domingo, 29 de mayo de 2022

FUNDAMENOS DE LUBRICACIÓN DE ACEITE PARA ENGRANES Y RODAMIENTOS II

SELECCIÓN DEL ACEITE LUBRICANTE


 Por: Eduardo Niño de Rivera

                                                                                                                             

 INTRODUCCIÓN.

El aceite lubricante reduce la fricción entre superficies que se deslizan entre sí, conduce fuera de la zona el calor que genera este deslizamiento y protege a las superficies metálicas contra el desgaste abrasivo y la corrosión. Para poder realizar estas funciones, el lubricante debe tener la viscosidad adecuada, debe fluir en suficiente volumen y por una trayectoria apropiada, debe estar limpio, y su composición química debe ser acorde a las condiciones de trabajo [1]. Todas estas propiedades deben tomarse en cuenta en la selección del lubricante para un reductor de velocidad. Generalmente, la placa y el manual de mantenimiento del reductor de velocidad indican el grado de lubricante que debe emplearse, pero es el usuario quien determina qué composición química del aceite es más conveniente para la aplicación, las condiciones de operación y el medio ambiente.

 Normalmente, el aceite que hay en la caja lubrica tanto los engranes como los rodamientos, y en algunas ocasiones, también lubrica los cojinetes del accionamiento, ya sea un motor o una turbina, y/o de la máquina conducida. El aceite debe cumplir con los requerimientos mínimos de cada uno de los componentes que ha de lubricar, condición que pocas veces permite seleccionar el lubricante óptimo para ninguno de estos componentes.

  

ESPECIFICACIONES DEL ACEITE LUBRICANTE

Las especificaciones que deben considerarse al seleccionar un aceite lubricante son:

·         Su viscosidad

·         El volumen y trayectoria del flujo

·         Su composición química.

 

VISCOSIDAD

La viscosidad mide la facilidad con la que fluye el aceite, a medida que la viscosidad disminuye, hay menor resistencia al movimiento. Al seleccionar un aceite lubricante, su viscosidad es la propiedad más importante a considerar. La viscosidad óptima es la menor requerida para que se forme una película suficientemente gruesa para que haya separación total entre las superficies [1], una viscosidad menor permitiría el contacto directo entre las superficies metálicas y una viscosidad mayor exigiría trabajo adicional por parte del accionamiento.

 



El grosor de la película de aceite es función de la carga, la velocidad de deslizamiento y la viscosidad del aceite


El grado ISO VG (Viscosity Grade) de un aceite representa su viscosidad cinemática en cSt a 40°C [10]. Es común que la placa de datos y el manual de mantenimiento recomienden el grado del aceite lubricante para un reductor de velocidad, pero éstos trabajan a temperaturas diferentes a los 40°C. Por lo general, los aceites fluyen con más facilidad, es decir, tienen menor viscosidad, a temperaturas más elevadas. El índice de viscosidad (IV) indica qué tanto cambia la viscosidad al cambiar la temperatura. Un mayor IV significa que la viscosidad es más estable ante cambios en la temperatura [3]. Pero, en última instancia, corresponde al usuario del reductor de velocidad especificar una composición química del aceite que satisfaga los requerimientos para las condiciones de reales de operación.



Dependiendo del tipo de petróleo crudo del que se derivan, los aceites minerales sin aditivos tienen un IV “natural”. Los aceites nafténicos tienen un bajo IV, algunas veces cercano a 0, mientras que los aceites parafínicos de alta calidad pueden alcanzar IV hasta 130, haciéndolos más aptos para reductores de velocidad que trabajan con amplia variación en la temperatura.

Comparado con los aceites minerales, los aceites sintéticos tienen un punto de fluidez más bajo, permitiendo operación a temperaturas más bajas, y un IV más elevado, ofreciendo mejor desempeño a temperaturas más elevadas. Sin embargo, se tiene que cambiar el aceite con más frecuencia (a menudo encontramos intervalos del orden de 2,500 horas), con costos asociados al reemplazo del aceite y a los tiempos de paro. También hay problemas de compatibilidad, que abordaremos más adelante, en la sección de composición química.

 

VOLUMEN Y TRAYECTORIA DEL FLUJO

Debe haber suficiente aceite dentro del entramado de los engranajes para mantener las superficies separadas. Esto puede lograrse mediante alguno de los siguientes métodos, que generalmente se diseñan como parte integral del sistema, pero que pueden requerir modificación una vez que el reductor de velocidad entra en operación:

·         Salpiqueo

·         Goteo

·         Rocío o Chorro

·         Lubricación forzada

·         Niebla

·         Mezcla aire-aceite

 

SALPIQUEO. Es el método de lubricación más simple y probablemente el más usado. Engranes y cojinetes giran parcialmente sumergidos en el aceite lubricante y lo llevan o lo salpican a las superficies que lo requieren. Se pueden agregar anillos para catapultar el aceite cuando el salpiqueo de los engranes y rodamientos no es suficiente para alcanzar todas las superficies en deslizamiento o rodaje. El aceite salpicado caerá directamente o encontrará el camino de regreso al depósito, y el movimiento de los componentes parcialmente sumergidos removerá el aceite del depósito, promoviendo la disipación de calor a través de las paredes de la caja. Este sistema es adecuado para aplicaciones de trabajo ligero a medio, pero puede no serlo para cargas o velocidades elevadas, que pueden requerir mayor cantidad de aceite para lubricar las superficies en deslizamiento y/o para disipar calor que se genera.




  LUBRICACIÓN POR GOTEO. Se puede salpicar, verter o bombear el aceite a un sistema de ductos que permiten que el aceite gotee sobre las superficies en deslizamiento o rodaje, dependiendo de las necesidades de lubricación, estos sistemas pueden o no requerir bombas, que normalmente se ubican dentro de la caja y son accionadas por el motor principal a través de un sistema de toma de fuerza mediante engranes. Para mayores requerimientos en volumen o disipación de calor, las bombas pueden estar fuera de la caja y pueden ser accionadas mediante tomas de fuerza o por motores eléctricos independientes.

 

LUBRICACIÓN MEDIANTE CHORRO DE ACEITE. Las bombas, el depósito de aceite y el sistema de enfriamiento, con intercambiadores de calor aire-aceite o agua-aceite, generalmente están fuera de la caja. Las bombas pueden ser accionadas mediante tomas de fuerza o por motores eléctricos independientes. Un sistema de ductos y tuberías permite que se lancen chorros de aceite a los componentes giratorios.

 




Cortesía de Artec Machine Systems

  

LUBRICACIÓN FORZADA. La película de lubricante entre las superficies de los cojinetes no se puede formar antes de que comience el movimiento. Para evitar que haya contacto directo entre las superficies metálicas al iniciar el movimiento, se puede inyectar aceite a presión para separarlas. Cuando la máquina alcanza su velocidad de operación, la película de aceite se forma automáticamente y, generalmente, ya no se requiere seguir inyectando el aceite a presión

 

NIEBLA DE ACEITE [4]. Haciendo pasar aire comprimido a través de un Venturi o un vórtice se extrae aceite de un depósito pequeño, formando una mezcla de pequeñas gotas de aceite suspendidas en el aire. Los componentes giratorios del reductor de velocidad entran en contacto con estas gotas, atrapando suficiente aceite para formar una película adecuada del lubricante. Las ventajas principales son:

·         No requiere cambios de aceite

·         Utiliza menos aceite

·         Hay un menor consumo de lubricante

·         Menor fricción y temperatura de operación

·         La presión de la niebla impide el ingreso de contaminantes

·         Menor desgaste con incremento en la vida útil de los componentes

·         Menor monto de inversión

 

El flujo debe ser laminar para evitar que, al chocar con las paredes de los ductos, las gotas de aceite dejen de formar parte de la niebla. La desventaja principal de este sistema es que la niebla a menudo se escapa del interior de la caja, dejando una nube desagradable y potencialmente peligrosa en los alrededores, especialmente si se lubrica mediante niebla a motores, máquinas o reductores de velocidad en proximidad.

 

MEZCLA AIRE-ACEITE. Se trata de un concepto similar a la niebla, una mezcla de aire con pequeñas gotas de aceite llega a las superficies que requieren lubricación. Sin embargo, avances tecnológicos en la dosificación del aceite que fluye en la mezcla, y en el suministro de la mezcla, permiten que al pasar entre los engranes y rodamientos, el aire salga prácticamente libre de aceite, eliminando la nube de aceite que dejan los sistemas tradicionales en el ambiente.

 

COMPOSICIÓN QUÍMICA

Como se mencionó en la sección de Viscosidad, hay diferencias en el índice de viscosidad entre los aceites nafténicos y los parafínicos, y los aceites sintéticos ofrecen varias ventajas. Sin embargo, se pueden agregar aditivos disueltos o suspendidos en el aceite para mejorar sus propiedades. Al elegir la composición exacta del aceite lubricante para una aplicación en particular, se debe tener en cuenta la saturación y compatibilidad de los aditivos en la mezcla [5]. Algunos aditivos comúnmente usados para lubricar engranes, rodamientos y cojinetes son:

  • Depresores del punto de fluidez, permiten que el aceite fluya a temperaturas más bajas
  • Antiespumantes, promueven la capacidad de lubricación y permiten mayor disipación de calor a través de las paredes de la caja
  • Antioxidantes, evitan el deterioro del aceite debido a la oxidación y reducen la adherencia de barniz en los dientes de los engranes
  • Inhibidores de corrosión, forman una película protectora (amarillo) que mantiene la humedad (negro) separada de las superficies metálicas, protegiéndolas de la corrección.
  • Detergentes, limpian las impurezas del aceite minimizando la tendencia de los contaminantes a aglutinarse en grumos que pueden formar un lodo que daña los componentes giratorios.
  • Agentes antidesgaste, impiden el contacto directo entre las superficies metálicas, reduciendo la pérdida de material.
  • Aditivos EP (extrema presión), forman una capa de sacrificio (negro) que reduce la fricción manteniendo separados lo picos de rugosidad de las superficies metálicas mientras se deslizan dentro del régimen de lubricación limítrofe [1]. No se requieren agentes antidesgaste ni aditivos EP cuando la película de aceite es suficientemente gruesa para mantener separadas las superficies metálicas (regímenes hidrodinámico y elasto-hidrodinámico). Los aceites con aditivos EP tienen una baja resistencia al corte, pero una alta temperatura de transición de solido a líquido.  

 Consideraciones importantes al seleccionar un aceite sintético:

·       Los dos tipos de aceites sintéticos, a base de polialfaolfinas (PAO) [6] y a base de glicol- polialcalino (PAG) [7], no son compatibles entre sí y nunca deben mezclarse. Todo el sistema debe ser minuciosamente drenado cuando se cambia el tipo de aceite sintético.

·       Los aceites PAO generalmente son compatibles con los aceites minerales, reduciendo el riesgo de insolubilidad al cambiar de aceite mineral a uno de base PAO.

·      Los reductores de velocidad se prueban en fábrica usando aceites minerales y se embarcan sin aceite, pero a las partes internas se les aplica un compuesto que las protege contra la corrosión. En caso de usar un lubricante tipo PAG, el sistema debe quedar completamente limpio antes de agregar el aceite lubricante.

 

La mayoría de los aditivos se desgastan al atrapar contaminantes o al adherirse a las superficies metálicas. Ya sea mineral o sintético, el aceite debe cambiarse periódicamente para recuperar los aditivos perdidos durante la operación normal del equipo.

 

CONCLUSIÓN.

La propiedad más importante del aceite lubricante es su viscosidad a temperatura de operación. Es común que los fabricantes de los reductores de velocidad especifiquen el grado del aceite que ofrecerá una viscosidad adecuada para las condiciones de operación, y el método de suministro del aceite es un componente integral del diseño del reductor de velocidad. Una vez que las opciones de selección del lubricante han sido acotadas por estos criterios, el usuario final deberá determinar, preferiblemente con ayuda de un experto en lubricación, el tipo de aceite, los aditivos que mejor se adapten a la aplicación y las prácticas de mantenimiento que promuevan el mayor rendimiento del aceite.

 

PRÓXIMOS ARTÍCULOS

La limpieza del aceite es crucial para que los engranes y rodamientos alcancen la vida útil de diseño. En el artículo anterior [1] vimos como las partículas sólidas suspendidas en el aceite pueden provocar desgaste abrasivo e incrustaciones en superficies en deslizamiento o rodaje. En los artículos venideros hablaremos de otros contaminantes, análisis de aceite y monitoreo de condición.

 

AGRADECIMIENTOS:

Este artículo está basado principalmente en la segunda parte, “Lubrication” del seminario “Gearbox Field Inspections” AGMA Gear Expo – 30 JUNIO 2016 presentado por Artec-machine Systems.

 

Bibliografía:

[1] http://componentesmecanicos.blogspot.com/2022/04/

[2] https://www.machinerylubrication.com/Read/926/gear-oils

[3] https://www.machinerylubrication.com/Read/28956/lubricant-viscosity-index

[4] https://www.machinerylubrication.com/Read/799/oil-mist-lubrication

[5] https://www.machinerylubrication.com/Read/31107/oil-lubricant-additives

[6] https://www.machinerylubrication.com/Read/31106/polyalphaolefin-pao-lubricants  

[7] https://www.machinerylubrication.com/Read/930/pag-synthetic-oil

[8] https://www.machinerylubrication.com/Read/1723/air-contamination

[9] https://www.machinerylubrication.com/Read/434/dissolved-water-oil-sensor

[10] https://www.machinerylubrication.com/Read/213/iso-viscosity-grades