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INTRODUCCIÓN A LOS ENGRANAJES
2010 1
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RESUMEN
Función de los Engranajes
Tipos de Engranajes
Nomenclatura para Engranajes
Lubricación de Engranajes
Métodos y aplicación de lubricantes
Resolucion de problemas en
cajas de engranajes
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ENGRANAJES, SU UTILIDAD Y TERMINOLOGÍA
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QUE ES UN ENGRANAJE?
Engranajes son ruedas dentadas usadas en combinación para transmitir movimiento y potencia
Engranajes son usados para transmitir potencia:
De un eje a otro.
Con un cambio de dirección
Con un cambio d velocidad (tipicamente reductores de velocidad)
Con un cambio de torque (tipicamente multiplicador de torque)
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POR QUE SON NECESARIOS LOS ENGRANAJES?
Motores Eléctricos (AC) que operan a velocidades específicas (3600, 2400, 1800 rpms)
Maquinaria que opera a velocidades normalmente menores que los motores eléctricos
Los engranajes reducen la velocidad del motor para poder operar el equipo
La reducción de velocidad resultante incrementa el torque, es éste el que da poder para el trabajo
EL incremento del torque es transmitido a través de:
1) los dientes del engranaje
2) juntas
3) ejes
4) rodamientos
Todos los rodamientos convierten la velocidad rotacional de entrada en velocidad “utilizable” en la dirección en que la máquina lo requiere
Algunas veces los engranajes son utilizados para incrementar la velocidad (compresores, turbos)
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Por lo tanto, los requerimientos de los aceites de engranaje es mas alto que nunca!
TENDENCIA DE MERCADO: DISEÑO DE CAJAS DE CAMBIO
Las cajas de cambio ( y los aceites) son forzados constantemente a soportar condiciones de operación cada vez mas difíciles debido a:
La tendencia de tener unidades cada vez mas compactas
Condiciones de operación y temperaturas severas
Altas expectativas de desempeño (inaceptable las pérdidas de tiempo)
Incremento de las temperaturas de operación
Incremento de las cargas y presiones
Exposición al agua y otros contaminantes
Todo lo citado va en contradicción de lo que el consumidor qctual desea, (i.e: extender la vida de la caja reductora, extender los intérvalos de cambio y una gran eficiencia de la caja) .
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EL MUNDO CAMBIA, IMPULSANDO EL DESARROLLO EN CAJAS DE ENGRANAJES
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Potencia de salida
Tamaño de la caja
Temperatura de Operacion
Cantidad de lubricante
Vida del aceite
Frecuencia del cambio de aceite
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Fuente: Flender Unidades con el mismo torque de salida
EVOLUCIÓN DE LAS CAJAS DE ENGRANAJES DEL1954 A 2004
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CORONAS, PIÑONES Y RELACIONES
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Piñón Corona
Piñón – El engranaje con menos dientes y es el que mas rápido gira (reductores)
Corona o Rueda – El engranaje con mas dientes
El engranaje de giro es el de movimiento mas lento
La dirección de rotación del piñón es contraria a la dirección de rotación de la corona
Engranajes intermedios son usados para permitir a la corona rotar en la misma dirección que el piñón
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CORONAS, PIÑONES Y RELACIONES
La relación entre las velocidades de entrada y salida se denomina Relación de Transmisión, es proporcional al numero de dientes de ambos engranajes
Relación de transmisión = No. de dientes de corona/No. de dientes piñon
Velocidad de salida del engranaje = Vel. Entrada/Relac. De transmisión
Un reductor de velocidad debe tener un engranaje de entrada menor que el de salida
Un multiplicador debe tener un engranaje de entrada mayor que el de salida
Double 5:1 reduction is 5 x 5 = 25:1 final
Decrease in speed yields equivalent increase in torque.
Decrease speed x 5 = Increase in toque x 5
Torque is inversely proportional to speed.
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TERMINOLOGÍA DE DIENTES ENGRANAJE
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Clearance is the distance between the top of one tooth to the base of the tooth in the other gear Backlash is the distance between the back of one tooth and the front of the next mounting tooth
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ESFUERZOS EN EL ENGRANAJE
Rodante y deslizante durante el contacto
La raíz sufre un severo esfuerzo
Punto de contacto sufre severo esfuerzo
EL lado sometido a tensión es el más afectado
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A
A B
B
C
C
Baja velocidad (< 5 m/s)
Alta velocidad (> 5 m/s)
Lubricación EHD
Lubricación límite
Lubricación mixta
A-B: addendum B: pitch circle B-C: dedendum
Lubricación mixta
TIPOS DE LUBRICACIÓN EN ENGRANAJES
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LUBRICACIÓN LÍMITE
En engranajes con altas cargas, especialmente aquellos que operan a baja velocidad presentan lubricación límite, donde la capa de lubricante es muy delgada con el consecuente contacto metal metal entre los dientes de los engranajes
EL desempeño del lubricante debe ser mejorado por aditivos que protejan las superficies metálicas- usualmente conocidos como aditivos EP
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LUBRICACIÓN LÍMITE
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LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA (1)
Ligeramente cargados / engranajes con velocidades relativamente altas son lubricados bajo condiciones hidrodinámicas o de capa gruesa
Por el giro del engranaje, el lubricante se adhiere a la superficie de los dientes y se ubica en la zona de contacto formando una cuña de aceite
A medida que el lubricante es forzado a estar en la parte más estrecha, la presión se incrementa, separando las superficies.
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LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA (2)
La efectividad de la Lubricación Hidrodinámica depende de:
Viscosidad del lubricante
EL espesor del film se incrementa con la viscosidad
Temperatura
La viscosidad, y por ende el espesor del film, decrece con la temperatura
Cargas
El espesor del film decrece cuando la carga se incrementa
Velocidad
El espesor del film se incrementa con la velocidad
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LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA
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LUBRICACIÓN ELASTO-HIDRODINÁMICA
Las condiciones de lubricación en la mayoría de los engranajes usualmente no están totalmente definidas dentro de las condiciones de lubricación hidrodinámica o de lubricación límite.
Los dientes de los engranajes están sometidos a presiones de contacto enormes (< 30,000 bar) y aún así están efectivamente lubricados por muy delgadas capas de aceite
Esto es posible por dos razones:
Las altas presiones pueden causar deformaciónes elásticas de las superficies y repartir la carga en un área mayor
La viscosidad del lubricante se incrementa considerablemente con la presión, incrementado así su capacidad de soportar cargas.
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LUBRICACIÓN ELASTOHIDRODINÁMICA
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TIPOS DE ENGRANAJES
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Helicoidales Rectos Tornillo
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ENGRANAJES RECTOS
Los engranajes rectos son los mas simples
Dientes rectos
Ejes paralelos
La potencia se transmite alternativamente por un par de dientes y luego por dos pares
El contacto entre dientes ocurre abruptamente a través del ancho del diente
Tienden a ser ruidosos y girar a velocidades medias a bajas
El desgaste incrementa dichos problemas
Limitado a velocidades relativamente bajas
No se genera un empuje final a los cojinetes de apoyo en los ejes pero hay un inconveniente mayor: solo un par de acoplamientos de dientes tienden a llevar la mayor parte de la carga en cualquier momento de giro de los engranajes
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ENGRANAJES HELICOIDALES
Los engranajes helicoidales son similares a los engranajes rectos pero los dientes están cortados en ángulo
El contacto entre dientes se efectua gradual y suavemente
Varios dientes entran en contacto al mismo tiempo, la carga total es compartida
El desgaste generado tiende a igualar la carga entre dientes
Giran “suave y silenciosamente”
Pueden utilizarse en aplicaciones con altas velocidades
Pero producen esfuerzos axiales en los rodamientos del eje, como el par de dientes tiende a desacoplar, el empuje de los rodamientos es necesario para conbatir esa tendencia
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ENGRANAJES HELICOIDALES DOBLES
Los engranajes de doble helice son llamados en ocasiones “de espina de pescado”
Se anulan los esfuerzos axiales
Los dientes son usualmente maquinados con una ranura central para evitar el depósitos excesivos de aceite
Pueden soportar cargas elevadas, altas velocidades de modo suave y silencioso
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ENGRANAJES DE TORNILLO
Los engranajes de tornillo son utilizados para transmitir potencia y movimiento en ejes en ángulo recto
Un engranaje de pequeño diámetro, o tornillo tiene una o mas entradas
Usados para producir grandes reducciones de velocidad/torque que otros engranajes mas simples
La considerable fricción resultante genera situaciones particulares de lubricación
Predomina el contacto deslizante, reductores con eficiencias menores que en diseños rectos o helicoidales
Usualmente tornillo de acero y corona de bronce
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wheel
worm
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ENGRANAJES DE TORNILLO
La transmisión de potencia puede ser incrementada si el diente del engranaje “encaja” en la concavidad del cuerpo del tornillo, “single throated” se refiere a una sola pieza, en “double throated” ambos engranajes tienen dicho acoplamiento.
En engranajes de tornillos no cóncavos ninguna de las piezas presenta esta particularidad (“throat”) .
En los engranajes “single-throated “ un solo elemento ( generalmente la corona) lo posee.
En engranajes “double-throated” tanto el tornillo como la corona presentan esta particularidad.
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Internos Cónicos Oblicuos Cónicos espirales
TIPOS DE ENGRANAJES – MENOS COMUNES
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ENGRANAJES EXTERNOS E INTERNOS
Engranajes rectos, helicoidales y doble helicoidales son engranajes externos
También podemos encontrarlas como engranajes internos, donde el piñón gira dontro de una corona que tiene los dientes en el interior
Otra variación del engranaje recto es el llamado de “piñon y cremallera”donde el piñón se mueve a lo largo de una cremallera recta
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Piñón y cremallera Interno Rack and pinion
Internal
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ENGRANAJE CÓNICO SIMPLE
Los engranajes cónicos se usan para transmitir potencia y movimiento entre ejes que se intersectan en ángulo
Los engranajes cónicos poseen un corte del diente recto
Similar al engranaje recto
Limitado a velocidades relativamente
bajas
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ENGRANAJES CÓNICOS ESPIRALES
Los engranajes cónicos espirales tienen el corte del diente en ángulo
Tienen ventajas similares a los engranajes helicoidales
Pueden operar a velocidades mayores que los cónicos simples
Engranajes Hipoidales – es un tipo de engranaje cónico espiral con sus ejes fuera del conjunto (off-set). Principalmente usado en aplicaciones automotrices
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ENGRANAJES OBLICUOS
Los engranajes oblicuos o cruzados se usan para transmitir movimiento entre ejes que no son paralelos ni se intersectan
El área de contacto limitada entre dientes genera un considerable estrés
Limitado a bajas velocidades y cargas
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ENGRANAJES PLANETARIOS
Son utilizados cuando es necesario transmitir elevada potencia en poco espacio o cuando se requieren relaciones de cambio elevadas
Cada sistema de engranajes planetarios consta de tres componentes principales:
EL engranaje “sol”, con dientes alrededor de su circunferencia
Los engranajes planetarios y el porta planetas carrier
La corona que contiene el conjunto
Cada uno de los tres componentes pueden ser la entrada, la salida o permanecer inmóviles
La selección determina la relación de los engranajes del conjunto
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APLICACIONES TÍPICAS PARA REDUCTORES
Ellos manejan todo lo que se mueve!
Transportadores
Trituradoras
Hornos
Excavadoras
Maquinaria de empaque
Unidades de proceso
Agitadores y mezcladores
Aerogeneradores
Ventiladores en torres de enfriamiento
Unidades de laminación de acero
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CAJAS DE ENGRANAJES
Rectos, heliciodales (y similares)
Generalmente engranajes de acero,“acero-en-acero”
Usados para pequeñas reducciones de velocidad, Típicamente con ejes de entrada/salida paralelos
Baja energía de disipación (típicamente 2% por contacto)
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Engranajes de tornillo
Usualmente un tornillo de acero y una corona de bronce, “acero-en-bronce”
Usado para reducciones elevadas, typicamente ejes de entrada/salida cruzados
Alta energía de disipación por el deslizamiento en operación (típicamente 5 a 25%)
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CAJAS DE ENGRANAJES
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ENGRANAJES ABIERTOS
Usualmente de gran tamaño y baja velocidad
Usualmente de corte recto
Aplicaciones en servicio pesado
Aplicación directa del lubricante
Por lo general se utilizan grasas para engranajes abiertos con altas “vicosidades” tales como los grados Malleus
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MÉTODOS PARA LUBRICACIÓN DE ENGRANAJES
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MÉTODOS PARA APLICACIÓN DE LUBRICANTES
Lubricación por baño
Lubricación por spray (rocio)
Lubricación por “niebla de aceite”
Sistemas de circulación de aceite
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SELECCIÓN DEL TIPO DE APLICACIÓN SEGÚN LA VELOCIDAD
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Velocidad (fpm) Método de aplicación
< 3000
< 5000
5000 - 12,000
12,000 - 20,000
> 20,000
Baño
Baño c/ deflectores
Alimentación a presión
(entrada o salida).
Alimentación a presión,
Salida
Alimentación a presión
(entrada o salida).
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LUBRICACIÓN POR SPRAY (ROCIO)
El aceite es rociado en el diente del engranaje en el punto donde acopla con el otro.
EL aceite es drenado al fondo del engranaje de donde es recirculado.
Originalmente la práctica era rociar el lubricante desde la entrada, sin embargo se considera mejor aplicar el rocio en los dientes involucrado, a menos que el engranaje opere a muy bajas velocidades.
Esto proporciona una refrigeración mas eficiente y reduce la acumulación de aceite en la raiz del diente.
Enfriadores de aire y equipos de filtración pueden incorporarse al sistema de rociado, son usualmente usados en sistemas de alta potencia operando a velocidades elevadas.
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Reservorio
Alimentación de aceite
Barra de rociado Lubricación por spray
MÉTODOS DE APLICACIÓN DE LUBRICANTE
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LUBRICACIÓN POR BAÑO (SPLASH)
Los dientes del fondo están sumergidos en un baño de aceite. El aceite es transferido al engrane y a los rodamientos. El método es efectivo cuando las velocidades no son tan altas como para provocar que el aceite se agite demasiado, provocando pérdidas de potencia no deseadas e incrementos de temperatura.
Es crítico mantener un nivel correcto de aceite en el reductor – ni muy alto ni muy bajo
Es necesario considerar los efectos de velocidad y liberacion de aire a la temperatura de operación para evitar retencines de aire y formación de espuma.
Engranajes lubricados por baño son suelen operar mas calientes y requieren mayores viscosidades que engranajes lubricados con otros métodos.
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SISTEMA DE CIRCULACIÓN FORZADA
Comunes en equipos de mayor tamaño
Sistemas intrincados para asegurar que todos los puntos sean efectivamente lubricados
Permiten la refrigeración del aceite para extender su vida, el enfriamiento es mas eficiente que los sistemas de lubricación por baño
Permite filtrar el aceite y mantener la limpieza para reducir el desgaste del engranaje
Cambios más faciles gracias a las tendencias que puede dar el análisis de aceite 43
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NIEBLA DE ACEITE
Presuriza el espacio de la caja de cambio. Protege del sucio y la humedad
Suministro de aceite más limpio
Rango limitado de aplicación
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Lubricantes para engranajes abiertos como el Shell Malleus son aplicados por un sistema de pulverizado automático
La ventaja de este tipo de aplicación se traduce en la reducción del desgaste, control del consumo de lubricante y reducción de la contaminación
APLICACIONES PARA ENGRANAJES ABIERTOS
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LUBRICANTES PARA ENGRANAJES– SU FUNCIÓN, COMPOSICIÓN, DESEMPEÑO Y SELECCIÓN
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LAS FUNCIONES DE UN ACEITE PARA LUBRICANTES
Lubricación
separación de las superficies en movimiento relativo
Reducción de la fricción
Reducción del desgaste, rayado (scuffing)
Refrigeración
Particularmente importante en cajas de engranajes
Protección
Contra la corrosión
Mantener la limpieza
Remover desperdicios del desgaste y contaminantes
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PROPIEDADES IMPORTANTES EN UN LUBRICANTE DE ENGRANAJES
Viscosidad– elegida según el tamaño, tipo y velocidad del rodamiento
Índice de viscosidad – fundamental para aplicaciones donde hay rangos de temperatura de operación amplios
Propiedades anti desgaste y EP – para proteger el equipo contra cargas de choque, rayado y desgaste en torques elevados
Resistencia a la oxidación – Para prolongar la vida del aceite y mantener el reductor libre de depósitos
Propiedades anti-corrosión
Propiedades anti-espumantes – Para prevenir la formación excesiva de espuma y pérdidas potenciales de lubricante
Demulsibilidad –para ayudar a minimizar la corrosión y herrumbre, para permitir un drenado adecuado del exceso de agua que pueda ingresas al sistema
Algunas propiedades son inherentes al aceite base, otras m¡pueden ser mejoradas a través del uso de aditivos adecuados
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COMPOSICIÓN TÍPICA DE UN ACEITE PARA ENGRANAJES
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Paquete de
Aditivos EP/AW
< 2%
Aceite base – Mineral (Típicamente Grp I) o Sintético (PAO or PAG) 98%
Aditivos antioxidantes y
antidesgaste
Inhibidores de herrumbre
Inhibidores corrosión
Aditivos EP
Paquete de aditivos aceite engranaje
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ADITIVOS PARA ACEITES DE ENGRANAJE
Extremq Presión
Modificadores de fricción
Inhibidopres de oxidación
Demulsificantes
Inhibidores de herrumbre
Pasivadores de metales
Inhibidores de corrosión
Mejoradores de índice de viscosidad
Agentes promotores de adhesividad
Agentes sellantes
Depresores de punto de fluidez
Anti espumantes
Aditivos sólidos como el Grafito o Molibdeno
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ESPECIFICACIONES PARA ACEITES DE ENGRANAJES
Organizaciones relacionadas a industria
ANSI/AGMA 9005-E02
DIN 51517 Part 3
ISO 12925-1
Fabricantes
Flender, David Brown, Polysius, FLS etc
Usuarios
U.S. Steel 224
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ENSAYOS DE LABORATORIO PARA ACEITES DE ENGRANAJES
FZG ( DIN 51 354 )
Timken ( ASTM D 2782 )
US Steel Punto de soldadura
Demulsibilidad ( ASTM D 2711 mod )
Supresión de espuma ( ASTM D 892 )
Filtrabilidad
Ensayo 4 bolas EP y pruebas de desgaste
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PROTECCIÓN CONTRA EL DESGASTE
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Que puede causar el desgaste?
• Altas cargas o de choque
• Altas temperaturas de operación
• Desempeño del lubricante
• Lubricante incorrecto para la aplicación y/o requerimientos
• Contaminación
El desgaste puede producir ….
• Baja eficiencia
• Reducción de la vida del componente
• Paradas no planificadas
• Incremento de la contaminación del fluido
….. Problemas al usuario
• Mala operación de los componentes
• Incremento de costos
• Pérdidas de tiempo
• Baja productividad
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ENSAYO DE DESGASTE 1 - FZG LOAD CARRYING CAPACITY TEST (DIN 51534, ASTM D 5182)
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Este ensayo evalua la capacidad de carga sin rayado a 140 rpm por 15 minutos con un incremento sucesivo de las cargas aplicadas
Los dientes del engranaje son examinados al inicio y al final de cada etapa de carga en su desgaste acumulado
Esto determina la capacidad de carga que el
aceite soporta y mide el nivel de protección dado a los dientes del engranaje por el lubricante
Wear Test 2 - FZG wear (ASTM D 4998) el mismo equipo de prueba, pero midiendo el desgaste del engranaje
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Antes del ensayo Luego del ensayo fallido – rayado visible
ENSAYO DE DESGASTE 1 - FZG SCUFFING TEST EJEMPLOS
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ENSAYO DE DESGASTE 3 – ENSAYO DE SOLDADURA SHELL 4 BOLAS
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Este ensayo mide la capacidad de carga del lubricante La bola superior gira contra las otras 3 fijas, la carga a la cual se genera la soldadura entre ellas es reportada. A mayor carga mejor es el resultado. El resultado del test indica el desempeño del aceite para evitar el contacto metal- metal entre los dientes del engranaje y los rodamientos Condiciones del ensayo Temperatura ambiente 1500 rpm Carga incrementada
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CLASIFICACIÓN AGMA PARA ACEITES DE ENGRANAJES
En un grado AGMA para aceites de engranaje, el número designa la viscosidad y la letra el aditivo:
R&O = Inhibidores de herrumbre y corrosión (Rust and Oxidation) Sin aditivos EP
(Rectos, Cónico y Helicidales templados)
EP = Extrema Presión (común Azufre y Fósforo)
(Anti-Scuff - AS)
S = Sintético(PAO, PAG, ésteres)
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CLASIFICACIÓN AGMA PARA ACEITES DE ENGRANAJES
Comp = Compound (con aceites grasos)
Aceites minerales con aceites grasos para proveer lubricidad en engranajes de tornillo
Aceites grasos no son muy estables térmicamente ni resistentes a la oxidación
Res = Residuales
Aceites tipo asfálticos pesados usualmente para grandes engranajes abiertos
Principal problema – a bajas temperaturas el asfalto solidifica, causa falla/rotura del diente
En ocasiones altas viscosidades y aditivos sólidos son utilizados para la lubricación de engranajes abiertos.
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ESPECIFICACIONES INTERNACIONALES PARA ACEITES DE ENGRANAJES
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ANSI/AGMA 9005-E02 lubricación engranajes industriales
Tabla 1 – Tipo R&O
Tabla 2 – Tipo EP
Tabla 3 – Compound
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FACTORES QUE INFLUYEN EN LA SELECCIÓN DEL LUBRICANTE
Tipo de engranaje y velocidad
Abierto o cerrado (Reductor)
Helicoidal, Recto, Cónico
Tornillo – Alta viscosidad
Hipoidal – Límite
Velocidad
Material del engranaje y tratamiento de la superficie
Temperaturas de operación
Características de la carga aplicada
La selección del lubricante debe ser siempre basada en las recomendaciones del fabricante, si está disponible.
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REQUERIMIENTOS DE VISCOSIDAD
Altas cargas requieren mayores viscosidades
Altas temperaturas requieren mayores viscosidades
Altas velocidades requieren menores viscosidades
Requerimientos de engranajes de tornillo – Altas viscosidades (Sin Aditivos EP)
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EFECTOS DE LA BAJA VISCOSIDAD
Incremento de la temperatura y de las asperezas en las superficies de contacto
Desgaste – Contacto Metal-Metal
Disminuye la habilidad de soportar cargas
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EFECTOS DE LA ALTA VISCOSIDAD
Incremento de la Temperatura por la fricción fluida
Incremento del consumo energético por la fricción fluida
Incremento de la formación de espuma
El lubricante no fluye en los puntos críticos (rodamientos)
Reducción del flujo a través de filtros e intercambiadores de calor (si están presentes)
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VISCOSIDAD – REGLA GENERAL
Es muy importante tener un aceite con las propiedades adecuadas de viscosidad para prevenir el desgaste
Es mejor recomendar un aceite un grado mayor en viscosidad que otro un grado menor
Punto de inicio habitual – Generalmente en engranajes – AGMA 5 EP (Omala 220)
Si existen dudas, utilizar el grado de viscosidad ISO superior disponible
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RANGO DE VISCOSIDADES AGMA
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COMO SELECCIONAR EL CORRECTO GRADO DE VISCOSIDAD PARA UN REDUCTOR?
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Recordar principales aspectos:(En general: velocidad y temperatura)
Velocidad – Reportado por fabricantes como “ pitch line velocity”
Es el conjunto de puntos donde hay puro “rodamiento” y las máximas tensiones en la superficie del engranaje
Temperatura – ambiente
El reductor está diseñado para dispar calor – Máxima temperatura alcanza 100º F sobre la ambiental
La carga está limitada a la fatiga por tensión del diente del engranaje
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LINEAMIENTOS DE AGMA - 9005 - D94
Selección de Lubricantes Helicoidales cerrados, espina de pescado, cónicos rectos, cónicos espirales, rectos
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Temperatura ambiente, OF Velocidad Pitch Line Final Reduction Stage -40 to +14 14 to 50 50 to 95 95 to 131
Menos de 1000 ft/min 3S 4 6 8
1000 - 3000 ft/min 3S 3 5 7
3000 - 5000 ft/min 2S 2 4 6
sobre 5000 ft/min 0S 0 2 3
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LINEAMIENTOS AGMA - 9005 - D94
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Temperatura ambiente, OF
Selección de lubricantes Reductores Tornillo sinfín
Velocidad Pitch Line Final Reduction Stage -40 to +14 14 to 50 50 to 95 95 to 131
Menos de 450 ft/min 5S 7 Comp 8 Comp 8S
sobre 450 ft/min 5S 7 Comp 7 Comp 7S