Ocho mecanismos de falla de lubricación en rodamientos

Sep. 27, 2019

Autor: Comunicación Noria

Última actualización: 04/08/24

Los rodamientos son algunos de los componentes mecánicos más utilizados que requieren un lubricante. Su aplicación es muy amplia, abarcando desde pequeños rodamientos de soporte no críticos hasta grandes y críticos rodamientos principales de turbinas eólicas.

En general, los rodamientos tienden a fallar mucho antes de alcanzar su vida útil de diseño. Esto se debe a que los factores ambientales y operativos no se controlan ni se tienen en cuenta cuando se selecciona el lubricante. En este artículo, me referiré a los rodamientos de elementos rodantes simplemente como rodamientos. Sin embargo, esto no necesariamente aborda el tema en lo que se refiere a los cojinetes planos.

Independientemente de si un rodamiento alcanza su vida útil de diseño, el objetivo a alcanzar en la vida de sus rodamientos debe estar basado en el estado óptimo de referencia (ORS, por sus siglas en inglés). Cuando se considera la aplicación de un rodamiento y sus objetivos de confiabilidad asociados, se debe implementar una determinada estrategia de mantenimiento para ayudar a lograr un retorno de inversión optimizado.

Por ejemplo, si la falla del rodamiento no conduce a un tiempo de inactividad inmediato y los costos de las acciones correctivas son insignificantes en comparación con el uso de mantenimiento regular preventivo y proactivo durante la vida útil del rodamiento, entonces el ORS podría ser aplicar una estrategia de operar hasta la falla.

42%

de los profesionales de la lubricación dicen que la contaminación es la causa más común de fallas en los rodamientos en su planta, según una encuesta reciente en MachineryLubrication.com

No es raro que los rodamientos pequeños (con bajos factores de velocidad) se mantengan sellados sin relubricación y requieran de muy poco mantenimiento. Sin embargo, en la mayoría de los casos se recomendará un programa de relubricación cuidadosamente seleccionado y una estrategia de mantenimiento que sea más integral que simplemente aplicar mantenimiento reactivo, dependiendo del estado óptimo de referencia.

Al realizar un análisis de modos de fallas y efectos (FMEA, por sus siglas en inglés) en un rodamiento, se debe hacer una serie de preguntas. Entre ellas están las siguientes:

  • ¿A qué tipo de aplicación está sometido el rodamiento?
  • ¿Qué función realiza la aplicación para los objetivos de la organización? (¿Qué tan crítica es la máquina en donde opera el rodamiento?)
  • ¿Cuáles son los posibles modos de falla? (¿De qué maneras puede fallar la máquina?)
  • ¿Cuáles son los efectos de los modos de falla? (¿Cuál es la consecuencia de la falla en las operaciones?)
  • ¿Cuál es la gravedad de cada uno de estos efectos? (¿Cuál es el impacto relativo de estos modos de falla en las operaciones?)
  • ¿Cuáles son los mecanismos de falla para cada modo de falla? (¿Cuál es la causa subyacente?)
  • ¿Qué tan probable es que exista el mecanismo de falla? (¿Cuál es la probabilidad del mecanismo de falla?)
  • ¿Qué mecanismos de detección de fallas se implementan? (¿Qué métodos hay para predecir la falla?)
  • ¿Qué tan efectivo es el mecanismo de detección? (¿Cuál es la probabilidad de detectar la falla en etapa temprana?)

Con las respuestas a estas preguntas, se puede calcular un número de riesgo/prioridad y determinar las recomendaciones para la mejor estrategia de mantenimiento.

Este artículo destaca los mecanismos de falla más comunes para un rodamiento como resultado de la lubricación (o falta de esta). Al analizar estos mecanismos de falla, se puede efectuar un FMEA de lubricación.

Con este enfoque, se hacen preguntas similares a las del FMEA de la máquina que se discutió anteriormente, pero en este caso se identifican las causas fundamentales de la falla del lubricante y cómo pueden resultar en una falta de lubricación a la máquina.

En su libro, Machinery Failure Analysis and Troubleshooting Vol. 2, Heinz Bloch afirma: “Los problemas de rodamientos relacionados con la lubricación, de acuerdo con nuestra experiencia, son causados con mayor frecuencia por falta de lubricación o contaminación del lubricante”. Esta información no es nueva y ha sido reiterada por los fabricantes de los rodamientos y usuarios finales a través de innumerables análisis de causa raíz de falla (FRCA, por sus siglas en inglés). Pero ¿por qué?

Tenga en cuenta que los elementos rodantes en los rodamientos trabajan sobre una delgada película de lubricante (a menudo menos de 1 micrón), en la superficie de contacto entre los elementos rodantes y la pista del rodamiento. Con áreas de contacto tan pequeñas, la presión ejercida sobre las superficies puede exceder las 500,000 libras por pulgada cuadrada (psi, por sus siglas en inglés).

Si algo del lubricante es desplazado por un contaminante extraño, como tierra o agua, en estas zonas de carga críticas, en algún momento el rodamiento experimentará un mayor desgaste. Si el desgaste es excesivo, la vida útil del rodamiento se reducirá significativamente. El resultado es una falla del rodamiento inducida por contaminación.

Pero incluso cuando se minimiza la contaminación, si el lubricante seleccionado para la aplicación no cumple con los requisitos ambientales y de operación, se producirá una falla de rodamiento inducida por el lubricante.

Por lo tanto, ya sea una contaminación excesiva o un lubricante aplicado incorrectamente, es importante comprender las causas fundamentales que pueden contribuir a los mecanismos de falla de lubricación junto con las razones más comunes por las cuales los rodamientos llegan prematuramente al final de su vida útil. Los siguientes son los ocho principales mecanismos de falla de lubricación para rodamientos:

1. Lubricante inadecuado

Primero, debe elegir el lubricante correcto para la aplicación. Propiedades fundamentales, como la viscosidad, el paquete de aditivos y la consistencia (para la grasa), deben seleccionarse cuidadosamente en función del tipo de rodamiento, el factor de velocidad y las condiciones de operación.

Si estos factores no se analizan a profundidad y se aplica un lubricante inadecuado, el lubricante puede estresarse excesivamente o ser insuficiente para cubrir las necesidades de lubricación de la máquina. Cualquiera que sea la situación, el rodamiento probablemente sufrirá un desgaste y falla prematura. Lea el artículo Selección del lubricante correcto para rodamientos para obtener más detalles.

2. Falta de lubricante

Para aplicaciones de rodamientos lubricados por grasa, se deben establecer el volumen y la frecuencia de engrase correcta para garantizar que las zonas de carga de los rodamientos estén lubricadas adecuadamente. Demasiado tiempo entre los intervalos de engrase o la aplicación de muy poca grasa causará condiciones excesivas de lubricación límite y desgaste de los rodamientos. Eche un vistazo al artículo Los peligros ocultos de la falta de lubricante.

Este tipo de mecanismo de falla también tiende a desencadenar una reacción en cadena de otros mecanismos de falla, como condiciones de operación en caliente y generación de partículas de desgaste, perpetuando el modo de falla. Incluso en rodamientos lubricados por aceite, el monitoreo rutinario del nivel de aceite puede significar la diferencia entre una lubricación óptima y la falta de lubricación.

3. Exceso de lubricante

Más grasa no siempre es mejor. Cuando se agrega demasiada grasa a un rodamiento en aplicaciones de velocidad media a alta, la temperatura aumentará debido al batido y la máquina debe trabajar más para vencer la fricción del fluido. A medida que la temperatura aumenta por el volumen excesivo de grasa, la viscosidad disminuirá y se producirán otros efectos adversos.

4. Condiciones de operación en caliente

Un rodamiento que funciona a una temperatura superior a la esperada puede ser una causa raíz o un síntoma. Si el rodamiento está expuesto a un entorno externo que es excepcionalmente caliente, esto indicaría una causa raíz.

Si el aumento de temperatura se debe a una condición interna, entonces este sería un síntoma con posibles causas raíz como exceso de lubricante, falta de lubricante o desalineación. Independientemente de la fuente de las condiciones de operación en caliente, el calor conducirá a una mayor oxidación del lubricante, degradación térmica, agotamiento de aditivos, cambios de viscosidad y otros modos de falla. Si el origen de las elevadas temperaturas es mecánico, puede identificarse como parte del proceso FMEA.

5. Contaminación sólida

Los contaminantes sólidos pueden ingresar a un sistema de varias maneras, por ejemplo, por medio del lubricante nuevo, ingeridos desde un puerto o escotilla en el espacio superior, a través de sellos dañados, etc. Los tipos de contaminantes sólidos pueden variar según la fuente, pero el polvo/suciedad en el aire típicamente consistirá principalmente de silicio y aluminio.

La contaminación excesiva provocará fallas de lubricación, ya que el lubricante probablemente no será capaz de vencer los diversos modos de desgaste, como la abrasión de tres cuerpos. Además, si los contaminantes son catalizadores metálicos, pueden contribuir a la degradación del lubricante en forma de oxidación, particularmente cuando se combina con agua, temperaturas elevadas y aire. Lea el artículo “Cómo los contaminantes influyen en la vida de un rodamiento”.

6. Contaminación con humedad

De manera similar a los contaminantes sólidos, la humedad puede ingresar a un sistema de muchas maneras diferentes, por ejemplo, a través de los respiraderos y escotillas en el espacio superior, por los sellos o en el aceite nuevo. Cuando el espacio superior está húmedo, los ciclos térmicos pueden hacer que la humedad escape del aire, se condense en las superficies y llegue al aceite por gravedad. Puede existir humedad en un lubricante como agua disuelta, emulsionada o libre. El agua emulsionada es la que tiene el potencial más destructivo en el aceite.

El agua no es un buen lubricante, por lo que cuando desplaza al aceite en las zonas de carga de un rodamiento, el agua colapsa, produciendo una falla de lubricación y desgaste mecánico. El agua también contribuye a la oxidación e hidrólisis, y el lubricante sufre degradación química permanente y agotamiento de aditivos. Esto puede conducir a una falla de lubricación al cambiar la viscosidad del lubricante, eliminar la funcionalidad de los aditivos y formar otros contaminantes, insolubles y ácidos. Por supuesto, cuando se considera la máquina, el agua es la principal causa de herrumbre.

7. Mezcla de lubricantes

Rellenar (si es aceite) o engrasar (si es grasa) un rodamiento con el lubricante incorrecto puede cambiar drásticamente las propiedades físicas y químicas de la mezcla de lubricante resultante. No solo factores como la viscosidad incorrecta pueden afectar la lubricación, sino que los aditivos también pueden reaccionar negativamente entre sí, impidiendo su funcionalidad. Lea Los riesgos de mezclar grasas para más información sobre esto.

8. Otros contaminantes

Dependiendo del tipo de máquina, los rodamientos pueden quedar expuestos a otros químicos del proceso, fuga de gases de la combustión, glicol, etc. De acuerdo con el tipo de contaminante, el lubricante puede cambiar química o físicamente, resultando en una falla de lubricación.

En conclusión, independientemente de si tiene un mecanismo de falla inducido por lubricante o contaminación, el resultado conducirá a modos de falla de lubricación o contribuirá directamente a los modos de falla mecánica del rodamiento. Cuando se combinan múltiples mecanismos de falla, existe un mayor potencial para una falla de lubricante.

Un FMEA efectuado sobre una máquina con una falla de rodamiento con frecuencia puede revelar firmas de desgaste mecánico que indican si la falla estuvo relacionada con el lubricante, aunque a menudo el daño durante las etapas finales de una falla catastrófica destruirá o eclipsará la evidencia de la verdadera causa raíz de la falla.

En estos casos, generalmente es mejor realizar un análisis de lubricante (ya sea grasa o aceite) para detectar indicios de la causa raíz, como un lubricante degradado térmicamente, niveles anormales de contaminantes, cambios en la viscosidad, etc.

Al desarrollar una conclusión, también ayuda incluir registros disponibles de mantenimiento o datos de monitoreo de condición, tales como análisis de vibración, termografía o registros de mantenimiento de lubricación e inspecciones.

Nuevamente, el hecho de que haya ocurrido una falla de lubricación no significa necesariamente que haya habido escasez de lubricante. Muchas fallas están asociadas con un exceso, como viscosidad o cantidad de lubricante. Además, si un contaminante está tomando el lugar del lubricante o interrumpe la función del lubricante, el contaminante será la causa principal de la falla de lubricación. 

Referencias

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