades de los engranajes y las temperaturas ambiente o de operación estén en niveles óptimos.

Se utilizan principalmente donde se encuentran altas temperaturas de funcionamiento debido a su inherente estabilidad térmica y oxidativa. A bajas temperaturas de funcionamiento, es posible que se necesiten calefactores y calentadores de tambores para obtener un patrón de aspersión adecuado. Aunque contienen fluidos base sintéticos, los aceites sintéticos de alta viscosidad tienen puntos de fluidez que oscilan entre -9 ºC y -20 ºC.

Los lubricantes sintéticos de alta viscosidad tienen un costo de compra inicial sustancialmente más alto que los lubricantes tradicionales para engranajes abiertos. Su justificación económica se afirma a través del consumo reducido de lubricante en los sistemas de pérdida total, la vida útil extendida en los sistemas de salpique, piñón de transferencia y circulación, y costos reducidos de disposición de lubricante.

Referencia

Nicholas Samman y Shek N. Lau. “Grease-based Open Gear Lubricant Multi-service Product Development and Evaluation”. Revista Lubrication Engineering, abril de 1999.