Diseño e implantación De Un Plan De Lubricación Para Máquinas y equipos



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Lubricación Elastohidrodinámica (EHL).
Este es un tipo de lubricación que desde su descubrimiento por los profesores británicos Dowson Duncan y Higginson Gordon en la década de los años 50’s marcó el verdadero comienzo a la solución de los problemas de desgaste en mecanismos que funcionaban sometidos a condiciones de altas cargas y bajas velocidades y que hasta entonces se manejaban como mecanismos lubricados por película límite ó fluida.  La lubricación EHL se presenta en mecanismos en los cuales las rugosidades de las superficies de fricción trabajan siempre entrelazadas y nunca llegan a separarse. En este caso las crestas permanentemente se están deformando elásticamente y el control del desgaste y el consumo de energía depende de la película adherida a las rugosidades.  Se podría denominar esta película como límite pero de unas características de soporte de carga y de resistencia al desgaste mucho más elevadas que las que forma la película límite propiamente dicha.  En la lubricación EHL la lubricación límite es permanente, ó sea que no hay mucha diferencia entre las condiciones de lubricación en el momento de la puesta en marcha del mecanismo y una vez que este alcanza la velocidad nominal de operación.

La definición de la lubricación Elastohidrodinámica se puede explicar así:  Elasto: elasticidad, ó sea que la cresta de la irregularidad en el momento de la interacción con la cresta de la otra superficie se deforma elásticamente sin llegar al punto de fluencia del material; Hidrodinámica, ya que una vez que ocurre la deformación elástica la película de aceite que queda atrapada entre las rugosidades forma una película hidrodinámica de un tamaño microscópico mucho menor que el que forma una película hidrodinámica propiamente dicha (figura 2.4). En la lubricación hidrodinámica el espesor de la película lubricante puede ser del orden de 5 mm en adelante, mientras que en la EHL de 1 mm ó menos.  Normalmente esta lubricación está asociada con superficies no concordantes y con la lubricación por película fluida.



FIGURA 2.4 ESQUEMA DE LUBRICACIÓN ELASTOHIDRODINÁMICA. (17)

      1. Lubricación Marginal

En la lubricación marginal los sólidos no están separados por el lubricante, los efectos de la película fluida son insignificantes y existe un contacto de las asperezas importante. El mecanismo de lubricación por contacto se rige por las propiedades físicas y químicas de las películas delgadas de superficie de proporciones moleculares. Las propiedades volumétricas del lubricante tienen menor importancia y el coeficiente de fricción es esencialmente independiente de la viscosidad del fluido. Las propiedades de los sólidos y la película del lubricante en las interfaces comunes determinan las características de la fricción.


El espesor de las películas de superficie varia entre 1 y 10 nm, dependiendo del tamaño molecular.
La figura 2.5 ilustra las condiciones de película fluida en la lubricación marginal. Las pendientes de la superficie y los espesores de la película se encuentran magnificados por fines didácticos.
En la parte a) lubricación por película fluida: superficies separadas por la masa principal de la película lubricante; b) lubricación mixta; tanto la masa principal del lubricante como la película marginal tienen una función; c) lubricación marginal: el desempeño depende esencialmente de la película marginal.
En la Figura 2.6 se muestra el comportamiento del coeficiente de fricción en los diferentes regimenes de lubricación. El coeficiente de fricción medio se incrementa hasta un total de tres veces mas al pasar del régimen hidrodinámico, al elastohidrodinámico, al marginal y al sin lubricación.


FIGURA 2.5 CONDICIONES DE PELÍCULA QUE SE REQUIEREN PARA LA LUBRICACIÓN. (15)
La Fig. 2.7 muestra la tasa de desgaste en los varios regimenes de lubricación determinada por la carga de operación. En los regimenes hidrodinámicos y elastohidrodinámicos existe poco o ningún desgaste pues no hay contacto de asperezas. En el régimen de lubricación marginal, el grado de interacción de asperezas y la tasa de desgaste se incrementan a medida que la carga aumenta. La transición de lubricación marginal a una condición no lubricada se distingue por un cambio drástico en la tasa de desgaste.


FIGURA 2.6 DIAGRAMA DE BARRAS QUE MUESTRA LOS COEFICIENTES DE FRICCIÓN PARA VARIAS CONDICIONES DE LUBRICACIÓN. (17)
A medida que se incrementa la carga relativa en el régimen no lubricado la tasa de desgaste se incrementa hasta que se presentan estrías o cuando ocurre el agarrotamiento y el elemento de máquina ya no opera adecuadamente. La mayoría de las máquinas no operan por mucho tiempo sin alguna lubricación con la consecuencia inmediata de una falla de los elementos involucrados.
La lubricación marginal se utiliza en los elementos de máquinas con cargas pesadas y bajas velocidades de operación, donde es difícil obtener una lubricación por película fluida.
Como ejemplo clásico se tiene el funcionamiento de las bisagras de las puertas que utilizan esta lubricación.



FIGURA 2.7 RAPIDEZ DEL DESGASTE PARA VARIOS REGIMENES DE LUBRICACIÓN. (17)



      1. Lubricación Mixta

Es una condición intermedia entre las películas límite e hidrodinámica, en la cual un buen porcentaje de las crestas de las dos superficies interactúan presentándose la película límite y otras ya están separadas en las cuales la película límite no desempeña ninguna labor. En lubricación mixta el desgaste y el consumo de energía dependen tanto de las características de la película límite como de la resistencia a la cizalladura de la película fluida y de su estabilidad (IV).


Si las presiones en los elementos de máquinas lubricados resultan ser demasiado altas (alta carga) o las velocidades de operación son demasiado bajas, la película del lubricante se dispersa; existe algún contacto entre asperezas y entonces ocurre este tipo de lubricación. El comportamiento de la conjunción en un régimen de este tipo se rige por una combinación de efectos marginales y de película fluida. La interacción parcial ocurre entre una o más capas moleculares de películas de lubricación marginal. La acción parcial de la lubricación de película fluida se desarrolla en el volumen del espacio entre los sólidos. El espesor promedio de la película en una conjunción de este tipo es menor a una micra pero mayor a 0.01 micras.
Es importante reconocer que la transición de la lubricación hidrodinámica a la mixta no ocurre instantáneamente a medida que la severidad de la carga se incrementa, sino que las presiones dentro del fluido que llena el espacio entre los sólidos opuestos soportan una proporción decreciente de la carga. A medida que ésta se incrementa, la mayor parte la soporta la presión de contacto entre las asperezas de los sólidos. Además el régimen de lubricación para superficies concordantes va directamente de la lubricación hidrodinámica a la mixta.



    1. Curva de Stribeck y Beerbower

Entre 1900 y 1902 Stribeck realiza experimentos sistemáticos para medir el coeficiente de fricción, f, en cojinetes en función de la velocidad de giro, N, de la carga por unidad de área proyectada, P, y de la viscosidad, μ. Son la base de la teoría de Sommerfeld. La curva de Stribeck (aunque hay algunas dudas de que Stribeck la usara exactamente en la forma que se presenta aquí) representa las características generales de superficies lubricadas en movimiento relativo entre sí.


La expresión:
(2)
es conocida como el número de Sommerfeld. En la figura 2.8 se mantienen constantes N y P para representar la relación existente entre la viscosidad del fluido, µ, y el coeficiente de rozamiento, f.
La curva de Stribeck puede dividirse en tres zonas:


  • Zona I: lubricación hidrodinámica y elastohidrodinámica. Las superficies del cojinete están perfectamente separadas con una película gruesa de fluido: no hay contacto directo entre las superficies que deslizan y por tanto prácticamente no hay desgaste. A medida que la viscosidad disminuye, decrece la película hasta el punto C.




  • Zona II: lubricación mixta o elastohidrodinámica parcial. Es una transición entre la lubricación hidrodinámica y la marginal, generalmente observada en el arranque o en la parada de maquinaria.




  • Zona III: lubricación marginal. Donde toda la lubricación depende de los aditivos del lubricante que esta inmóvil o con un despliegue de velocidad casi nula.





FIGURA 2.8 EFECTO DE LA VISCOSIDAD EN LA LUBRICACIÓN. (16)

De la figura 2.8 se puede deducir:




  • Estando en la zona I, a medida que la viscosidad disminuye también decrece el espesor de la película hasta el punto C. Una mayor disminución de la viscosidad hace que pasemos al punto B en el que se produce contacto ocasional entre las dos superficies debido a que la película es de muy pequeño espesor: el rozamiento en B y C es prácticamente igual, aunque en B la viscosidad del fluido es menor la resistencia al desplazamiento se debe en este caso al contacto entre las asperezas.




  • El punto C es el punto ideal de funcionamiento (delimita además la zona estable de la inestable) puesto que proporciona un rozamiento mínimo con prácticamente desgaste nulo (figura 2.9). En la práctica se prefiere trabajar ligeramente a la derecha de C para tener un margen de seguridad.





FIGURA 2.9 COEFICIENTE DE FRICCIÓN, ESPESOR DE PELÍCULA DE ACEITE Y DESGASTE SEGÚN EL TIPO DE LUBRICACIÓN. (16)



  • Si en el punto B se reduce ligeramente la viscosidad rápidamente crece el coeficiente de rozamiento hasta el punto A. A partir de este punto la mayor parte de la carga es soportada por las asperidades y por tanto un reducción mayor de la viscosidad tiene muy poca influencia en el coeficiente de rozamiento.

En la figura 2.10 se observan las graficas de Stribeck y Beerbower, aquí se aprecian sus respectivos comportamientos.





FIGURA 2.10 CURVAS DE STRIBECK Y BEERBOWER. (16)

En la figura 2.11 están los efectos de la reducción de viscosidad del lubricante y su comportamiento con la perdida de potencia. Aquí se puede ver el efecto de una alta viscosidad en la pérdida de potencia (energía o fuerza). A una velocidad muy baja, ganamos potencia con un aceite de mayor viscosidad, pero al subir la velocidad de las piezas las líneas se cruzan y perdemos potencia. Es por esto que buscamos aceite viscoso para engranajes de baja velocidad y aceite delgado para todo lo que opera a altas velocidades.


El efecto de la lubricación elastohidrodinámica reduce la pérdida de potencia por baja viscosidad al mismo tiempo que reduce la fricción por baja velocidad. Esto actualmente protege las piezas con mucho menos velocidad que la Lubricación Hidrodinámica, reduciendo la dependencia en la Lubricación Marginal y Lubricación Mixta para proteger el equipo.
Entre más delgado el aceite, menos fricción, menos temperatura, y menos desgaste. Un aceite grueso causa mayor fricción. Es importante entender que la idea de subir la viscosidad para aumentar lubricación hidrodinámica aumenta fricción y consume más energía que puede ser reflejado en mayor consumo de combustible o electricidad. En términos generales la energía perdida por fricción varía con la raíz cuadrada de la viscosidad. 


FIGURA 2.11 (A) EFECTO DE LA REDUCCIÓN DE LA VISCOSIDAD DEL ACEITE (B) EFECTO DE LA REDUCCIÓN DE LA VISCOSIDAD DEL ACEITE EN EHD, COMPORTAMIENTO LUBRICACIÓN MIXTA. (16)



    1. Lubricantes y sus funciones.

Un lubricante es una sustancia que, colocada entre dos piezas móviles, no se degrada, y forma asimismo una película que impide su contacto, permitiendo su movimiento incluso a elevadas temperaturas y presiones.
Los lubricantes desempeñan una variedad de funciones. La principal, que además es la más evidente, es la de reducir la fricción y el desgaste en maquinaria en movimiento. Además, los lubricantes son capaces de:


  • Proteger las superficies metálicas contra la oxidación y la corrosión.

  • Controlar la temperatura y actuar como agentes de transferencia de calor.

  • Lavar la suciedad y las partículas contaminantes producidas por el desgaste.

  • Transmitir potencia hidráulica.

  • Absorber o amortiguar golpes.

  • Formar sellos.



    1. Tipos de lubricantes

Los lubricantes derivados del petróleo es­tán clasificados en una variedad muy am­plia, de acuerdo con el servicio al que se han de aplicar en mayor proporción. Algu­nos de ellos se destinan, virtualmente, a usos especiales, mientras que otros pueden emplearse con éxito en una variedad tan ex­tensa de maquinaria, que se convierten en productos de aplicación múltiple.
Al ingeniero de mantenimiento le interesa básicamente lo relativo a las clasificaciones siguientes:


  • Aceites para sistemas circulatorios.

  • Aceites para engranes.

  • Aceites para maquinaria o para motores.

  • Aceites para refrigeración.

  • Aceites para husillos.

  • Aceites para cilindros de máquinas a va­por.

  • Lubricantes para cables de acero.

  • Grasas con base de calcio, sodio, aluminio, litio o bario.

  • Lubricantes sólidos y sintéticos.



      1. Aceites circulantes.

Probablemente son és­tos los lubricantes de más alta calidad que se pueden obtener en la actualidad. Es po­sible obtenerlos en una variedad comparati­vamente extensa de grados de viscosidad, es decir, desde aproximadamente 21 hasta 550 centistokes (100 a 2500 Segundos Saybolt Uni­versal) de viscosidad a 100ºF (37.8ºC).


En esta categoría quedan incluidos:



  • Aceites para lubricación de turbinas de vapor.

  • Aceites para sistemas circulatorios en trenes de laminado.

  • Aceites para usos hidráulicos.

  • Aceites para sistemas circulatorios para maquinaria papelera.

  • Aceites para servicio pesado, para motores de combustión.

Los aceites para sistemas circulatorios pue­den ser a base de parafina o de naftalina, de acuerdo con el servicio al que se desti­nen. Para los aceites destinados a turbinas, aceites hidráulicos y para trenes de lami­nación de acero, predominan en aplicación los primeros. Ni los aceites de base naftalínica ni los de parafina, se usan en la ma­quinaria papelera ni en los motores de ser­vicio pesado. Los límites de viscosidad a 100°F (37.8ºC) se dan a conocer en la Tabla 9.



TABLA 10

MÁRGENES DE VISCOSIDAD PARA LOS ACEITES DE SISTEMAS CIRCULANTES. (1)


Los aceites circulantes contienen aditivos. Los aceites hidráulicos son estabilizados pa­ra darles resistencia contra la oxidación y retardar la formación de óxidos en el sis­tema; usualmente también contienen disper­santes de espuma.
Los aceites de servicio pesado modernos, para motores de combustión interna, son re­finados específicamente para trabajar a las altas temperaturas de las máquinas y para las cargas intensas en las chumaceras. Es­tos aceites son altamente resistentes a la oxidación y son estabilizados con aditivos detergentes y dispersantes.

      1. Aceites para engranajes.

Estos pueden ser aceites puramente minerales con variaciones muy amplias de viscosidad, o de aceites combinados que contienen aditivos para presio­nes extremadamente altas, para mejorar la resistencia fílmica y la capacidad de carga.
Los aceites puramente minerales para en­granajes para ser usados en plantas indus­triales o de fuerza, se encuentran normal­mente entre los límites de SAE-80 a SAE-250. Estos aceites son adecuados para cajas de engranes rectos, cónicos, helicoidales, he­licoidales cónicos, doble-helicoidales o de co­rona, en aquellos casos en que se trabaja con dispositivos de lubricación por salpicadura o por alimentación forzada, los grados de más baja viscosidad se emplean para la lubricación a temperaturas bajas, mientras que los grados gruesos, comprendidos entre SAE-140 a SAE-250, se seleccionan para servicios que normalmente sobrepasan los 100°F (37.8°C). Estos aceites son los más apropiados para las cargas promedio de los dientes y para las velocidades de los piñones.
En donde los engranajes, de estos tipos tengan que funcionar en forma expuesta (sin cubiertas) y se lubriquen por medio de baño o manualmente, la viscosidad del lubricante tiene que ser aumentada, con el fin de capacitar a la película lubricante pa­ra resistir la tendencia a ser desplazada por presión. Los engranajes que trabajan en for­ma expuesta o visible, generalmente no gi­ran a mucha velocidad, pero por su localización quedan expuestos a grandes márge­nes de cambios de temperatura, por ejemplo, el engranaje oscilante de una pala me­cánica, o el engranaje del volteo de un con­vertidor para acero Bessemer. Para estos en­granajes se puede aplicar un producto derivado residual del petróleo y que pueda ser mezclado también con alquitrán vegetal, pa­ra mejorar su capacidad adhesiva. Algunos de estos lubricantes tienen que ser rebajados con solventes, para facilitar su aplicación. Estos solventes o adelgazadores se evaporan más tarde de la película, pero como estos adelgazadores son inflamables, tales lubri­cantes no deben ser usados en lugares ce­rrados. También es importante considerar sus cualidades tóxicas.
Al iniciarse el empleo de engranes hipoi­dales y más tarde, cuando se diseñaron es­tos tipos de engranes industriales capaces de soportar mayores esfuerzos en los dien­tes, fue también desarrollado el tipo de lubricación para altas presiones. Los aceites para engranajes hipoidales son del tipo pe­sado, para que puedan soportar los extremos máximos de carga y de temperatura, con las que se trabaja en la actualidad, en la indus­tria automotriz.
El tipo suave, no corrosivo, de aceite para engranajes, es, más que un lubricante, un auxiliar para uso de las plantas industria­les. Un producto de tal naturaleza puede te­ner la misma capacidad de carga y la nece­saria resistencia fílmica que los aceites para engranes hipoidales, pero la naturaleza de los aditivos lo coloca entre la categoría de los E.P., de consistencia suave. Este tipo de aceite para engranes es muy útil, no sólo para los engranes convencionales que traba­jan acero contra acero, sino también en los mecanismos de engranajes a tornillo sinfín, en los que es de importancia que no se for­men costras o adherencias. En realidad, es la cualidad no incrustante de tales aceites lubricantes la que sostiene la condición no corrosiva de los mismos y la que convierte a tales productos en lubricantes de aplica­ción múltiple.



      1. Aceites para motores.

Los aceites rojizos, puramente minerales, quedan comprendidos dentro de esta clasificación y se emplean para la lubricación de mecanismos de ope­ración externa, de diferentes máquinas, tales como motores, bombas, compresores y ma­quinaria en general, en donde se aplicaba la lubricación mediante aceiteras o copas de aceite. Más tarde se adaptaron aceiteras de anillos, pero en la maquinaria moderna, en la que se instalan sistemas circulatorios de lubricación, se emplean los aceites de más alta calidad para turbina.


El promedio de los lubricantes llamados aceites para máquina o aceites para moto­res, son en general buenos como lubrican­tes "de una sola vez", pero como su resistencia a la oxidación es más baja que la de los aceites modernos de alta calidad para sistemas circulatorios, los aceites de máqui­na ordinarios no se recomiendan para dar servicio en instalaciones en las que la for­mación de gomas y lodos tienen que sumar­se a las dificultades que afronta el inge­niero de mantenimiento.



      1. Grasas.

La American Society for Testing Materials (Sociedad Americana para Prueba de Materiales), define una grasa lubricante como "la combinación de un producto deri­vado del petróleo y un jabón o mezcla de jabones apropiada para ciertas aplicaciones de lubricación". El metal que se emplea para la fabricación del jabón metálico cons­tituye la base de la grasa, por ejemplo, cal­cio, sodio, aluminio, litio o bario. Además, la mezcla de calcio y sodio produce lo que se denomina" como grasa de base mixta. La tabla 11 describe algunas de las propie­dades y aplicaciones típicas de las grasas elaboradas con algunos espesadores comunes.


Las grasas se identifican además por el tipo y viscosidad del aceite derivado del petróleo que se emplea en su preparación su grado de plasticidad y por su punto de fusión. Una combinación de estos factores desarrollada científicamente, dará por resul­tado una grasa de marcada estabilidad y durabilidad sobre amplios límites de temperatura y condiciones de operación. La grasa para usos múltiples es un producto ideal, ya que reduce las posibilidades de aplica­ción errónea y simplifica los problemas de almacenamiento.

TABLA 11

GUÍA PARA APLICACIÓN DE GRASAS. (2)


Es una idea generalizada que las grasas se deben elegir en aquellos sitios en los que un aceite fluido no sería retenido a consecuencia de la construcción de la caja o por el cierre defectuoso de los sellos. En el di­seño moderno, estos conceptos han quedado relegados al pasado; en la actualidad, los co­jinetes de bolas y rodillos, por ejemplo, han alcanzado un grado de precisión tal y los sellos son tan perfectos, que es posible una lubricación permanente de por vida del ba­lero con sólo unos cuantos gramos de grasa. Además, es posible obtener ahora grasas capaces de soportar el funcionamiento de los mecanismos entre los límites de temperatura muy amplios. Las instalaciones de ese tipo son altamente deseables para el ingeniero de mantenimiento. Pero esto condiciona también bien un manejo extremadamente cuidadoso de los cojinetes sellados, cuando hay nece­sidad de desmontar las chumaceras y sepa­rarlas de los otros elementos de los meca­nismos durante los trabajos de reparación general. Un sello hermético de cojinetes sos­tiene su efectividad sólo mientras no se le maltrata. Manipulaciones ejecutadas con des­cuido o el baño en solventes puede conducir a la entrada de polvos abrasivos por la ac­ción del aire.
La protección del sistema de lubricación por medio de grasa en las labores de man­tenimiento es tan importante como la pro­tección misma de las chumaceras y otras partes del mecanismo sujetas a lubricación. Los sistemas modernos de lubricación a ba­se de grasa a presión, que comprenden mu­chas conexiones, purgas de control, tramos largos de tubería y un elemento de bombeo digno de confianza, cuestan miles de dóla­res. El descuido al usar las herramientas alrededor de estos elementos, o los golpes inadvertidos que podrían recibir durante las maniobras de movimiento de vigas de acero o de andamios, pueden dejar fuera de ser­vicio una o más líneas, debido al aplastamiento o a la fuga por rupturas en las lí­neas de tubería. El costo de reparación re­sultante puede alcanzar cifras alarmantes, por cuyo motivo el ingeniero de mantenimiento debe estar muy alerta y trabajar jun­to con el personal de operación para cerciorarse de que los encargados del manejo de la maquinaria están debidamente al tanto de la importancia que encierran todos los elementos componentes del sistema de en­grasado a presión para la conservación de la unidad a su cuidado.




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