Selección de una grasa para rodamientos de alta velocidad

La mayoría de las instalaciones industriales tienen rodamientos que giran más rápido que la maquinaria de proceso normal. Cuando se trata de lubricar este tipo de componentes, no todos los lubricantes se comportan igual. Para componentes lubricados por grasa, el efecto de la grasa en el rodamiento puede conducir a incremento de temperatura, resistencia o arrastre y, finalmente, a falla prematura. Mediante la selección de la grasa adecuada, capaz de resistir altas velocidades, se pueden minimizar fallas potenciales debidas a una incorrecta compatibilidad entre la aplicación y el lubricante.

Se puede prolongar la vida de los rodamientos si se escoge una grasa cuyas propiedades satisfagan la condición de los rodamientos.

Aplicaciones de alta velocidad

Durante mis frecuentes visitas a plantas, con regularidad me preguntan la temperatura a la que los rodamientos deberían de operar. Inevitablemente, los rodamientos que parecen más calientes son los que giran más rápidamente. Por ejemplo, en un viaje reciente, inspeccioné un ventilador sobrecalentado. Este ventilador era conducido por una transmisión por correas, en relación 1:1, con un motor eléctrico. La velocidad del motor estaba establecida en 1,750 revoluciones por minuto (rpm). Como no había reducción ni incremento en el tamaño de la polea, es seguro asumir que la velocidad de los rodamientos era muy similar. Estos rodamientos estaban lubricados con una grasa que era demasiado viscosa para ellos, lo que generaba exceso de calor y acortaba la vida de los rodamientos.

Aunque el ejemplo usa una máquina común en muchas plantas (ventiladores), es usual encontrar aplicaciones de alta velocidad en otros componentes. Por ejemplo, algunas bombas que están acopladas directamente a un motor y tienen rodamientos lubricados con grasa, pueden girar a más de 2,000 rpm. Lo mismo es cierto para algunos mezcladores, agitadores y sopladores. Estos componentes pueden sufrir si solamente se aplica una grasa multipropósito sin considerar las necesidades del rodamiento. Para entender lo que requiere el rodamiento en términos de lubricación, primero aprenda cómo determinar el factor de velocidad del rodamiento.

Cálculo del factor de velocidad

El factor de velocidad es un término que sirve para definir la relación entre la velocidad a la que rota un rodamiento y su tamaño. Existen dos métodos para calcular este factor. El primero se conoce como el valor DN y utiliza el diámetro interno del rodamiento multiplicado por la velocidad de rotación. El segundo método se conoce como valor NDm y usa el diámetro medio del rodamiento, también conocido como diámetro de paso, y la velocidad de rotación.

El factor de velocidad puede ayudar a determinar una gama de propiedades del lubricante, las cuales puede usar para seleccionar el adecuado. Entre dichas propiedades están la viscosidad del aceite base y el grado de consistencia NLGI para la aplicación.

Figura 1. Cálculo del factor de velocidad

Viscosidad

La propiedad física más importante de un lubricante es la viscosidad. La viscosidad determina qué tan gruesa o delgada es la película lubricante según la carga, velocidad y las superficies en contacto. Esto debe ser ajustado con las necesidades del rodamiento. La mayoría de las grasas de propósito general tienen aceites base con viscosidad de alrededor de 220 cSt a 40 °C. Si bien esta grasa puede trabajar adecuadamente con velocidades y cargas moderadas, cuando se incrementa la velocidad del rodamiento la viscosidad debe reducirse apropiadamente.

Hay muchas formas de calcular la viscosidad. Mediante el factor de velocidad, mencionado anteriormente, se pueden usar tablas estandarizadas para identificar la viscosidad adecuada para el rodamiento a la temperatura de operación. En el ejemplo anterior del rodamiento del ventilador, el valor NDm era de 293,125, lo que significaría que el aceite seleccionado debería tener aproximadamente 8 cSt a temperatura de operación (viscosidad mínima para un factor Kappa = 1). El rodamiento estaba operando a cerca de 65 °C (150 °F). Con un índice de viscosidad estándar de 95, esto equivale a utilizar un aceite base de viscosidad ISO 22. Si fuera a usar una grasa multipropósito estándar, este rodamiento tendría un lubricante de cerca de 10 veces la viscosidad mínima requerida. Aunque un poco de viscosidad extra no es necesariamente algo malo, este valor sería extremo.

Tabla 1. Selección del tipo de grasa y viscosidad del aceite base con base en el factor de velocidad

La viscosidad excesiva puede llevar a una mayor generación de calor y más consumo de energía. Ambas condiciones son en detrimento de la salud del rodamiento y del lubricante. Entre más caliente opere un rodamiento, más baja se vuelve la viscosidad de la grasa. Esto puede provocar pérdida acelerada de la grasa y la necesidad de aplicaciones más frecuentes de lubricante. La energía consumida puede acumularse en el tiempo, dando como resultado pérdidas económicas debidas a nada más que al arrastre por exceso de viscosidad.

Es común lubricar con grasa rodamientos con factores de velocidad de hasta 500,000. En estos casos es cuando se usan grasas de alta velocidad especialmente formuladas. Algunas grasas en el mercado se promocionan para trabajar con factores de velocidad de hasta 2 millones. Sin embargo, es preciso aclarar que no todas las grasas se fabrican igual y que no todas pueden desempeñarse de la misma manera en niveles distintos de velocidad.

Propiedades de canalización

Una propiedad de las grasas lubricantes que puede determinar cómo lubricará a altas velocidades se llama canalización. El término se usa para definir qué tan bien puede fluir una grasa y llenar un vacío en su superficie. El método 3456.2 del Federal Test Method Standard 791 (D), ofrece una manera de probar las características de canalización del lubricante. En esta prueba se coloca grasa en un contenedor y se nivela la superficie. Una vez que la temperatura se ha estabilizado, una tira de acero, conocida como herramienta de canalización, se jala a través de la grasa dejando un canal vacío. Luego de 10 segundos se verifica la grasa para ver si fluyó de regreso al canal o cubre el fondo del recipiente. Si la grasa fluyó de regreso al canal, se conoce como no-canalizable. Si la grasa no llenó el vacío, se etiqueta como grasa canalizable.

Las grasas canalizables son expulsadas más fácilmente del elemento cuando gira, lo que se convierte en menos batido y menor incremento de temperatura. Las grasas no canalizables fluyen de regreso a la pista y eso puede resultar en la generación excesiva de calor.

Tabla 2. Impacto de las condiciones de operación del rodamiento
en la selección de la viscosidad del aceite base

Tipo de espesante

Además de la viscosidad el aceite base, otra propiedad de la grasa que impacta sus características es el tipo de espesante. El espesante de una grasa puede equipararse con una esponja que retiene al aceite. La estructura de las fibras en el espesante puede afectar algunas propiedades de la grasa, por ejemplo, la canalización, sangrado, punto de goteo y consistencia. Algunos espesantes tienen fibras largas mientras que en otros son cortas. Los espesantes de fibra corta tendrán una textura más suave. Los espesantes complejos, así como aquellos de litio, calcio, poliurea y silicio, son de fibra corta. Las grasas formuladas con estos espesantes tienen, típicamente, mejores propiedades de canalización y son más fáciles de bombear.

Los espesantes de fibra larga, como los de sodio, aluminio y bario, tienden a tener peores propiedades de canalización. Las fibras largas también pueden ser sometidas a esfuerzos mecánicos de corte mediante procesos de batido, lo que puede resultar en cambios de consistencia. Además, como esas grasas frecuentemente vuelven al canal creado por el rodamiento, pueden generar más calor y exacerbar el proceso de esfuerzo de corte.

Grado NLGI

La viscosidad del aceite base y la concentración del espesante influyen en el grado NLGI de la grasa lubricante terminada. El número NLGI es una medida de la consistencia de la grasa. A mayor numero NLGI, más alta la consistencia. La escala tiene un rango de 000 (casi un fluido) a 6 (bloque sólido). En lo que se refiere a grasas para rodamientos de alta velocidad, el grado NLGI tiende a subir mientras que la viscosidad baja. Este balance es para asegurar que no haya un exceso de sangrado de aceite del espesante. Con base en el factor de velocidad del rodamiento y la temperatura de operación se pueden hacer conclusiones sólidas sobre el grado NLGI correcto de la grasa.

Tabla 3. Selección de la consistencia de la grasa
con base en el factor de velocidad y la temperatura de operación

Tipo de rodamiento

Los elementos rodantes en el rodamiento tienen diferentes formas. La forma del elemento impacta la viscosidad requerida, el grado NLGI y el intervalo de reengrase. Todo esto está relacionado con el área en contacto con la grasa entre el elemento rodante y la pista. A mayor área, más aceite se escurrirá fuera del espesante. También los rodamientos que tienen más contacto (esféricos, cilíndricos, agujas, rodillos cónicos, etc.) tienden a estar más cargados que los rodamientos de bolas. Esta carga añadida conduce a una tasa de separación más alta y a la necesidad de usar bases lubricantes de mayor viscosidad.

Tabla 4. Vida relativa de la grasa de acuerdo con el diseño del rodamiento

Punto de goteo

Quizá una de las consideraciones más importantes al seleccionar una grasa de alta velocidad es la temperatura de operación del rodamiento. Para asegurar que la grasa seleccionada funcionará en alta temperatura debería revisar el punto de goteo (ASTM D566 y D2265). Los resultados de estas pruebas pueden encontrarse en la mayoría de las hojas técnicas de las grasas. La prueba usa una pequeña copa con un agujero en el fondo y se aplica grasa en las paredes interiores. Se inserta un termómetro, pero este no toca la grasa. El aparato se calienta hasta que una sola gota de aceite se separa y gotea fuera de la copa. La temperatura a la que esto ocurre se llama punto de goteo de la grasa.

Un alto punto de goteo es importante para rodamientos operando en elevadas temperaturas. Sin embargo, solo porque una grasa tenga un alto punto de goteo, no significa que la base lubricante pueda soportar altas temperaturas. El punto de goteo no es igual a la temperatura máxima de uso; debe existir un margen de seguridad entre la máxima temperatura de servicio del rodamiento y el punto de goteo de la grasa.

Tabla 5. Temperaturas máximas de uso para grasa en función del punto de goteo

Problemas de incompatibilidad

Cuando se cambia de tipo de grasa es importante remover tanto como sea posible de la grasa anterior para minimizar cualquier incompatibilidad que pueda haber con la grasa nueva. Si es posible, desarme el rodamiento y limpie la mayor cantidad posible de grasa.

Importante

Aunque la mayoría de las aplicaciones estarán correctamente lubricadas con grasa de propósito general, aquellas en donde el valor NDm sea excesivamente alto requerirán que se asegure que la grasa será capaz de proteger al componente. Incluso si usted se adelanta y selecciona una grasa con base en todas las propiedades antes mencionadas, la única forma de saber realmente si la grasa se comportará de la manera esperada es mediante una prueba en campo. Monitoree la temperatura e inspeccione para buscar cualquier signo de fuga de aceite de la grasa por los sellos o las purgas de alivio.

Finalmente, asegúrese de hacer bien su tarea y calcular los valores NDm de sus rodamientos para seleccionar adecuadamente sus lubricantes. Con la atención debida y una correcta selección de lubricante, su equipo de alta velocidad gozará de una mayor vida en servicio.

Wes Cash, Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América