Seminario Internacional

LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD - LCC

Conferencista

PEDRO R. ALBARRACIN AGUILLON

Ingeniero Mecnico Universidad de AntioquiaMedelln Colombia TRIBOS INGENIERIA SAS pedroalbarracinaguillon@ingenierosdeIubricacion.comSeminario Internacional

LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD - LCC

Certificacin ISO 18436

Categora II

INDICE

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22Vida de las mquinas.

Fuerza de friccin

Clculo del ahorro de energa por menor friccin.

Fundamentos sobre lubricacin.

El impacto del desgaste en los mecanismos lubricados.

La influencia de la rugosidad en el desgaste de los mecanismos.

Seleccin correcta de un aceite industrial.

Seleccin del tipo de aditivo extrema presin EP.

Seleccin correcta de un aceite automotriz.

Anlisis de laboratorio a aceites lubricantes.

Prueba de 4 bolas.

Factores que afectan la vida disponible de los mecanismos lubricados.

Cdigo de colores para identificacin de los lubricantes.

Confiabilidad de las mquinas.Ruta de Tribologa.Ruta de Confiabilidad.Flushing Qumico-hidrulico y flushing hidrulico en turbomquinas.Dilisis de aceites industriales.

Filtracin de aceites industriales. Control de la contaminacin.

Lubricacin Centrada en la Confiabilidad.

Auditoria en Lubricacin.

Captulo 1VIDA DE LAS MAQUINAS

1. DEFINICION

La vida de las mquinas tambin conocida como vida a la fatiga, se define como el nmero de horas que podrn alcanzar los diferentes componentes mecnicos que las constituyen garantizando una produccin continua, con bajos costos tanto por mantenimiento preventivo como por consumo de energa. La vida proyectada de las mquinas se basa en los parmetros que el fabricante tuvo en cuenta durante su diseo como cargas, velocidades, temperatura, medio ambiente y materiales utilizados. Las nuevas teoras de vida esperada de los componentes de las mquinas se basan, tanto en las condiciones operacionales bajo las cuales las someten los usuarios como en el Indice de Viscosidad (IV) del lubricante utilizado, su aplicacin y su nivel de limpieza de acuerdo con la Norma ISO 4406.

2. CURVA TRIBOLOGICA

La curva tribolgica de los componentes de una mquina es muy similar a la curva de la baera de Davis (referida a las diferentes etapas en las que pueden fallar los componentes de las mquinas) y se conoce tambin como la curva de desgaste normal de cada uno de ellos a travs del tiempo; es caracterstica para cada uno de los diferentes metales que constituyen la metalurgia de los mecanismos de la mquina y su contenido se especfica en las partes por milln (ppm ) que pueden haber presentes en el aceite que se est utilizando al cumplirse su frecuencia de cambio. La curva triblogica tiene tres etapas fundamentales que son: improductiva asentamiento del componente, productiva vida a la fatiga y final vida remanente (envejecimiento moral).

3. ETAPA IMPRODUCTIVA O ASENTAMIENTO DEL MECANISMO

El asentamiento despegue de dos superficies que van a trabajar movindose la una con respecto a la otra en el mecanismo de un equipo, es la etapa ms importante en la vida del mecanismo y de ella depender que alcance su vida a la fatiga que sta se vea reducida considerablemente (conocida como mortalidad infantil); se presenta en las primeras horas de operacin del mecanismo y el tiempo de duracin vara de acuerdo con el tipo de mecanismo, los materiales utilizados, la rugosidad de las superficies, la clase de lubricante utilizado y la operacin del equipo.

Durante el proceso de mecanizado de las dos superficies del mecanismo nuevo es prcticamente imposible garantizar que las crestas que componen su rugosidad sern uniformes, por lo que habr necesidad de eliminar intencionalmente las ms sobresalientes cuando las rugosidades se muevan la una con respecto a la otra; en la curva tribolgica aparecer un elevado desgaste durante las primeras horas de operacin de dicho mecanismo; est situacin es normal y el desgaste ir disminuyendo en la medida que las crestas ms sobresalientes se vayan puliendo. Las partculas metlicas que se desprenden se deben evacuar del mecanismo lubricado ya que de lo contrario darn lugar a que se presente el desgaste abrasivo el cual disminuir considerablemente la vida de servicio del mecanismo. Para obtener un correcto asentamiento de las rugosidades de las superficies del mecanismo nuevo es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos:

No aplicar la carga normal de trabajo, sino la mnima posible ya que en ese momento el rea real de trabajo slo estar constituida por los picos de las crestas de mayor tamao. La presin que acta sobre la superficie de trabajo es igual a la fuerza sobre el rea, as por ejemplo si se tiene una fuerza de 100 kgf y un rea real de soporte de carga de 100 cm2, se tendr una presin igual a 1kgf / cm2, si el mecanismo est nuevo el rea ser mucho menor, supngase 50 cm2, lo que dara como resultado que si se le aplicara la carga normal de trabajo de 100 kgf la presin sera igual a 2 kgf/cm2, sobrepasando posiblemente la de diseo y en la curva esfuerzo - deformacin de los materiales cuando el mecanismo se ponga en movimiento la lubricacin sea del tipo ElastoHidrodinmica (EHL) y las irregularidades de las superficies interacten es factible que el punto de trabajo quede localizado en la zona plstica dando lugar a la fractura de las crestas y al inicio de micro grietas internas que se irn propagando hasta destruir las superficies de friccin y por lo tanto el mecanismo. Si el mecanismo que se va a asentar son los engranajes de un reductor de velocidad, la recomendacin es trabajarlo en vaco (acoplado solamente a la fuente motriz) por lo menos 48 horas, al cabo de las cuales se le puede ir incrementando la carga hasta normalizar las condiciones de operacin. Propiciar desgaste erosivo entre las crestas de las rugosidades de las dos superficies mediante la utilizacin de un aceite de un grado ISO de viscosidad mayor que el especificado por el fabricante del mecanismo. Las capas de aceite en exceso entran forzadas entre las crestas que se mueven la una con respecto a la otra, remueven la pelcula lmite que se encuentra adherida a ellas y las irn desgastando lentamente por erosin hasta que la rugosidad promedio de las dos superficies llegue a su valor normal. El exceso de viscosidad acelerar el asentamiento del mecanismo, sin embargo si hay suficiente tiempo para esta temprana etapa de la vida del mecanismo, se podr llevar a cabo con el aceite recomendado por el fabricante de la mquina. El empleo de un aceite de menor viscosidad propiciar el desgaste adhesivo entre las crestas de las dos superficies con la desventaja de que al soldarse al entrar en contacto se fracturarn generando grietas internas que se propagarn y destruirn las superficies de friccin del mecanismo. Si el sistema de lubricacin del mecanismo es por salpique, el aceite se debe cambiar cada 48 horas de operacin continua en su defecto se debe filtrar para retirarle las partculas metlicas que se van desprendiendo durante el proceso de asentamiento. En caso de que el aceite no se pueda filtrar directamente en el equipo rotativo sino que sea necesario cambiarlo, se debe ir almacenando hasta que se tenga la cantidad suficiente para filtrarlo ya que sus propiedades fsico - qumicas estn en buen estado. Si el sistema de lubricacin es por circulacin es necesario hacerle al aceite cada 48 horas de operacin continua un conteo de partculas segn ISO 4406 para determinar en que momento se debe cambiar. Hacerle al aceite cada 48 horas un anlisis del contenido de metales en partes por milln (ppm) y conteo de partculas segn ISO 4406 para determinar en que momento se estabiliza el desgaste del mecanismo y se da por terminada la etapa de asentamiento. El anlisis del desgaste se puede complementar con el chequeo de la temperatura de operacin ya que sta ir disminuyendo hasta estabilizarse en la medida en que las crestas se vayan puliendo. Cuando finalmente las rugosidades de las dos superficies se asientan el desgaste erosivo se estabiliza en un valor y permanece aproximadamente constante durante la etapa productiva vida a la fatiga del mecanismo.

4. ETAPA PRODUCTIVA O VIDA A LA FATIGA DEL MECANISMO

Esta etapa es la ms importante en la vida del mecanismo y tiene un rango de desgaste erosivo que permanece aproximadamente constante a lo largo de su perodo de explotacin y que con los lubricantes que se conocen en la actualidad no puede llegar a ser cero; es caracterstico para cada uno de los metales que constituyen el mecanismo y depende de sus condiciones de operacin, del tipo de aceite utilizado, del ndice de viscosidad (IV) y de la eficiencia de la filtracin. La frecuencia de cambio del aceite la determina la tendencia al desgaste erosivo del mecanismo, la cual la especifica el fabricante y en caso tal de que no se conozca es necesario determinarla mediante el anlisis peridico del contenido de metales en ppm presentes en el aceite cada vez que ste se cambia. Los factores que ms inciden para que el mecanismo alcance su vida a la fatiga, para que sea mayor para que sta se reduzca considerablemente son el IV y la calidad de la filtracin del aceite.El contenido de metales en ppm presentes en el aceite se analiza por espectro fotometra de emisin atmica y se lleva a cabo cada vez que el aceite se cambie; la cantidad de partculas metlicas debe ser aproximadamente igual a la tendencia al desgaste del mecanismo, si es menor es un buen sntoma de que el mecanismo est trabajando correctamente y si es mayor es porque algo anormal est sucediendo. En este ltimo caso se cambia el aceite y en el perodo que sigue se le analiza el contenido de metales por lo menos tres veces antes de que se cumpla la frecuencia de cambio, si la situacin se normaliza el problema fue ocasionado probablemente por sobrecargas por contaminacin del aceite con polvo del medio ambiente lo cual se podra comprobar si el contenido de Silicio (Si) en ppm fue alto cuando se present el desgaste del mecanismo por fuera de su tendencia normal, en caso contrario si el problema del alto contenido de partculas metlicas en ppm en el aceite persiste, es necesario en el perodo que sigue hacerle un seguimiento al mecanismo con tcnicas como el chequeo de la temperatura de operacin, anlisis del espectro frecuencial de las vibraciones para determinar si hay algn tipo de problema en el mecanismo como desalineamiento, desbalanceo, roces, solturas, etc, conteo de partculas segn ISO 4406 y ferrografa; comparando los resultados de estas tcnicas es factible conocer con mucha exactitud la causa real del desgaste del mecanismo.

5. ETAPA FINAL O REMANENTE DEL MECANISMO

Una vez que se ha alcanzado la vida a la fatiga del mecanismo, la curva de desgaste se vuelve ascendente y el anlisis del contenido de metales en ppm entre cambios del aceite va mostrando una rata de crecimiento exponencial lo cual es un claro indicio de que la vida del mecanismo est llegando a su fin. En esta etapa es muy importante conocer con mucha aproximacin cuando se debe parar la mquina para cambiarle dicho mecanismo, ya que si se hace a destiempo se desaprovechara parte de su vida residual generando costos de mantenimiento y prdidas de produccin y por el contrario si se sobrepasa el tiempo mximo que puede trabajar el mecanismo con confiabilidad se producira su falla catastrfica con graves consecuencias para el sistema productivo de la empresa.

Para determinar con mucha exactitud el momento en que se debe parar la mquina para intervenirla, es necesario utilizar tcnicas de monitoreo como el chequeo de la temperatura de operacin, anlisis del espectro frecuencial de las vibraciones, conteo de partculas segn ISO 4406 y ferrografa. Esta ltima tcnica es una de las ms importantes ya que conociendo el tamao de las partculas, su forma y el tipo de material es factible conocer la gravedad y el tipo de desgaste que se est presentando en el mecanismo.

6. CURVA TRIBOLOGICA POSITIVA O NEGATIVA DE UN MECANISMO

La curva tribolgica positiva de un mecanismo se proyecta por debajo de la tendencia al desgaste especificada por el fabricante y se presenta cuando en su lubricacin se utiliza un aceite que por lo regular es sinttico con un IV mayor que el que se ha venido utilizando y / se mantiene el aceite con un cdigo ISO de limpieza mayor que el especificado para el tipo de mecanismo lubricado. Esta curva es de alta productividad y aumenta la confiabilidad de la mquina; no es fcil de obtener en la prctica porque se requiere un alto nivel de conocimientos por parte del personal de mantenimiento en los temas de la lubricacin y de la filtracin.

La curva tribolgica negativa de un mecanismo se proyecta por encima de la tendencia al desgaste especificada por el fabricante y se presenta por mltiples causas entre las que se tienen un mal asentamiento de las rugosidades, una operacin incorrecta del mecanismo, una mala lubricacin y altas vibraciones ocasionadas por desalineamiento , desbalanceo, etc. Esta curva es muy fcil de que se presente en la prctica y da lugar a que el mecanismo lubricado se tenga que cambiar mucho antes de la terminacin de su vida a la fatiga, generando altos costos de mantenimiento. Una vez que se detecta que la tendencia al desgaste del mecanismo es anormal se pueden hacer algunos correctivos para normalizarla siendo los ms importantes la utilizacin de lubricantes sintticos con altos IV y la implementacin de programas preventivos de filtracin del aceite. Si la temperatura de operacin del mecanismo, medida en la carcasa, es superior a los 50C se debe analizar si el calor generado es por exceso de friccin en el mecanismo en cuyo caso se debe hacer un estudio del coeficiente de friccin de la pelcula lubricante del lubricante utilizado y finalmente considerar la posibilidad de refrigerar el aceite para mantenerlo como mximo en 50C.

Captulo 2FUERZA DE FRICCIN: FACTOR NEGATIVO

EN LAS EMPRESAS INDUSTRIALES

1. INTRODUCCION

La friccin est presente en nuestras vidas todos los das y en algunos casos es imprescindible para poder desarrollar determinadas acciones como caminar, andar frenar un vehculo, generar fuego, fabricar piezas en un torno en una fresadora, etc; pero es completamente improductiva en los elementos de una mquina, los cuales podran fallar catastrficamente si no se lubricaran, y aunque esto se hiciera, si el lubricante no es el adecuado, el mecanismo, dentro de un proceso ms lento tambin se daara finalmente.

En las relaciones diarias con otras personas, la friccin el roce entre diferentes temperamentos, como popularmente se le conoce, conlleva a disgustos, enemistades y a otro tipo de problemas, porque no es posible lograr muchas veces el acoplamiento de personalidades y por lo tanto se presenta el rechazo. La friccin entre los seres humanos es necesario reducirla, para vivir en un mundo cada vez mejor.

La friccin en los componentes de mquinas, conlleva a la transformacin de energa til, aprovechable en trabajo productivo, en calor tanto para la mquina como para el ambiente, con el subsecuente nmero de problemas que las altas temperaturas de operacin generan para los mecanismos lubricados, para el aceite y para el ambiente, ya que aporta calor causante del cambio climtico.

Es muy importante el anlisis ingenieril de los fenmenos de friccin en las mquinas, para determinar si las causas que lo generan son mecnicas, operacionales de lubricacin, con el objetivo de controlarlas y reducirlas hasta llegar a eliminarlas algn da.

2. HISTORIA DE LA FRICCION

La friccin permiti el desarrollo del hombre primitivo, en pocas muy remotas, como en el ao 200.000 AC cuando invent la mquina para hacer fuego, y las brocas. Al descubrir la friccin y utilizarla para su propio bienestar tambin vio la necesidad que era necesario reducirla en otros tipos de mquinas, como en el torno de alfarero, utilizado para la fabricacin de vasijas de arcilla para los alimentos, en la cual, los elementos sometidos a friccin, al girar la tabla horizontal se desgastaban y era necesario lubricarlos. En esa poca para reducir la friccin se utilizaban agua, petrleo crudo, y grasas de origen animal y vegetal principalmente.

Posteriormente el hombre de la poca de las grandes civilizaciones mostr un gran inters por reducir la friccin en movimientos de traslacin como en el caso de los egipcios en el ao 2500 AC para el transporte de piedras hasta de 200 toneladas cada una para la construccin de monumentos y pirmides y ms adelante para reducir el desgaste de las ruedas y dems elementos utilizados en la guerra y en la vida diaria. El hombre moderno continua con el mismo inters de reducir al mximo la friccin, no solo en los diferentes componentes de las mquinas que utiliza en todo momento, sino tambin en su propio organismo y es as como hoy en da se ve el reemplazo de partes del sistema seo como las rtulas de las caderas por materiales termoplsticos auto-lubricados, de larga vida y compatibles con los tejidos humanos.

Terminando la edad media la era del oscurantismo, y empezando el renacimiento (ao 700 DC al 1500 DC), el artista cientfico Leonardo Da Vinci (1452-1519) plante conceptualmente por primera vez, las leyes fundamentales de la friccin, vigentes an hoy en da, en las cuales afirmaba que:

La fuerza de friccin es directamente proporcional al coeficiente de friccin y al peso del cuerpo en movimiento.

La fuerza de friccin depende del rea (microscpica) real de contacto y no del rea aparente del cuerpo deslizante.

En 1699 el fsico francs Guillaume Amontons (1663-1705) formul matemticamente las leyes de la friccin del movimiento por deslizamiento entre dos superficies planas. Otros cientficos como Robert Hooke (1635-1703), Isaac Newton (1643-1727), Charles Coulomb (1736-1806), y Osborne Reynolds (1842-1912) le hicieron aportes muy importantes al tema de la friccin entre dos cuerpos slidos, entre estos y los fluidos y en el interior de los fluidos.

3. FRICCION Y FUERZA DE FRICCION

La friccin es la oposicin que presentan dos zonas materiales en contacto, durante el inicio, desarrollo y final del movimiento relativo entre ellas, conlleva a consumo de energa, generacin de calor, desgaste y en algunos casos a fallas catastrficas.

Los cuerpos que se mueven pueden ser slidos, lquidos gaseosos, una combinacin de dos ms de ellos.

La friccin se define como fuerza de friccin (F), es negativa y se opone al movimiento y refleja que tanta energa mecnica se pierde cuando dos cuerpos inician el movimiento se mueven entre s y es paralela y opuesta al sentido del movimiento. Refleja que tan eficiente energticamente es el mecanismo durante su funcionamiento. La fuerza de friccin se calcula de la siguiente ecuacin:

F = f x W, Ecuacin No1

F: fuerza de friccin, kgf (lbf) f: coeficiente de friccin metal-metal, slido, mixto fluido, adimensional. W: fuerza normal que acta sobre una de las superficies de friccin, kgf (lbf).

La fuerza W que presiona un cuerpo sobre una superficie horizontal es equivalente a su peso y se denomina fuerza normal. Cuando el cuerpo descansa sobre un plano inclinado la magnitud de la fuerza normal depende del ngulo de inclinacin y es menor que el peso de dicho cuerpo (WCos).

Cuando el cuerpo reposa sobre una superficie horizontal dicho cuerpo presiona sobre la superficie con todo su peso y si la superficie est inclinada, por ejemplo 60, solo presiona con la mitad de su peso y la fuerza normal es de cero cuando el plano est en posicin vertical, puesto que el cuerpo y la superficie no se presionan entre s.

La fuerza normal sobre la superficie puede ser mayor que el peso si se ejerce una presin adicional sobre el cuerpo.

4. TIPOS DE FUERZAS DE FRICCION

La fuerza de friccin, puede ser esttica cintica. Fuerza de friccin esttica (Fe) Fuerza de friccin cintica (Fc)

Fuerza de friccin esttica (Fe )

La fuerza de friccin esttica (Fe) es una fuerza negativa mayor que la fuerza aplicada la cual no es suficiente para iniciar el movimiento de un cuerpo estacionario. Se genera debido a la rugosidad microscpica de las dos superficies, que interactan y se entrelazan, y entre las cuales se generan enlaces inicos y microsoldaduras formadas por la humedad y el oxigeno del aire.

Fuerza de friccin cintica (Fc )

La fuerza de friccin cintica (Fc) es una fuerza negativa que se presenta cuando un cuerpo se mueve con respecto a otro, se opone al movimiento y es de magnitud constante.

La fuerza de friccin cintica, entre dos cuerpos que se mueven entre si se puede presentar como:

Metal metal Slida Mixta Fluida

Fuerza de friccin cintica metal-metal

Tiene lugar cuando la rugosidad de una superficie metlica desliza directamente sobre la otra y el sistema tribolgico est constituido por dos cuerpos slidos, entre los cuales no hay un tercer elemento slido fluido que los separe. En la fuerza de friccin metal-metal cintica, tiene las siguientes caractersticas:

Puede ser de alta de mediana intensidad, dependiendo del tipo de materiales en contacto.

Ocasiona en la mayora de los casos que las superficies de friccin de los componentes de la mquina se suelden y la falla sea catastrfica, debido a la gran cantidad de calor generado cuando las crestas altas y pequeas chocan, se deforman elsticamente y luego plsticamente hasta fracturarse.

Ocurre de manera transitoria cuando los mecanismos lubricados de una mquina se ponen en operacin se detienen y la condicin final de lubricacin es Elastohidrodinmica fluida.

Fuerza de friccin slida cintica

Se presenta de manera transitoria siempre que los componentes de la mquina inician su movimiento paran. La fuerza de friccin slida cintica presenta las siguientes caractersticas:

Depende del tipo de aditivo antidesgaste que tenga el lubricante utilizado. Es de regular intensidad, y conlleva a un bajo nivel de desgaste adhesivo. Puede conllevar a altos niveles de desgaste adhesivo cuando la pelcula lubricante es fluida y se rompe debido a condiciones mecnicas u operacionales anormales en el mecanismo lubricado.

Fuerza de friccin mixta cintica

Se presenta de manera permanente cuando los mecanismos lubricados de una mquina trabajan bajo condiciones de lubricacin Elastohidrodinmica (EHL).

La intensidad de la fuerza de friccin mixta tiene las siguientes caractersticas:

Depende del tipo de aditivo extrema presin y de las caractersticas del lubricante utilizado. Es de mediana intensidad, y conlleva a un nivel de desgaste adhesivo moderado, que se presenta en los componentes lubricados durante el funcionamiento de la mquina. Se puede minimizar cuando se requiere un lubricante con un aditivo extrema presin de tipo EP1 y se utiliza un EP3 y se puede incrementar cuando se requiere un EP3 y se pasa a un EP1.

Fuerza de friccin fluida cintica

Tiene lugar cuando las superficies de friccin se mueven la una con respecto a la otra completamente separadas por un tercer elemento que por lo regular es un fluido.

La fuerza de friccin fluida cintica presenta las siguientes caractersticas:

Para un mismo espesor de pelcula lubricante, depende de si el lubricante utilizado es mineral, sinttico vegetal. En el caso del aceite mineral se define como la resistencia que presentan al corte las laminillas que constituyen la pelcula lubricante, un valor tpico es de 0,008. En el caso de los aceites sintticos como la resistencia a la rodadura de las esferas de igual dimetro que constituyen la pelcula lubricante, un valor tpico es de 0,006. En el caso de los aceites vegetales como la resistencia a la rodadura de las esferas de diferente dimetro que constituyen la pelcula lubricante, un valor tpico es de 0,007.

5. COEFICIENTE DE FRICCIN

El coeficiente de friccin caracteriza la fuerza de friccin, es el parmetro modificable para reducir las prdidas por friccin y hacer ms productivo el desempeo mecnico de los componentes de mquinas.

El coeficiente de friccin entre dos cuerpos que se mueven puede ser por deslizamiento por rodadura dependiendo de la forma geomtrica de las superficies que interactan. El coeficiente de friccin por rodadura es menor que por deslizamiento.

El valor del coeficiente de friccin por deslizamiento y por rodadura a su vez es funcin de la naturaleza del contacto que se presente entre los cuerpos sometidos a friccin, y puede ser:

Metal-metal por deslizamiento (fmmd) rodadura (fmmr)

Slido por deslizamiento (fsd) por rodadura (fsr)

Mixto por deslizamiento (fmd) por rodadura (fmr)

Fluido por deslizamiento (ffd) por rodadura (ffr)

El coeficiente de friccin metal-metal cintico es el ms alto, conlleva a elevadas prdidas de energa por friccin y alta generacin de calor y depende de la naturaleza de los materiales friccionantes en contacto. Por ejemplo cuando una superficie de acero rueda sobre otra de acero es de 0,30; este puede ser el caso de un rodamiento de bolas no lubricado al rodar las esferas sobre las pistas de rodadura en seco.

El coeficiente de friccin slida cintico depende del tipo de material que se le haya aplicado a las superficies metlicas que interactan como material de desgaste. Por ejemplo cuando se utiliza como material de desgaste el aditivo metlico ditiosfosfato de zinc sobre ditiosfosfato de zinc es en promedio de 0,10.

El coeficiente de friccin mixta por rodadura depende del tipo y cantidad de fluido y del material antidesgaste utilizado como lubricante que separa las dos superficies. Por ejemplo cuando es aceite mineral EP1 sobre aceite mineral EP1 es en promedio de 0,020.

El coeficiente de friccin fluida por rodadura depende del tipo de fluido utilizado como lubricante para separar las dos superficies. Por ejemplo cuando es aceite mineral sobre aceite mineral es en promedio de 0,0085.

En la Tabla No1 se especifican los valores tpicos de coeficientes de friccin por deslizamiento y rodadura en diferentes mecanismos y condiciones de lubricacin. Tabla No1

Valores tpicos de coeficientes de friccin por deslizamiento y rodadura en diferentes mecanismos y condiciones de lubricacin

Coeficiente de friccin

Metal-metal

fmmSlido

fsMixto

fmFluido

ff

Desliz.

fmmdRod.

fmmrMineral

fsdSinttico

fsdEP1

1ra GeneracinEP2

2da GeneracinEP3

3ra Generacin Mineral

ffdSintt.ffr

Mineral

fmdSinttico

fmrMineral

fmdSinttico

fmrMineral

fmdSinttico

fmr

Mecanismo

Rodamiento rgido de bolas

0,330,110,090,0190,0170,0160,0140,0130,0110,00850,0075

Rodamiento de bolas de contacto angular

0,370,120,100,0200,0180,0170,0150,0140,0120,0090,008

Rodamiento de bolas a rtula

0,310,100,090,0190,0170,0160,0140,0130,0110,0080,007

Rodamiento axial de bolas

0,300,130,100,0200,0180,0170,0150,0140,0120,00830,0073

Rodamiento de rodillos cilndricos

0,320,110,100,0220,0200,0190,0170,0160,0140,00810,0071

Rodamiento de rodillos cnicos, esfricos y a rtula

0,340,180,120,0210,0190,0180,0160,0150,0130,00880,0078

Rodamiento de agujas

0,400,120,090,0190,0170,0160,0140,0130,0110,00950,0085

Engranajes cilndricos de dientes rectos y helicoidales

0,420,140,100,0270,0250,0240,0220,0210,0190,0090,008

Engranajes sinfn-corona

0,470,170,120,0420,0400,0390,0370,0360,0340,00950,0085

Cojinetes lisos

0,450,160,110,0340,0320,0310,0290,0280,0260,0080,007

Notas: (1) Por lo regular los engranajes sinfn-corona no trabajan bajo condiciones de lubricacin HD sino EHL.

(2) En cojinetes lisos el coeficiente de friccin fluida se calcula ms exactamente por la ecuacin de Sommerfeld

(3) El coeficiente de friccin equivalente fe para aceite salpicado es de 0,010 y para aceite aplicado a presin es de 0,005.

(4) fmmd y fmmr son los coeficientes de friccin metal-metal por deslizamiento y rodadura respectivamente.

(5) fsd y fsr son los coeficientes de friccin slida por deslizamiento y rodadura respectivamente.

(6) fmd y fmr son los coeficientes de friccin mixta por deslizamiento y rodadura respectivamente.

(7) ff y ff son los coeficientes de friccin fluida por deslizamiento y rodadura respectivamente.

(8) Al utilizar un aceite de una viscosidad mayor que la requerida es necesario incrementar el coeficiente de friccin en un factor equivalente a 1,15 por cada grado ISO superior al requerido.

6. GENERACION DE CALOR

La cantidad de calor que se genera entre superficies de componentes de mquinas que estn en contacto directo es tan alta que puede conllevar a que las rugosidades de las dos superficies se suelden al alcanzar el punto de fusin de los materiales. Inicialmente, al originarse el contacto metal-metal, la resistencia que ofrecen al movimiento el nmero de puntos soldados es inferior al torque generado por la mquina conducida, por lo que el mecanismo sigue operando a una temperatura de operacin superior a la normal con un determinado nivel de desgaste adhesivo. Luego a medida que transcurre esta situacin, la temperatura sigue en aumento con el consecuente nmero de puntos soldados de las crestas de las rugosidades, hasta que finalmente su resistencia es mayor que el torque aplicado y la mquina se frena dando lugar a la falla catastrfica del mecanismo donde ocurri el contacto metal-metal, y en muchas ocasiones de otros componentes de la mquina, hasta el punto que es necesario reemplazarla en su totalidad.

Cantidad de calor generado dependiendo del tipo de fuerza de friccin

En una mquina compleja, sus diferentes mecanismos estn constituidos por engranajes, rodamientos, cojinetes lisos, guas, cadenas y acoples; los cuales estn expuestos a bajos altos consumos de energa por friccin, generacin de calor y por lo tanto a una temperatura de operacin mayor que la del ambiente.

La cantidad de calor generado en un componente de mquina depende del tipo de componente, de las condiciones operacionales a las cuales est sometido y del tipo de friccin que se presente en dicho componente. En la Tabla No2 se especifican las frmulas que se pueden utilizar para calcular el calor generado en rodamientos, cojinetes lisos y engranajes.

Tabla No2

Clculo del calor generado en diferentes componentes de mquinas MecanismoFrmulaEcuacin

Rodamiento

Cojinete liso

EngranajeQf = 4,42x10-3fWddnQf = 26,46fWddn

Qf = 632,5P(1 - et)No2

No3

No4

Parmetro:

Qf: Calor generado por friccin, kcal/hr. f: Coeficiente de friccin, adimensional. Depende del tipo de lubricacin. Wd: Carga dinmica que acta sobre el rodamiento o cojinete liso, kgf. d: Dimetro del eje, cm. n: Velocidad a la cual gira el eje, rpm.

P: Potencia disponible en el eje de entrada de la transmisin, kw. et: Eficiencia total de la transmisin, adimensional.

7. FALLA CATASTROFICA

La falla catastrfica se define como aquella condicin en la cual el mecanismo de una mquina queda totalmente inservible por excesivo desgaste adhesivo, cambio de su forma geomtrica desintegracin de su estructura metlica.

La falla catastrfica en cualquier elemento mecnico se presenta como resultado del contacto metal-metal entre las superficies de friccin del componente mecnico.

Las causas que conllevan a que se presente la falla catastrfica son: Temperatura de operacin superior a la mxima permisible. Viscosidad del lubricante inferior a la requerida. Bajo nivel de aceite. Aceite contaminado con agua, gases, combustible, etc. Sobrecargas por problemas operacionales mecnicos (desbalanceo, desalineamiento, etc). Valores de vibracin por encima del valor normal.

Caso histrico

Una bomba centrfuga, que bombea gasolina en una planta petroqumica, desde un tanque a presin atmosfrica hasta otro de almacenamiento, present falla catastrfica, en los tres rodamientos de apoyo del eje de la bomba centrfuga como resultado de la disminucin de la Cabeza Neta de Succin Disponible (NPSH)d, al disminuir la altura H de la gasolina en el tanque desde el cual se alimenta la bomba centrfuga. Se requiere comprobar si la causa de la falla de los rodamientos fue un problema de contacto metal-metal por rotura de la pelcula lubricante debido al calor generado.

Datos tcnicos: Tipo de rodamientos: uno rgido de bolas en el lado impulsor y dos de bolas de contacto angular en el lado acople. Velocidad de operacin: 1800 rpm. Temperatura de operacin: 60C Temperatura ambiente: 35C Carga dinmica sobre el rodamiento rgido de bolas: 2500 kgf Carga dinmica sobre cada rodamiento de bolas de contacto angular: 3200 kgf. Dimetro interior de los rodamientos: 12 cm. Aceite utilizado: ISO 68 Mtodo de lubricacin: por anillo. Condicin de lubricacin: hidrodinmica (HD). Area de transferencia de calor de la carcasa donde van alojados los rodamientos: 5950 cm2.

Valores de Calor total generado por los tres rodamientos:

Un rodamiento rgido de bolas:

Qf = 4,42x10-3x0,0085x2500kgfx12cmx1800 rpm = 2028,78 kcal/hr

Dos rodamientos de bolas de contacto angular:

Qf = 2x4,42x10-3x0,009x3200kgfx12cmx1800 rpm = 5499,18 kcal/hr

Calor total generado por los tres rodamientos: 7527,96 kcal/hr

Temperatura final debido al calor total generado:

El calor (Q) generado por friccin lo absorbe el aceite y lo disipa la carcasa donde van alojados los rodamientos. Este calor es igual a:

Q = At ht T, kcal/hr

Donde:

At: Area de la carcasa, 5950 cm2

ht: Transmitancia conductividad trmica del material de la carcasa, 0,00252 kcal/cm2xCxhr

T: Diferencial de temperatura entre la carcasa y el ambiente, C

Por lo tanto:

T = Q/At ht, C

T = (7527,96 kcal/hr)/(1,8kgxcm/minxcm2xC)x5950 cm2 = 500,15C

Top = 500,15 + 35C = 535,15C

La Top de 500,15C rompe completamente la pelcula lubricante y hace que las propiedades mecnicas de los rodamientos se afecten a un punto tal que se genera su falla catastrfica de manera inmediata, como efectivamente ocurri en los rodamientos de la bomba centrfuga.

8. CARACTERISTICAS DE LA FUERZA DE FRICCION

Es directamente proporcional a la carga normal que acta entre las dos superficies.

Depende del tipo de material de los cuerpos y del estado de sus superficies.

Es independiente del rea real de contacto entre las superficies.

Es independiente de la velocidad relativa entre los cuerpos.

Depende de la naturaleza del proceso de lubricacin que ocurra entre los dos cuerpos.

9. CONSECUENCIAS DE LA FUERZA DE FRICCION

Prdida de potencia til aprovechable para trabajo productivo.

Generacin de calor.

Elevacin de la temperatura de operacin.

Fatiga trmica de los componentes de mquinas con reduccin de su vida de servicio.

Oxidacin prematura del aceite y altos costos de lubricacin.

Elevados costos de produccin con disminucin del nivel competitivo de la empresa.

10. CONTROL DE LA FUERZA DE FRICCION

Mejoramiento de la rugosidad de las superficies en contacto.

Uso eficiente de la lubricacin.

Implementacin de lubricantes con aditivos antidesgaste y EP de alta tecnologa.

Uso de lubricantes con alto ndice de viscosidad.

Utilizacin de materiales con menores coeficientes de friccin.

11. BENEFICIOS AL CONTROLAR LA FUERZA DE FRICCION

Los ms importantes son: Mayor confiabilidad y disponibilidad de las mquinas. Disminucin de los costos de operacin por menos paros en la maquinaria. Menos mantenimiento al reducir el desgaste adhesivo en los componentes lubricados. Reduccin del consumo de energa por friccin en las mquinas. Menores niveles de contaminacin. Mayor competitividad de las empresas. Captulo 3CALCULO DEL AHORRO DE ENERGIA

POR MENOR FRICCION1. INTRODUCCIONLa industria moderna con la globalizacin de la economa ha entrado en un mercado altamente competitivo que la ha obligado ha revaluar todos sus procesos productivos para determinar en cuales no es rentable y reformarlos o en caso contrario prescindir de ellos porque de otra manera estara condenada a mediano o a largo plazo a tener que cerrar sus puertas con graves perjuicios para sus inversionistas y trabajadores. Con el fin de incrementar su productividad la industria ha venido implementando programas como los de Re-ingeniera en todos sus procesos, Crculos de Calidad Total, Mantenimiento Productivo Total y otros tantos que han venido apareciendo en la medida en que los que se estn utilizando muestran sus debilidades y quedan obsoletos. Sea cual sea el caso la mayora de los programas cumplen bien o mal con el objetivo de bajar los costos de produccin y mejorar la calidad de los productos; dicho en otras palabras incrementan la productividad de los procesos y por consiguiente la de las empresas. Con el fin de complementar los programas que ya estn funcionando, en este trabajo se va a estudiar como mediante el control de los diferentes fenmenos de la friccin a los cuales estn expuestos los mecanismos de una mquina es factible disminuir los costos de operacin (menos consumo de energa), costos de mantenimiento y las prdidas de produccin (disminucin de los paros en la maquinaria).La friccin presente en nuestras vidas es necesaria e imprescindible para poder llevar a cabo acciones como caminar, andar o frenar un vehculo, generar fuego, fabricar piezas en un torno o en una fresadora, etc.; pero es completamente improductiva en los elementos de una mquina, los cuales podran fallar catastrficamente si no los lubricramos. La friccin es tan peligrosa que an utilizando un lubricante, si este no es el adecuado, el mecanismo, dentro de un proceso ms lento tambin se daara finalmente. La friccin tal y como la conocemos hoy en da en las mquinas se puede controlar y an reducir mediante la utilizacin eficiente de la lubricacin. Los grandes desarrollos en esta materia permiten formar pelculas ms eficientes y resistentes al desgaste, con menores esfuerzos a la cizalladura que conllevan a reducir el desgaste en los mecanismos y el consumo de energa. Mediante el estudio adecuado de los diferentes tipos de pelculas lubricantes que se forman en los mecanismos y la seleccin correcta del lubricante es factible lograr sistemas ms productivos en las empresas que permitan no solamente competir sino tambin disminuir los altos niveles de contaminacin a los cuales estamos expuestos hoy en da los seres humanos.2. PUESTA EN MARCHA Y OPERACION DE UN MECANISMO Quizs una de las condiciones ms crticas en la operacin de un mecanismo es en el momento en que se pone en marcha, ya sea por primera vez (an ms crtica) o despus de que ha permanecido detenido durante algn perodo de tiempo. Cuando un elemento mecnico (engranajes, rodamientos, cadenas, etc.) se detiene las superficies sometidas a friccin se acercan y sus rugosidades interactan en la medida en que la velocidad tienda a cero. Cuando finalmente no hay movimiento, un buen porcentaje de las rugosidades de las dos superficies quedan entrelazadas en forma semejante a como quedan los dientes de dos serruchos cuando se superponen.; imaginmonos que podra suceder si en la realidad tomsemos dos serruchos y los colocramos de tal forma que todos sus dientes quedaran entrelazados y luego le aplicramos a uno de ellos una fuerza suficiente como para ponerlo en movimiento?; seguramente que todos supondramos lo mismo basados en que si la fuerza aplicada es lo suficientemente alta, la gran mayora de los dientes se fracturaran quedando inservibles los dos serruchos. Pues bien, algo similar sucede en las mquinas cuando sus mecanismos se lubrican de una manera inadecuada, se utiliza el lubricante incorrecto o este despus de cierto tiempo de trabajo ya ha perdido sus propiedades lubricantes.

En el momento de la puesta en marcha de un mecanismo, las crestas de las rugosidades de las dos superficies se encuentran entrelazadas y su separacin depender de las caractersticas de untuosidad (lubricidad) o de las propiedades anti-desgaste del lubricante que se este utilizando. Esta caracterstica del lubricante forma una capa que se conoce como pelcula lmite la cual aisla las dos superficies metlicas permitiendo, junto con la elasticidad del material, que en el momento de la puesta en marcha del mecanismo las rugosidades se deformen elsticamente y pasen deslizndose las unas con respecto a las otras sin soldarse. Tericamente durante la puesta en marcha de un mecanismo no hay desgaste siempre y cuando el lubricante garantice la formacin de la pelcula lmite y el material tenga la elasticidad adecuada; sin embargo, en la prctica se presenta el contacto metal - metal entre las dos superficies durante un instante de tiempo infinitamente pequeo al desgastarse la pelcula lmite. El tiempo que se demora en reaccionar el producto que forma la pelcula lmite permite el desgaste adhesivo y por consiguiente el desprendimiento de partculas metlicas.La eficiencia de un buen lubricante para condiciones de pelcula lmite depende de la velocidad de reaccin de sus compuestos de untuosidad o de sus aditivos anti-desgaste con las superficies metlicas, del espesor de la pelcula lmite y de su coeficiente de friccin slida (entre ms bajo sea este valor la rata de desgaste de la pelcula lmite es menor, disminuyendo as el desgaste metlico porque el nmero de contactos dentro de un perodo de tiempo determinado sern menores).

Una vez que el mecanismo se pone en marcha, las crestas de las rugosidades de las dos superficies chocan pero se irn separando lentamente debido al bombeo de aceite originado por el desplazamiento de la superficie en movimiento. En operacin, el parmetro que ms influye en la formacin de la pelcula lubricante es la velocidad y en menor grado la viscosidad del lubricante. Finalmente las dos superficies quedan completamente aisladas y la una flota sobre la otra en forma similar a como navega un barco sobre la superficie del agua. Cual ser el desgaste del mecanismo en esta nueva condicin?, ninguno al igual que en el caso de la pelcula lmite, porque las dos superficies metlicas quedan recubiertas por una capa del lubricante y sobre estas se deslizan las dems capas, presentndose por lo tanto la friccin entre las capas del lubricante y no entre stas y las superficies metlicas. La resistencia a la cizalladura que estas capas presentan se conoce como friccin fluida y las condiciones de lubricacin como pelcula fluida.

En la practica real siempre se presenta cierta cantidad de desgaste de las superficies metlicas en condiciones de pelcula fluida como resultado de la remocin de la capa del lubricante que se encuentra adherida a las superficies debido al cambio del tipo de flujo de la pelcula lubricante que puede pasar de laminar (Re ( 2000) a turbulento (Re > 2000; en lubricacin se considera turbulento a partir de este valor) haciendo que el desorden generado en la pelcula fluida desprenda la capa del lubricante que esta adherida a las superficies metlicas y que el fluido friccione directamente con dichas superficies ocasionando desgaste erosivo.El Nmero de Reynolds (Re) que define el tipo de flujo se puede calcular de la siguiente ecuacin:

Re = v d / , adimensional Ecuacin No1

El Nmero de Reynolds (Re) que define el tipo de flujo se puede calcular de la siguiente ecuacin:Donde:

Re: Nmero de Reynolds, adimensional.

v: velocidad del aceite.

d: dimetro de la tubera.

: viscosidad cinemtica del aceite.

Estos parmetros deben estar en las unidades correspondientes.Se puede concluir que un mecanismo estar expuesto a un menor nivel de desgaste durante su operacin normal bajo condiciones de pelcula fluida mientras se pueda garantizar que el tipo de flujo es laminar, el cual a su vez depende de la estabilidad de la viscosidad del aceite con los cambios de temperatura (Indice de Viscosidad). Idealmente el desgaste de un mecanismo que trabaja bajo condiciones de lubricacin fluida sera cero si la viscosidad del aceite no variara con la temperatura, o sea que fuera constante. Desafortunadamente la tecnologa en lubricacin vigente en la actualidad an no ha llegado a la formulacin de este tipo de aceites. Se estar lejos de esta realidad?, por supuesto que no! Pero mientras que esto ocurre, la clave en condiciones de lubricacin de pelcula fluida es utilizar lubricantes con altos Indices de Viscosidad (IV). Hasta ahora se ha hablado de la reduccin del desgaste en mecanismos que una vez que alcanzan su velocidad nominal de operacin sus superficies se separan alcanzando condiciones de lubricacin fluida, pero que ocurrir con aquellos mecanismos como engranajes de hornos cementeros, cojinetes de rodillos en cilindros de laminacin, rodamientos de cilindros de secado en textileras y papeleras, etc., en los cuales las cargas transmitidas son tan elevadas y las velocidades tan bajas que el suministro de aceite hacia las zonas sometidas a friccin es mnimo?. En mecanismos como estos las superficies metlicas sometidas a friccin nunca llegan a separarse y por consiguiente las crestas de las rugosidades siempre van a estar interactuando requirindose por lo tanto que el lubricante que se utilice forme una pelcula lmite de una resistencia al desgaste mayor que la pelcula que se forma en los mecanismos cuyas superficies interactan solamente en el momento del arranque y luego se separan. Este tipo de lubricacin se conoce con el nombre de lubricacin Elastohidrodinmica (EHL) y requiere la utilizacin de lubricantes del tipo de Extrema Presin (EP) en los cuales el producto utilizado como anti-desgaste tiene la capacidad de soportar mayores cargas sin que se rompa la pelcula lmite. 3. TIPOS DE LUBRICACIONLubricacin Lmite

Es la formacin de una capa que se adhiere a las superficies metlicas e impide que cuando estas deslicen la una sobre la otra se presente el contacto metal-metal y por consiguiente el desgaste adhesivo. La lubricacin por pelcula lmite se presenta siempre que un mecanismo arranque se detenga.

Lubricacin Mixta

Es una condicin intermedia entre las pelculas lmite e hidrodinmica, en la cual un buen porcentaje de las crestas de las dos superficies interactan presentndose la pelcula lmite y otras ya estn separadas en las cuales la pelcula lmite no desempea ninguna labor. En lubricacin mixta el desgaste y el consumo de energa dependen tanto de las caractersticas de la pelcula lmite como de la resistencia a la cizalladura de la pelcula fluida y de su estabilidad (IV).Lubricacin Hidrodinmica

Se presenta cuando las dos superficies metlicas estn completamente separadas y la pelcula lmite ya no desempea ninguna labor. El consumo de energa depende de la resistencia a la cizalladura de la pelcula fluida y el desgaste de la estabilidad de sta con los cambios de temperatura (IV).

Lubricacin Elastohidrodinmica (EHL)

Este es un tipo interesante de lubricacin que desde su descubrimiento por los profesores britnicos Duncan Dowson y Gordon Higginson en la dcada de los aos 50s marc el verdadero comienzo a la solucin 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 pelcula lmite fluida. La lubricacin EHL se presenta en mecanismos en los cuales las rugosidades de las superficies de friccin trabajan siempre entrelazadas y nunca llegan a separarse. En este caso las crestas permanentemente se estn deformando elsticamente y el control del desgaste y el consumo de energa depende de la pelcula adherida a las rugosidades. Se podra denominar esta pelcula como lmite pero de unas caractersticas de soporte de carga y de resistencia al desgaste mucho ms elevadas que las que forma la pelcula lmite propiamente dicha. En la lubricacin EHL la lubricacin lmite es permanente, sea que no hay mucha diferencia entre las condiciones de lubricacin en el momento de la puesta en marcha del mecanismo y una vez que este alcanza la velocidad nominal de operacin.La definicin de la lubricacin Elastohidrodinmica se puede explicar as: Elasto: elasticidad, sea que la cresta de la irregularidad en el momento de la interaccin con la cresta de la otra superficie se deforma elsticamente sin llegar al punto de fluencia del material; Hidrodinmica, ya que una vez que ocurre la deformacin elstica la pelcula de aceite que queda atrapada entre las rugosidades forma una pelcula hidrodinmica de un tamao microscpico mucho menor que el que forma una pelcula hidrodinmica propiamente dicha. En la lubricacin hidrodinmica el espesor de la pelcula lubricante puede ser del orden de 5 (m en adelante, mientras que en la EHL de 1 (m menos.

4. TIPOS DE LUBRICANTESPara Lubricacin lmite

Las propiedades del lubricante para frotamiento lmite son independientes de la viscosidad y se denominan untuosidad. Los compuestos de untuosidad son sustancias que tienen una gran afinidad por las superficies metlicas; sus molculas adheridas a stas mantienen su posicin y se oponen a las fuerzas de desplazamiento. Sus caractersticas ms importantes son: estabilidad qumica a altas temperaturas, alta velocidad de reaccin, baja toxicidad por efecto de los vapores por la posibilidad de que se presenten infecciones en la piel y compatibilidad con los aceites a los cuales se les aaden estos compuestos.Los productos ms utilizados son los cidos grasos por sus caractersticas de untuosidad y ciertos compuestos qumicos como el Tricresil-Fosfato, el Ditiosfosfato de Zinc, los Esteres Clorados, el Naftenato de Plomo (hoy en da es poco utilizado por su agresividad al ambiente), el Tetracloruro de Carbono y las parafinas cloradas por su afinidad qumica con las superficies metlicas. El agua aunque tiene una buena viscosidad, es un psimo lubricante para condiciones de rgimen lmite porque carece de propiedades de untuosidad y de afinidad qumica. El cido graso es un ingrediente comn en todos los aceites y grasas de origen animal, vegetal y de pescado. Los cidos grasos ms importantes son el aceite Esterico (manteca de cerdo y sebo de carnero y de vaca); el cido palmtico (aceite de semilla de algodn y de palma) y el aceite oleico (de origen vegetal y animal).Las caractersticas de untuosidad de los cidos grasos es de tipo molecular y se debe a la cadena hidrocarbonada (OH y O) de los grupos carboxlicos en los cuales el extremo activo de la molcula se fija qumicamente a la superficie metlica. La velocidad de reaccin depende de la naturaleza del metal, de la carga y de la velocidad de deslizamiento. Cuanto ms larga sea la cadena hidrocarbonada y mayor el nmero de tomos de carbono ms eficiente ser la separacin de las superficies metlicas y menor el coeficiente de friccin. Los aceites minerales de bases parafnicas puras carecen de grupos carboxlicos OH y O (son de carcter no polar y qumicamente inactivos) por lo que son malos para condiciones de pelcula lmite, mientras que los asflticos si los tienen lo cual los hace aptos para ste tipo de lubricacin.La utilizacin en la formulacin de un aceite de los compuestos de untuosidad de los que son qumicamente activos con las superficies metlicas, depende de la compatibilidad de stos con los dems aditivos del aceite, de los contaminantes a los cuales va a estar expuesto el aceite durante su funcionamiento y de las condiciones de operacin del equipo. Para lubricacin fluida

Para este tipo de lubricacin se debe seleccionar un lubricante que tenga una baja resistencia a la cizalladura de tal forma que permita reducir el consumo de energa necesario para hacer que la superficie mvil se desplace fcilmente sobre la superficie estacionaria. Para este tipo de lubricacin, los lubricantes que presentan un mejor desempeo son los sintticos que se caracterizan por tener coeficientes de friccin fluida en promedio entre un 5 y un 20% por debajo de los aceites minerales.Para lubricacin Elastohidrodinmica (EHL)

En lubricacin EHL los aditivos de Extrema Presin (EP) utilizados deben tener una baja resistencia a la cizalladura tanto para condiciones de pelcula lmite (condicin ms crtica) como fluida (cuando se deforman elsticamente las crestas de las dos superficies). La eficiencia de estos aditivos depende de la velocidad conque reaccionen (reactividad) con las superficies metlicas, sin embargo si es muy reactivo en una aplicacin donde no se necesita, es perjudicial, ya que se presentara una excesiva corrosin qumica.Los aditivos EP pueden ser de 1ra, 2da y 3ra generacin. La utilizacin de uno u otro tipo depender del grado de desarrollo que tenga la Tribologa y la Lubricacin (liderazgo, programas, conocimientos, etc.) dentro de la empresa en la cual se quiere implementar un programa de ahorro de energa y de disminucin de desgaste basados en el control de la friccin.Lubricantes EP de 1ra generacinSe utilizan cuando se tienen factores de seguridad de la pelcula lubricante (, mayores iguales a 0,70. El desempeo de estos lubricantes es bueno, pero su coeficiente de friccin combinado fc (friccin slida y fluida) es alto y dan lugar a un rea de soporte de carga equivalente a un 25% del rea aparente del mecanismo. De este tipo de lubricantes se tienen dos grupos generales: Compuestos Compound que son una mezcla de un 95-97% de aceite mineral sinttico y un 3-5% de cidos grasos (por lo regular manteca de cerdo); reaccionan con las superficies metlicas a temperaturas menores iguales a los 80C y por encima de este valor se desprenden dando lugar al contacto metal-metal y por lo tanto al desgaste del mecanismo.

Compuestos de tipo qumico como los Esteres Clorados, la manteca de cerdo sulfurada y el Tricresilfosfato. Estos aditivos reaccionan qumicamente con las superficies metlicas por encima de los 80C; por debajo de esta temperatura su velocidad de reaccin es muy baja no reaccionan. Cuando la temperatura de las rugosidades de un mecanismo que funciona bajo condiciones de lubricacin EHL es fluctuante y puede variar entre menos y ms 80C se deben utilizar lubricantes que tengan aditivos a base de cidos grasos y de tipo qumico. Como en la prctica es difcil cuantificar en forma precisa esta temperatura, se toma como referencia para utilizar uno u otro tipo de aditivos una temperatura de 50C en la superficie de la carcasa en la cual se encuentra alojado el mecanismo. Lubricantes EP de 2da generacinSe utilizan cuando se tienen factores de seguridad de la pelcula lubricante (, mayores iguales a 0,20 y menores de 0,70. Estos lubricantes se caracterizan porque son una mezcla de un 95-97% de aceite mineral sinttico y un 3-5% de un lubricante de pelcula slida como el Bisulfuro de Molibdeno, el grafito, el Tungsteno el Tefln. El ms utilizado en la actualidad es el Bisulfuro de Molibdeno, el cual fue desarrollado por los alemanes en la II Guerra Mundial. Este lubricante se caracteriza porque adems de recubrir totalmente el perfil de las rugosidades de las dos superficies, rellena parte de los valles de las mismas, incrementando el rea de soporte de carga a un 40% del rea total del mecanismo. El coeficiente de friccin combinado de estos lubricantes es menor que el de los de primera generacin. Lubricantes EP de 3ra generacinSe utilizan cuando se tienen factores de seguridad de la pelcula lubricante (, mayores iguales a 0,07 , y se pueden utilizar en reemplazo de los de 1ra y 2da generacin. Estos lubricantes poseen aditivos de base rgano-metlica, los cuales cuando las superficies de friccin estn sometidas a elevadas presiones liberan tomos metlicos que eutecticamente bajan el punto de fusin de las crestas ms sobresalientes, haciendo que se deformen plsticamente llenando los valles de las irregularidades de las superficies. El rea de soporte de carga llega a ser hasta un 75% del rea total del mecanismo. Estos lubricantes presentan los coeficientes de friccin combinados ms bajos dentro del grupo de lubricantes EP. Para valores del factor de seguridad de la pelcula lubricante ( menores de 0,07, el tipo de lubricacin necesariamente debe ser Hidrosttica. Las ventajas ms importantes de estos lubricantes son el menor consumo de energa, menor fatiga de las piezas lubricadas al aumentar el rea de soporte de carga, correccin de fallas como pitting incipiente descostrado en dientes de engranajes, reduccin de la temperatura de operacin, del nivel del ruido y las vibraciones.

5. CALCULO DEL TIPO DE PELICULA LUBRICANTE Siempre que se vaya a llevar a cabo un programa de ahorro de energa es necesario conocer bajo que condiciones de lubricacin (fluida EHL) trabajan los elementos del equipo rotativo al cual se le va a hacer el estudio. A nivel prctico, se considera que un mecanismo trabaja bajo condiciones de pelcula fluida, si el fabricante del equipo no recomienda para su lubricacin, lubricantes con aditivos EP y EHL si los recomienda. En caso tal de que no se conozcan las recomendaciones del fabricante, es necesario calcular el tipo de pelcula lubricante mediante la utilizacin de los mtodos de clculo existentes para este propsito.6. CALCULO DEL CONSUMO DE ENERGIA POR FRICCION (CEf)

Las siguientes ecuaciones se pueden utilizar para calcular el consumo de energa en diferentes tipos de mecanismos:Rodamientos

CEf = 5,14x10-6 f Wdn, kw Ecuacin No2

Donde:

CEf: consumo de energa, kw.

f: coeficiente de friccin del lubricante, adimensional.

W: carga, Kgf.

d: dimetro interior del rodamiento, cm.

n: velocidad, rpm.

Cojinetes lisos

CEf = 0,03077 fWdn, kw Ecuacin No3

Donde:

CEf: consumo de energa, kw.

f: coeficiente de friccin del lubricante, adimensional.

W: carga , kgf.

d: dimetro del eje, m.

n: velocidad del eje, rps.

Reductores de velocidadCEf = 0,7357P(1 et), CV Ecuacin No4

Donde:

P: Potencia, CV

et : eficiencia total de la transmisin, adimensional.

La et se calcula de: et = e1-2 x e3-4 x .... x ee1 x ee2 x ee3 x .... x ea1 x ea2 x .... x en.Donde: e1-2 , e3-4 , ... etc.: eficiencia del par de engranajes 1-2 , 3-4 , .... , etc. ee1 , ee2, ee3, ....... , etc: eficiencia promedio de los rodamientos ( de los cojinetes lisos) 1 y 2, 3 y 4, 5 y 6, ...etc, montados en los ejes 1,2,3, ... etc, y se calcula en cada eje de la suma promedio de las eficiencias de cada rodamiento ( cojinete liso). ea1, ea2, ... , etc.: eficiencia equivalente del aceite salpicado ( que circula) por los engranajes 2,4, ... , etc, que se sumergen parcialmente dentro del aceite. El valor de f para aceite salpicado circulado aparece en la Nota (3) de la Tabla No1. en: eficiencia de otros elementos montados en el reductor de velocidad. La eficiencia e es igual a: e = 1 f; donde f es el coeficiente de friccin que depende del tipo de pelcula lubricante, sea si es fluida EHL, y se obtiene de la Tabla No1.7. COEFICIENTES DE FRICCION

El coeficiente de friccin del lubricante (slido, fluido combinado EHL) es uno de los parmetros ms importantes que se deben tener en cuenta cuando se seleccione el lubricante para una aplicacin especfica y depende del tipo de mecanismo que se vaya a lubricar. En el caso de rodamientos es mucho menor que cuando se trata de cojinetes lisos, ya que en los rodamientos, sea la lubricacin lmite EHL, las rugosidades engranan por la curvatura de los elementos rodantes, mientras que en los cojinetes lisos, interactan entre s, y estn sometidas a deformacin elstica. El valor del coeficiente de friccin se encuentra en el catlogo del fabricante del lubricante, en caso contrario es necesario consultarlo con l. En la Tabla No1, se especifican valores tpicos de coeficientes de friccin para lubricacin lmite, fluida y EHL, en diferentes tipos de mecanismos. En caso de que no se conozca el coeficiente de friccin del lubricante que se va a utilizar se pueden utilizar los valores de la tabla en forma muy aproximada.

Ejemplo No1Una Hiladora de 200 husos que trabaja en una planta textil tiene cada uno de estos elementos montados en tres rodamientos rgidos de bolas. La velocidad del huso es de 12.000 rpm, el dimetro interior del rodamiento es de 3 cm y el exterior de 5 cm; la carga que acta sobre cada rodamiento es de 2 Kgf y la grasa mineral con la cual se lubrican no es del tipo EP. Se requiere calcular: El consumo de energa por friccin (CEf) con la grasa mineral. El ahorro econmico (ACEf) en dlares para los 600 rodamientos de la Hiladora al cambiar la grasa mineral por una de tipo sinttica.La Hiladora trabaja 8.760 horas/ao y el costo del kw-hr es U$ 0,080.Solucin:Como la grasa que recomienda el fabricante es sin aditivos de EP, se tiene que los rodamientos de apoyo de los husos de la Hiladora trabajan bajo condiciones de lubricacin de pelcula fluida.Consumo de energa (CEf) con grasa mineral por rodamiento:De la Ecuacin No2 se tiene que:CEf = 0,0031 kw.Con: ff = 0,0085 (Tabla No1); W = 2 kgf ; d = 3 cm; n = 12.000 rpm.Ahorro econmico (ACEf) al utilizar una grasa sinttica:ACEf = U$ 132,26 / ao.Con (ff = 0,00085, de la diferencia de: ff = 0,0085 para grasa mineral (aceite de base mineral) y de ff = 0,00765 para grasa sinttica (aceite de base sinttica), de la Tabla No1, Captulo 3; W = 2 kgf; d = 3 cm; n = 12.000 rpm; 600 rodamientos; 8.760 horas/ao; U$ 0,080/kw - hr.

Ejemplo No2En los 24 cojinetes lisos que soportan los cilindros de secado de un Molino papelero se est utilizando un aceite mineral con aditivos EP de 1ra generacin. El dimetro del eje de cada cilindro de secado es de 20 cm, la velocidad de 40 rpm y la carga que acta sobre cada cojinete liso es de 1.500 kgf.

Se requiere calcular: El consumo de energa (CEf) en cada cojinete liso con el aceite mineral EP de 1ra generacin. El ahorro econmico (ACEf) en dlares en los 24 cojinetes lisos del Molino papelero al cambiar a lubricantes sintticos de 2da y de 3ra generacin respectivamente.El Molino papelero trabaja 8.760 horas/ao y el kw-hr cuesta U$ 0,080.Solucin:Del enunciado se concluye que los cojinetes lisos de apoyo de los cilindros de secado del Molino papelero trabajan bajo condiciones de lubricacin EHL.Consumo de energa (CEf) en cada cojinete liso con el aceite mineral EP de 1ra generacin:

De la Ecuacin No3 se tiene que:CEf = 0,2071 kw.

Con fm = 0,034 (Tabla No1, Captulo 3); W = 1.500 Kgf; d = 0,20 m; n = 0,66 rps.Ahorro econmico (ACEf) al utilizar en los 24 cojinetes lisos del Molino papelero un lubricante sinttico:

a) 2da Generacin:

ACEf = U$ 717,29 / ao.

Con (fc = 0,007 (de la diferencia de fc = 0,034 para un aceite mineral con aditivos EP de 1ra generacin y de fc = 0,027 para un aceite sinttico con aditivos EP de 2da generacin, de la Tabla No1; W = 1500 Kgf; d = 0,20 m; n = 0,66 rps; 24 cojinetes lisos; 8.760 horas/ao; U$ 0,080/kw-hr.b) 3ra Generacin:

ACEf = U$ 922,23 / ao.Con (ff = 0,009 (de la diferencia de fc = 0,034 para un aceite mineral con aditivos EP de 1ra generacin y de fm = 0,025 para un aceite sinttico con aditivos EP de 3ra generacin, de la Tabla No1, Captulo 3; 8.760 horas/ao; U$ 0,080 / kw-hr.Ejemplo No3Un reductor de velocidad est constituido por dos pares de engranajes cilndricos de dientes helicoidales y cada uno de los tres ejes esta apoyado en dos rodamientos de rodillos cnicos; el aceite que se est utilizando es mineral con aditivos EP de 1ra generacin y es salpicado por los engranajes de mayor dimetro; la potencia en el eje de entrada del reductor de velocidad es de 100 CV. Los engranajes en este reductor de velocidad trabajan bajo condiciones de lubricacin EHL y los rodamientos fluida.Se requiere calcular: El consumo de energa (CEf) al utilizar el aceite mineral con aditivos EP de 1ra generacin. El ahorro econmico (ACEf) en dlares al utilizar un aceite sinttico con aditivos EP de 3ra generacin.El reductor de velocidad trabaja 8.760 horas / ao y el costo del kw - hr es de U$ 0,080.Solucin:Consumo de energa (CEf) al utilizar un aceite mineral con aditivos EP de 1ra generacin:

De la Ecuacin No4 se tiene que:

CEf = 7,092 Kw.Donde: P = 100 CV; et = 0,9036 {del producto de: e1-2 x e3-4 x ee1 x ee2 x ee3 x ea1 x ea2 ; donde e1-2 y e3-4 = 0,973 (a partir de fm = 0,027 de la Tabla No1, Captulo 1); ee1, ee2 y ee3 = 0,9912 [a partir del coeficiente de friccin ff = 0,0088, de la Tabla No1, Captulo 3 para rodamientos de rodillos cnicos y de la sumatoria (0,0088 + 0,0088)/2, para cada eje]; ea2 y ea4 = 0,99 (a partir del coeficiente de friccin equivalente para aceite salpicado, fe = 0,010 segn la Nota (3) de la Tabla No 1, Captulo 3}.Ahorro econmico (ACEf) en dlares al utilizar un aceite sinttico con aditivos EP de 3ra Generacin: De la Ecuacin No4 se tiene que:CEf = 5,95 kw.

Donde: P = 100 CV; et = 0,9191 {del producto de: e1-2 x e3-4 x ee1 x ee2 x ee3 x ea1 x ea2; donde e1-2 y e3-4 = 0,98 (a partir de fc = 0,020 de la Tabla No1 del Captulo 1); ee1, ee2 y ee3 = 0,9921 (a partir del coeficiente de friccin ff = 0,0079 de la Tabla No1, Captulo 1), para rodamientos de rodillos cnicos y de la sumatoria (0,0079 + 0,0079)/2 para cada eje]; ea1 y ea2 = 0,99 (a partir del coeficiente de friccin equivalente para aceite salpicado fe =0,010 segn la Nota (3) de la Tabla No1, Captulo 1}. El ahorro econmico ACEf es:ACEf = U$ 800,31/ao.

Con CEf = 1,142 kw (de la diferencia de CE = 7,092 kw para un aceite mineral con aditivos EP de 1ra generacin y de CEf = 5,95 kw para un aceite con aditivos EP de 3ra generacin); 8.760 horas/ao y U$ 0,080/kw-hr.8. CONCLUSIONES Uno de los aspectos ms importantes y que repercute considerablemente en los costos de produccin en una planta es el del consumo de energa en los diferentes equipos rotativos, por lo tanto es necesario implementar programas de Tribologa encaminados al estudio de los diferentes fenmenos de la friccin que conduzcan a determinar los valores de los coeficientes de friccin de los lubricantes que se estn utilizando y compararlos con los de otros lubricantes que pueden dar lugar a un menor consumo de energa. Para lograr resultados altamente productivos mediante el control de la friccin se requiere que la industria innove sus prcticas y metodologa de lubricacin y utilice las nuevas tecnologas que hay en el mercado sobre lubricacin especializada.Los avances tecnolgicos en materia de lubricacin han conducido al desarrollo de nuevos lubricantes como los sintticos y los de 3ra generacin que pueden significar disminuciones en el consumo de energa entre el 5-20% en la mayora de los equipos rotativos donde se utilizan. Vale la pena que la industria involucrada en procesos de produccin haga sus propias evaluaciones y utilice las tecnologas en lubricacin que verdaderamente le sirvan para incrementar la productividad de los equipos rotativos.Al disminuir el coeficiente de friccin (slida, fluida combinada) se obtienen otros beneficios adicionales en los equipos rotativos como son: menor desgaste, menor consumo de repuestos, mayor disponibilidad y confiabilidad del equipo rotativo y disminucin de las horas-hombre necesarias para hacer mantenimiento. Al sumar los resultados econmicos de todos los beneficios que se obtienen al disminuir la friccin resulta verdaderamente atractivo implementar en los equipos rotativos lubricantes de alta tecnologa.

Captulo 3FUNDAMENTOS SOBRE

LUBRICACION

1. DEFINICION

La lubricacin se define como la interposicin entre dos superficies que se encuentran en movimiento relativo la una con respecto a la otra de una sustancia cualquiera conocida con el nombre de lubricante. Un buen lubricante debe disminuir al mximo el desgaste de las superficies lubricadas, el calor generado por friccin, el consumo de energa, el ruido, y el impacto negativo sobre el ambiente cuando finalmente se deseche, como resultado de su proceso de oxidacin normal. Sin el empleo del lubricante adecuado, las superficies metlicas de los mecanismos lubricados se soldaran, dejando inservible la mquina y convirtindola en chatarra en unos cuantos minutos.

Cuando las superficies son lubricadas la nica friccin que se debe presentar es entre las capas del lubricante as la lubricacin sea del tipo fluida EHL. Un mecanismo puede quedar bien mal lubricado, dependiendo de factores tales como la viscosidad del aceite utilizado, la cantidad aplicada, el mtodo de lubricacin la frecuencia entre relubricaciones. An hoy en da hay personas que trabajan en el mantenimiento mecnico de las mquinas que piensan que lubricar es simplemente aplicar un aceite una grasa lo cual es un grave error.

2. PELCULA LUBRICANTE

La pelcula lubricante permite separar las rugosidades de dos superficies que se encuentran en movimiento relativo evitando que entren en contacto directo metal-metal. La pelcula lubricante puede ser slida en el momento de la puesta en marcha de un mecanismo constituida por la unin de capas laminares cuyo nmero es alto si la lubricacin es fluida y bajo si es EHL. El espesor de la pelcula lubricante define el tipo de lubricacin y aumenta con la viscosidad del aceite y con la velocidad de operacin del mecanismo. Una de las capas que constituyen la pelcula lubricante, ya sea bajo condiciones de lubricacin fluida EHL, se adhiere fuertemente a la superficie en movimiento, otra a la estacionaria ( en movimiento segn el caso) y las dems se deslizan entre s como resultado del esfuerzo a la cizalladura que se presenta entre ellas. La estabilidad de la pelcula lubricante que se adhiere a la superficie metlica depende del ndice de viscosidad del aceite, el cual si es alto reduce las probabilidades de que el tipo de flujo cambie de laminar a turbulento y que por lo tanto dicha pelcula lubricante no se desprenda de la superficie metlica.

3. TIPOS DE LUBRICACION

La pelcula lubricante que se forma entre dos superficies metlicas define el tipo de lubricacin bajo el cual va a trabajar un mecanismo; las que se presentan en cualquier tipo de mecanismo lubricado son slida lmite, fluida, elastohidrodinmica e hidrosttica.

Cuando el mecanismos lubricado alcanza la velocidad nominal de operacin, solo puede quedar trabajando bajo condiciones de lubricacin fluida Elastohidrodinmica (EHL), lo que hace que sea muy importante por parte de los responsables del correcto funcionamiento de los equipos rotativos, conocer la diferencia entre lubricacin fluida y EHL, ya que son muchos los daos que se presentan en la prctica por no tener claros estos conceptos.

A mediados de los aos de 1850, debido al desarrollo vertiginoso de la mquina de vapor y del ferrocarril en Inglaterra, la lubricacin dej de ser un arte y se empezaron a plantear las primeras formulaciones matemticas mediante las cuales se buscaba una concordancia con los resultados prcticos de la lubricacin de los elementos de mquinas. Hasta esta poca el hombre lubricaba las mquinas basado en muchos aos de experiencia, la cual se transmita de una generacin a otra, pero que en la prctica a medida que el diseo y la construccin de nuevas mquinas se iba presentando, los lubricantes utilizados hasta entonces no daban los resultados esperados y por prueba y error se deban buscar los lubricantes que verdaderamente sirvieran para esta aplicacin en particular. Esta forma de encontrar el lubricante correcto resultaba muy costosa, por lo que era necesario recurrir a metodologas ms precisas y fundamentar ecuaciones mediante las cuales al asignarles las variables de velocidad, carga y temperatura, principalmente, se pudiese hallar la viscosidad del aceite requerido.

Bajo las nuevas filosofas de entender y llevar a cabo la lubricacin se desarrollaron teoras que eran aplicables perfectamente a mecanismos que operaban bajo condiciones de lubricacin fluida, que eran las que se presentaban prcticamente en los mecanismos de todas las mquinas construidas hasta entonces. Con el reemplazo de la madera por el carbn como combustible en las calderas de los ferrocarriles en Inglaterra, surgi la minera y con ella nuevas mquinas cuyas condiciones de operacin eran muy diferentes a las conocidas hasta entonces. Los mecanismos de estas nuevas mquinas estaban sometidos a bajas velocidades, altas cargas, y con frecuencia eran cargas de impacto, como en el caso de los molinos para triturar y pulverizar el carbn.

Como las teoras aplicables a la lubricacin en ese entonces estaban basadas solamente en la lubricacin fluida, estos mecanismos se desgastaban, an cuando se lubricaran, por que los diseadores de dichas mquinas contrarrestaban el desgaste adhesivo que se presentaba empelando materiales ms resistentes al desgaste, pero muy pesados, que conllevaban a elevados consumos de energa, tanto para poderlos mover como por friccin, generando altos costos en los procesos de produccin. Solo fue hasta la dcada de los aos 50s, cuando mediante las investigaciones realizadas por Dowson y Higginson, se pudo llegar a diferenciar exactamente cules elementos de mquinas trabajan bajo condiciones de lubricacin fluida y cules bajo EHL, lo cual conllev al control del desgaste y a que los mecanismos alcanzaran su vida de diseo.

Lubricacin slida lmite

Una de las condiciones ms crticas en la operacin de un mecanismo es en el momento en que se pone en marcha ya sea por primera vez (an ms crtica) despus de que ha permanecido detenido durante un perodo de tiempo determinado. Cuando la velocidad nominal de operacin de un mecanismo (engranajes, rodamientos, cojinetes lisos, cadenas, etc), disminuye, las rugosidades de las dos superficies se acercan y un gran nmero de ellas interactan hasta que finalmente, cuando la velocidad es igual a cero, se entrelazan de manera semejante a como quedan los dientes de dos serruchos cuando se superponen. Es fcil imaginar lo que sucedera si en la realidad se tomasen dos serruchos y se colocaran de tal forma que todos sus dientes quedaran entrelazados y luego se le aplicara a uno de ellos una fuerza lo suficientemente alta como para ponerlo en movimiento. Como es obvio lo ms probable es que un buen nmero de dichos dientes se fracturaran quedando inservibles los dos serruchos. Pues bien, en los mecanismos de las mquinas puede suceder lo mismo cuando se lubrican de una manera inadecuada, se utiliza un lubricante incorrecto ste se sigue utilizando, cuando ya se haya oxidado.

En el momento de la puesta en marcha de un mecanismo un buen nmero de las crestas de las rugosidades de las dos superficies se encuentran entrelazadas y su separacin depender de la untuosidad (lubricidad) de los aditivos antidesgaste del lubricante que se est utilizando; esta propiedad del lubricante se conoce como pelcula slida lmite la cual asla las rugosidades de las dos superficies metlicas, permitiendo que en el momento de la puesta en marcha del mecanismo dichas rugosidades no se suelden sino que se deslicen la una con respecto a la otra y se deformen elsticamente debido a las propiedades elsticas del material. Cuando el fabricante del equipo disea los mecanismos tiene en cuenta que cuando se pongan en marcha, las rugosidades de las superficies metlicas se deformen, para una determina carga, dentro de la zona elstica del material y muy por debajo de su punto de fluencia. Si la carga es mayor que la especificada por el fabricante del equipo, la deformacin de la rugosidad puede quedar dentro de la zona plstica de tal manera que cuando dicha rugosidad vuelva a interactuar con otra se fracturar dando lugar al desgaste adhesivo del mecanismo.

Tericamente durante la puesta en marcha de un mecanismo no hay desgaste siempre y cuando el lubricante garantice la formacin de la pelcula lmite y el material tenga la elasticidad adecuada; sin embargo en la prctica cuando se desgasta la pelcula lmite se presenta el contacto metal-metal entre las rugosidades de las dos superficies y persiste hasta que el aditivo antidesgaste del lubricante reaccione nuevamente con dichas rugosidades normalizando la situacin e impidiendo que contine el desgaste adhesivo y por lo tanto el desprendimiento de partculas metlicas.

La eficiencia de un buen lubricante para evitar el desgaste adhesivo en condiciones de pelcula lmite depende de la velocidad de reaccin de sus compuestos de untuosidad de sus aditivos antidesgaste con las superficies metlicas, del espesor de la pelcula slida lmite y del coeficiente de friccin de dicha pelcula slida. El valor del coeficiente de friccin slida del lubricante juega un papel muy importante en la reduccin del desgaste adhesivo ya que entre mas bajo sea su valor, la rata de desgaste de la pelcula slida ser menor y por lo tanto tambin el nmero de contactos metal-metal dentro de un perodo de tiempo determinado. Ver Figura 2.4.

Lubricacin fluida

A medida que el mecanismo va incrementado su velocidad, las crestas de las dos superficies chocan menos y se van separando lentamente debido al bombeo de aceite originado por el movimiento de dichas superficies; antes que el mecanismo alcance su velocidad nominal de operacin se presenta una condicin intermedia entre lubricacin slida y fluida conocida como lubricacin mixta; en este caso solo una parte de la carga es soportada por la accin hidrodinmica y la otra, por la pelcula slida que recubre las rugosidades que an interactan. Una seleccin incorrecta de la viscosidad del aceite al igual que una disminucin de sta en operacin puede dar lugar a que el mecanismo quede funcionando bajo condiciones de lubricacin mixta. Una vez que el mecanismo queda operando a su velocidad de rgimen y si sta es lo suficientemente alta, las rugosidades de las dos superficies quedarn completamente aisladas y flotando entre s de manera semejante a como navega un barco sobre la superficie del agua y se tendrn por lo tanto condiciones de lubricacin fluida hidrodinmica; en este tipo de lubricacin es ms influyente la velocidad del mecanismo que la viscosidad del aceite. En lubricacin fluida las rugosidades de las dos superficies quedan completamente cubiertas por una capa del lubricante y las dems se deslizan entre s presentndose entre ellas friccin fluida; la intensidad de esta friccin depende del valor del coeficiente de friccin del lubricante utilizado y del espesor de la pelcula lubricante.

La lubricacin fluida debe tener caractersticas de flujo laminar para garantizar que la capa limite que se encuentra adherida a las dos superficies metlicas no se desprenda (velocidad cero) evitando que el desgaste erosivo que se presenta durante la explotacin normal del mecanismo sea superior a su valor normal; este tipo de flujo se caracteriza por tener un Nmero Reynolds menor igual a 2000. En la prctica, sin embargo, si se pretendiera garantizar condiciones de flujo laminar permanentemente en la pelcula fluida la viscosidad del aceite debera ser constante con la temperatura, lo cual en la actualidad con la tecnologa disponible en lubricacin no es factible, por lo que es necesario utilizar lubricantes con un ndice de viscosidad (IV) lo ms alto posible (mayor de 100) para garantizar que el tipo de flujo de la pelcula lubricante no pase de laminar a turbulento durante los cambios en la temperatura de operacin que se presenta como resultado de las fluctuaciones en la temperatura ambiente entre el da y la noche y mucho ms en aquellos pases donde hay estaciones. En lubricacin se considera que la pelcula lubricante es turbulenta a partir de 2000 debido a que las pequeas burbujas que empiezan a formarse una vez que llegan a la zona de carga explotan fatigando las rugosidades y haciendo que finalmente se desprendan pequeas partculas metlicas las cuales incrementan el desgaste erosivo normal. El Nmero Reynolds (Re) que define el tipo de flujo se puede calcular de la siguiente ecuacin:

Re ( v d /( Ecuacin No1

Donde:

Re: Nmero Reynolds, adimensional.

v: Velocidad lineal del mecanismo.

d: Dimetro de la tubera, en este caso es igual al espesor de la pelcula lubricante (ho).

(: Viscosidad cinemtica del aceite a la temperatura de operacin del mecanismo.Se puede observar de la Ecuacin No1 que el parmetro que ms influye en las condiciones de flujo de la pelcula lubricante es la viscosidad del aceite, la cual disminuye a medida que la temperatura de operacin aumenta (esta temperatura est influenciada por la temperatura ambiente y por el incremento de temperatura debido a la friccin fluida en la pelcula lubricante), este ltimo parmetro es constante mientras que la temperatura ambiente es variable) dando lugar a que si la viscosidad disminuye significativamente con el aumento en la temperatura de operacin (aceite con un bajo ndice de viscosidad) las condiciones de flujo de la pelcula lubricante pueden pasar de laminar a turbulento y por lo tanto propiciar un incremento en el desgaste erosivo de las superficies metlicas del elemento lubricado. Los otros parmetros de la ecuacin de Reynolds como la velocidad (v) de rgimen del mecanismo por ser constante no tiene ninguna incidencia mientras que el espesor de la pelcula lubricante (ho) al variar ligeramente con los cambios en la temperatura de operacin puede incidir en la misma proporcin en el tipo de flujo, pero en un porcentaje muy bajo con respecto a la que tiene la viscosidad.La tendencia normal al desgaste erosivo en lubricacin fluida es caracterstica de cada aceite y se puede reducir con aceites de alto ndice de viscosidad (IV), por lo regular de tipo sinttico, mejorando la limpieza del aceite por encima del valor recomendado por la Norma ISO 4406 y manteniendo la temperatura de operacin del mecanismo en un valor igual menor a los 50 C.

La teora de la lubricacin hidrodinmica fue descubierta en la dcada de 1880 por el ingls Beauchamp Tower; este cientfico realiz un experimento consistente en poner a girar un eje soportado en un cojinete liso sumergido en aceite con la carga actuando hacia arriba y colocando un tapn en un orificio practicado en la parte superior del cojinete liso, cuando el eje alcanz su velocidad nominal de operacin el tapn fue expulsado suavemente de su alojamiento comprobando de esta manera que bajo estas condiciones de operacin el aceite desarrollaba una presin hidrulica que mantena separadas las dos superficies metlicas. Posteriormente el tapn fue reemplazado por un manmetro y se comprob que la presin hidrulica de la pelcula lubricante era aproximadamente el doble de la presin mecnica calculada como la relacin entre la carga que actuaba sobre el cojinete liso (W), y el rea proyectada, que es equivalente al producto de la longitud por el dimetro del cojinete (LD). Con base en los resultados obtenidos se realizaron otros experimentos para determinar la distribucin de la presin hidrulica a lo largo de la periferia de todo el cojinete liso.

La influencia de la velocidad del mecanismo y de la viscosidad del aceite en el establecimiento de la lubricacin fluida

Los factores que inciden en el establecimiento de la lubricacin fluida son la velocidad del mecanismo y la viscosidad del aceite que se est utilizando, pero cada uno de ellos influye de una manera especfica dependiendo de las circunstancias que se presenten en el mecanismo lubricado. Si el mecanismo opera a altas velocidades, este factor ser el ms influyente en el logro de la lubricacin fluida hidrodinmica y para estos casos se utilizan aceites de baja viscosidad y tanto ms baja ser sta, cuanto ms alta sea la velocidad de funcionamiento; por el contrario, si la velocidad es muy baja, es factible que la lubricacin hidrodinmica por velocidad no se logre alcanzar y sea necesario compensar la falta de velocidad con aceites de alta viscosidad, pero entonces se presenta el inconveniente del consumo de energa por friccin fluida en el interior de la pelcula lubricante, que ser tanto mayor cuanto mayor sea la viscosidad del aceite, dando lugar a que si se quiere lograr una condicin de lubricacin hidrodinmica mediante el uso de aceites de alta viscosidad, no sea factible desde el punto de vista energtico y de las altas temperaturas que se van a presentar en el mecanismo lubricado. En este ultimo caso se considera que la lubricacin es EHL, y se deben emplear por lo tanto aditivos de EP y la viscosidad del aceite que se debe utilizar se selecciona de tal manera que garantice un consumo de energa por friccin razonable pero que adicionalmente ayude a formar una pelcula que proteja las superficies lubricadas sin llegar a ser fluida.

La viscosidad es el factor mas importante en el establecimiento de la pelcula hidrodinmica cuando para una velocidad dada se tiene un valor especifico de viscosidad, en este caso, el factor que ms impacta la pelcula hidrodinmica es la viscosidad porque es la nica variable que hay y si esta se reduce (altas temperaturas, sobrecargas, dilucin del aceite por combustible, etc.), la condicin de lubricacin hidrodinmica puede llegar a ser EHL sin que el aceite tenga aditivos EP dando lugar a que se presente el contacto metal-metal y por consiguiente el desgaste adhesivo entre las superficies lubricadas.Lubricacin elastohidrodinmica EHL

En la industria hay un buen nmero de mecanismos como engranajes de hornos cementeros, cojinetes lisos de rodillos laminadores, rodamientos de cilindros secadores en textileras y papeleras, mecanismos de palas elctricas y mecnicas, transmisiones de camiones carboneros, etc., en los cuales las cargas transmitidas son tan altas y las velocidades tan bajas que el suministro de aceite por la accin de bombeo de los mismos mecanismos hacia las zonas sometidas a friccin es mnimo haciendo que las rugosidades de las dos superficies en operacin nunca se separen dando lugar a que permanentemente interacten, requirindose por lo tanto la utilizacin de aceites de alta viscosidad, con aditivos que tengan la capacidad suficiente de formar una pelcula slida lmite de una resistencia al desgaste adhesivo mayor que la pelcula lmite que se forma en los mecanismos cuyas superficies interactan solamente en el momento del arranque y que luego se separan, por la accin hidrodinmica del lubricante utilizado. Este tipo de lubricacin se denomina Elastohidrodinmica (EHL) y los aditivos utilizados se conocen con el nombre de Extrema Presin (EP), cuya caracterstica ms importante es que tienen la capacidad suficiente de soportar altas cargas de compresin y esfuerzos cortantes sin que se rompa la pelcula lmite.

La lubricacin EHL fue descubierta por los profesores britnicos Duncan Dowson y Gordon Higginson en la dcada de los aos 50s, pero Duncan Dowson fue la persona que ms tiempo le dedic durante su larga carrera ingenieril, al estudio de la Tribologa. A continuacin se detallan algunos aspectos importantes del desarrollo de Duncan Dowson:

Duncan Dowson, fue un ingeniero mecnico ingls de la Universidad Britnica de Leeds, quien le dedic ms de 40 aos al estudio y difusin de la Tribologa a nivel mundial y uno de los grandes descubridores de las teoras de la lubricacin Elastohidrodinmica, aplicable hoy en da no solo a controlar el desgaste adhesivo en engranajes, rodamientos, cojinetes lisos en cualquier tipo de elemento mecnico sometido a altas cargas y a bajas velocidades, sino tambin en la lubricacin de las articulaciones humanas. Duncan Dowson naci en 1918 en un pequeo pueblo llamado Kirkbymoorside en el sur de Inglaterra, era hijo nico de un herrero de nombre Wilfred Dowson por quien Duncan siempre mostr una gran admiracin y de quien con frecuencia deca: Mi padre era extremadamente diestro en su profesin hasta tal punto de ser un artista. Diseaba sus propios herrajes; haca trabajos para los notables de la sociedad y para la iglesia y participaba en exposiciones. Senta una gran debilidad por los herrajes ornamentales lo que lo llev a fabricar un sinnmero de portones para las haciendas de la poca, que aun hoy en da estn en pie. Dowson siempre quiso trabajar con su padre y convertirse en uno de los mejores herreros de la poca, sin embargo las recomendaciones insistentes de su madre Hannah lo llevaron por los caminos de la academia, iniciando sus estudios en Ingeniera de Minas en la Universidad de Leeds, pero al poco tiempo de iniciarlos se cambi de carrera y termin gradundose en Ingeniera Mecnica. Su tesis doctoral la hizo sobre las teoras de la lubricacin hidrodinmica aplicadas al movimiento de elementos mecnicos. En ese entonces el comentaba: En resumen, todos los mecanismos de las mquinas flotan sobre unas delgadas capas de lquidos que obedecen a las leyes de la hidrodinmica; era la aplicacin de esas leyes a estos problemas, lo que me intrigaba. Algo en lo que nunca haba pensado. En 1952 Dowson se traslad a Coventry y se uni a W.G. Armstrong en la compaa de aviacin Whiteworth. Un encuentro casual en un tren con su antiguo profesor de la ctedra de lubricacin Christophersson le hizo cambiar sus planes de continuar su carrera industrial en Canad y en cambio acept un cargo de docente en la Universidad de Leeds suponiendo que permanecera all por dos o tres aos solamente, sin embargo se quedo