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Centro América y CaribeEn el pasado, los requerimientos para una aplicación específica podían ser satisfechos usando lubricantes multipropósito. La selección del lubricante se basaba típicamente en la experiencia y el conocimiento. Hoy día, este modo de selección no es viable debido a los actuales requerimientos de los diferentes ambientes que operan más rápido, más caliente y por más tiempo. Los lubricantes de hoy día deben satisfacer requerimientos extremos que son específicos para cada equipo en particular Tribología – estudio de la fricción, la lubricación y el desgaste – ha llegado a ser la base para la selección de los lubricantes. Los requerimientos de lubricación para una determinada aplicación pueden ser identificados si examinamos el efecto de los parámetros del sistema tribológico sobre la química de los lubricantes.
Figura 1. Mínima viscosidad permitida para la lubricación de un rodamiento a la temperatura de operación
Sistema Tribológico
Antes de poder seleccionar el lubricante apropiado, se debe identificar el sistema tribológico. Este sistema incluye tipo de movimiento, velocidad, temperatura, carga y ambiente de operación.
Una vez que estos parámetros son identificados, el ingeniero de lubricación (o Triboingeniero) puede utilizar diferentes químicas de lubricantes para seleccionar el producto que optimizará el desempeño en dicha aplicación. Debido a que cada química tiene sus ventajas y desventajas, es importante seleccionar las más apropiada para cumplir con los parámetros del sistema tribológico.
Además, el ingeniero de lubricación debe analizar la aplicación basado en el sistema tribológico identificado. El análisis incluye elementos tales como factores de velocidad, lubricación eleastohidrodinámica, cálculo de la vida de los rodamientos, lubricación de extrema presión, lubricación de emergencia y varios requerimientos especiales de los equipos.
Tipo de Movimiento
El primer parámetro del sistema tribológico involucra el tipo de movimiento. El movimiento puede ser deslizante, el cual requiere de la teoría de la lubricación hidrodinámica para su análisis, o por rodadura, en cuyo caso se debe aplicar la teoría de la lubricación EHD para su análisis.
En ciertos rodamientos de rodillos cónicos se puede presentar una combinación de rodamiento y deslizamiento como una forma de movimiento. El deslizamiento puede ocurrir en el área del alojamiento, mientras que en la superficie de la pista ocurre el rodamiento de los rodillos. La protección del lubricante para estos tipos de movimientos puede ser optimizada con químicas específicas. Algunas químicas pueden ser efectivas en contactos deslizantes pero no desempeñarse tan bien en contactos de rodadura.
Figure 2. Valore de k
Velocidad
La velocidad es el segundo parámetro del sistema tribológico. La velocidad de los elementos rodantes de un rodamiento se puede dividir en los siguientes rangos: alta, moderada y baja. Los rangos específicos para cada categoría de velocidad pueden ser determinados utilizando el factor de velocidad, como se define en la ecuación 1:
Ecuación 1
La curva de Stribeck es una gráfica que muestra la relación entre el coeficiente de fricción y el número adimensional hη/P, donde h, es la viscosidad dinámica, η la velocidad y P la carga por unidad de área proyectada. De acuerdo a esta curva, hay una velocidad óptimapara el contacto lubricado. Conociendo la velocidad del contacto, se puede seleccionar un lubricante con los óptimos atributos físicos para minimizar la fricción.
Temperatura
El tercer parámetro tribológico es la temperatura. Todos los lubricantes tienen un rango de temperatura específica para un óptimo desempeño. Muchos lubricantes tienen un amplio rango de temperatura de operación; sin embargo, algunos son más apropiados para bajas temperaturas. Por ejemplo, existen algunas grasas a base de hidrocarburos sintéticos y espesante de complejo de bario que pueden operar a temperaturas tan bajas con – 60°C.
Otros lubricantes están diseñados para aplicaciones a altas temperaturas, como por ejemplo una grasa formulada con un aceite base tipo éter alifático perfluorinado y un espesante de politetrafluoretileno (PTFE) que puede lubricar por más de 15 000 horas los rodamientos de la cadena de un horno que opera a 220°C. Conocer la temperatura del sistema tribológico le permite al ingeniero seleccionar un lubricante que pueda proveer un óptimo desempeño y vida operacional a la temperatura de operación.
Figura 3. Coeficiente Presión‐Viscosidad para 5 lubricantes en un rango de presión de 0 a
2 000 bar
Carga
La carga, el cuarto parámetro, es un factor importante que afecta los requerimientos de lubricación. Una carga ligera puede indicar que la aplicación es sensible al par de fricción, y de ahí que el lubricante tenga que ser seleccionado para minimizar la fricción del fluido y al mismo tiempo proveer suficiente protección para evitar la fricción generada por el contacto metal‐metal. Por otro lado, una aplicación de alta carga, puede requerir aditivos específicos para ayudar a proteger contra el picado, rayado y la extrema presión.
Ambiente operacional
El último parámetro de un sistema tribológico es el ambiente operacional del equipo. Si el ambiente incluye humedad o agua, el lubricante debe tener buenas propiedades anticorrosivas así como resistencia al lavado o contaminación con agua. Si el equipo opera en vacio total o parcial, la presión atmosférica del equipo debe estar entre los límites de operación del lubricante y por encima de su presión de vapor a la temperatura de operación.
Si el equipo está en un ambiente en presencia de vapores o líquidos químicos, el lubricante seleccionado debe ser resistente a duchos químicos. Aún en un ambiente ideal, tal como un cuarto de computación o un cuarto limpio de procesos, puede haber requerimientos específicos de lubricantes que reduzcan el ruido en los elementos rodantes o en los rodamientos de los instrumentos.
Teorías para el análisis Tribológico
Los cinco parámetros del sistema tribológico deben ser tomados en consideración y analizados para poder seleccionar el mejor lubricante para el equipo. Sin embargo, la información obtenida al definir los parámetros del sistema tribológico también suministra datos para técnicas analíticas más profundas.
Teoría de la Lubricación EHD
Un tipo de análisis muy importante involucra la teoría de la lubricación de los elementos rodantes de un rodamiento. La teoría de la lubricación eleastohidrodinámica, algunas veces referida como EHL, es usada para identificar el espesor de la película lubricante en los contactos rodantes. Un elemento rodante y una pista pueden ilustrar los factores que afectan el espesor mínimo de película, h0, en el área del contacto rodante. Asumiendo que ambas superficies son perfectamente lisas, podemos definir el espesor mínimo de película, h0 en una situación de contacto rodante de acuerdo a la ecuación 2, la cual es la base de la teoría de la lubricación EHD:
Ecuación 2
Los ingenieros de lubricación utilizan la teoría de la lubricación EHD para seleccionar la correcta viscosidad del aceite. Cada una de las variables de la ecuación 2 tiene su impacto en la estimación del espesor de la película. La mayoría de estas variables están bajo el control del diseñador del equipo y las demás bajo el control de ingeniero de lubricación. Uno de los mayores intereses de los ingenieros de lubricación es ver como un cambio en una variable específica puede afectar la magnitud del espesor de película. Otra variable relacionada con el lubricante en la ecuación 2 es la viscosidad dinámica, η. La viscosidad dinámica puede relacionarse directamente con la viscosidad cinemática, y si esta es multiplicada por dos, puede incrementar el espesor de película en un 62 porciento. Adicionalmente, multiplicando por dos la velocidad del rodamiento, el espesor de película puede incrementarse otra vez en un 62 porciento. El ingeniero de lubricación no tiene el control sobre la velocidad del equipo, pero si conoce la importancia que tiene el efecto de la velocidad sobre el espesor de película en la selección del lubricante, cuando el equipo tiene la capacidad a operar a velocidad variable. Las variables adicionales tienen un menor impacto en el espesor de película del lubricante.
Figura 4. Espesor de Película y Par de Fricción para Aceite Base y Cinco Grasas en
Función de la Velocidad del rodamiento
Mientras que la información de la ecuación 2 es importante como criterio de selección del lubricante, el espesor de película EHD no se usa directamente en la realidad porque, las superficies no son perfectamente lisas. En lugar del espesor mínimo de película, el ingeniero de lubricación trabaja con el espesor específico de película, λ, definido como la relación entre el promedio o media del espesor de película EHD, h0, y el promedio de la rugosidad de la superficie de los contactos rodantes, σ, ecuación 3.
Ecuación 3
De la ecuación 3, es claro que si el espesor específico de la película está cercano a 0, habrá un incremento dramático en el contacto metal‐metal en el punto de fricción. Este incremento del contacto metal‐metal producirá un desgaste inaceptable. Cuando λ=1, el rodamiento solo tendrá parcialmente separada las asperezas del metal y aún continuará ocurriendo algún contacto metal‐metal.
Es en este punto donde ocurre la transición de película límite a película mixta. A medida que el espesor específico de película se incrementa por encima de 1 hasta llegar a valores de 3, habrá una disminución del contacto metal‐metal con la consecuente disminución del desgaste. Cuando λ=3 ó 4 ó mayor, existe una separación total de las superficies (picos), lo que indica una lubricación a película gruesa (fluida) con ausencia de desgaste.
Valores de Lambda superiores a 4 son posibles y en algunos casos deseables, particularmente donde están presentes variaciones de la velocidad y cargas de choque. Sin embargo si λ se incrementa por encima de 4, la fricción interna del fluido se incrementará y generará un excesivo calor y alto consumo de energía dependiendo de la velocidad relativa del rodamiento y de la viscosidad del aceite.
Viscosidad Requerida
Investigadores respaldados por los fabricantes de rodamientos han hecho posible calcular la mínima viscosidad requerida del lubricante V1 para obtener la separación de las superficies en movimiento. La grafica de la Figura 1 puede ser usada para determinar el valor de V1 a partir del diámetro medio del rodamiento, dm, y la velocidad de operación, η.
Por ejemplo, entrando en la parte inferior de la gráfica con el diámetro promedio del rodamiento (100mm), subimos verticalmente hasta encontrar la velocidad del rodamiento (2 000 rpm). Dibujando una línea hacia la izquierda encontramos la viscosidad requerida (10mm2/s) para obtener λ=1 en esta aplicación específica a una determinada temperatura de operación.
Conociendo la mínima viscosidad requerida, V1, a la temperatura de operación, el ingeniero de lubricación puede entonces seleccionar el lubricante apropiado basado en la viscosidad específica, k, la cual está definida por la relación entre la viscosidad actual, V, del lubricante seleccionado y la viscosidad mínima requerida, V1. Con esta información, el ingeniero intentará seleccionar un lubricante para cumplir con el régimen de lubricación a película gruesa (fluida) requerido por el equipo. Si esto no es posible, la siguiente opción más próxima es seleccionar un lubricante que brinde la mejor protección a la maquinaria.
La figura 2 nos muestra como k relaciona tanto la selección del lubricante como la vida esperada del rodamiento. A valores de k menores que 1, es generalmente aceptado el uso de aditivos EP para minimizar el efecto de la lubricación a película límite. A medida que k se acerca a 1, la expectativa de vida se acerca a la tasa de vida esperada L del rodamiento de acuerdo a norma DIN ISO 281. A valores de k por encima de 1, es un hecho posible exceder el valor de L del rodamiento, quizás hasta más de 2.5 veces.
A medida que k se acerca a 4, la vida del rodamiento alcanza el máximo (si todo lo demás se mantiene igual) mientras que a valores de k por encima de 4 puede causar incrementos en la fricción fluida, en la viscosidad, deslizamiento de las bolas y otros efectos indeseables. Es generalmente aceptado que valores de ê en el rango de 1 a 2.5 son óptimos para la mayoría de los rodamientos.
Si el equipo tiene que ser operado en el régimen de lubricación límite, entonces se debe utilizar aditivos que brinden una protección adecuada en los puntos de contacto del metal. Si el equipo es operado en un régimen que se acerca al de la lubricación a película gruesa (fluida), estos aditivos de extrema presión EP, deben ser eliminados del lubricante.
Aspectos a considerar
La teoría de la lubricación EHD es una herramienta de mucho valor para guiar al ingeniero de lubricación a seleccionar el lubricante apropiado. Si el ingeniero de lubricación utiliza la viscosidad específica como parte del criterio de selección, las suposiciones usadas en el análisis deben ser tomadas en consideración, al igual que las variables controlables. Dos puntos específicos deberían ser considerados:
1. El cálculo del espesor de película (h0), espesor específico de película (λ), y la gráfica usada para determinar la viscosidad requerida, V1, está basado en el coeficiente presión‐viscosidad (α) del aceite mineral. La figura 3 muestra los coeficientes de presión‐viscosidad de un aceite mineral y de otros cuatro aceites en una rango de presión de 0 a 2 000 bar.
2. El aceite está considerado como el único componente que lubrica en un lubricante. En una grasa, se cree que el espesante no contribuye con el espesor de la película lubricante. Sin embargo, el espesante puede tener un efecto significativo en el espesor de la película.
En la figura 4 se presentan investigaciones documentadas que muestran el efecto del espesante de la grasa sobre el espesor actual de la película. La parte superior muestra que una grasa espesada con arcilla reduciría el espesor de la película hasta casi un 50 por ciento del espesor de película suministrada por la base lubricante sola. Una grasa espesada con un jabón complejo de bario tiene el efecto contrario de incrementar al doble el espesor de película en comparación con la base lubricantes sola.
Sin embargo, como se muestra en la parte inferior de la figura 4, la ventaja de incrementar la capacidad de soporte de carga viene con la desventaja del par de fricción. Mientras que la grasa espesada con arcilla reduce el espesor de película, esta tiene el beneficio de reducir el par de fricción en el rodamiento. El efecto contrario es observado en la grasa espesada con el jabón complejo de barrio.
El factor de velocidad y el diseño de rodamiento
La velocidad es otro parámetro del sistema tribológico que requiere de un análisis detallado. El cálculo del factor de velocidad para un rodamiento, el cual está definido como el producto de la velocidad del rodamiento (η) multiplicado por el diámetro medio (dm), no es consistente para todos los rodamiento con el mismo tamaño y velocidad. El ingeniero de lubricación debe aplicar algunas correcciones al factor de velocidad calculado, que dependerá del tipo de rodamiento.
Criterio para seleccionar un Lubricante
Sistema Tribológico
El análisis del sistema tribológico par un determinado equipo es esencial para la selección del lubricante apropiado.
El rango de temperatura de operación
• El factor de velocidad (ndm)
• Lubricación Hidrodinámica
• Lubricación Elastohidrodinámica
• Extrema presión
• Lubricación de emergencia
• Rozamiento
Requerimientos especiales
Muchos equipos tienen requerimientos especiales que van más allá del sistema tribológico y que deben ser tomadas en consideración. Algunos equipos están limitados a usar aceite, mientras que otros requieren grasa. Aplicaciones que requieren el uso de cojinetes sinterizados o con arreglos especiales en los sellos requieren de análisis adicionales. La compatibilidad de los materiales es otro aspecto de relativa importancia.
Otros Requerimientos
la selección del lubricante también puede verse afectada por una variedad de requisitos especiales:
• Vida del equipo
• Equipos de lubricación
• Intervalos de relubricación adecuados
• Costo
• Certificaciones especiales como el registro en el NSF
• Biodegradabilidad
Resumen
Los lubricantes multipropósito no pueden suministrar un servicio satisfactorio en los ambientes actuales de operación. El desempeño del lubricante debe ser optimizado para cumplir con las demandas de la industria moderna.
El primer paso para seleccionar el mejor lubricante para un equipo determinado es definir el sistema tribológico. Con un sistema tribológico completamente identificado en sitio, el siguiente paso es el análisis teórico. Seleccionar un lubricante basado en un análisis de lubricación EHD o en análisis de otros parámetros discretos en inapropiado, porque tales análisis están focalizados en un subconjunto del sistema tribológico.
A cerca del autor
Dennis Lauer es vicepresidente de Diseño de Kluber Lubrication North America LP.
Noria Corporation. Traducido por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.