Lubricación

FUNDAMENTOS DE LUBRICACIÓN

Introducción

¿Qué significa la palabra tribología?

La palabra viene del griego tribos que significa fricción o rozamiento y logos que significa tratado o estudio. Etimológicamente es la ciencia de la fricción, la ciencia que estudia los fenómenos que se producen cuando dos superficies en contacto se mueven una respecto a la otra. En una acepción más amplia, es la ciencia y la técnica de los sistemas en movimiento que se encuentran en contacto mutuo. Estudia y define todos los problemas relacionados con el transporte de carga. Pretende dar una visión conjunta del problema del rozamiento, el desgaste y la lubricación que tradicionalmente se venían estudiando por separado y por tanto abarca la fricción, el desgaste, la lubricación, el diseño, así como muchos aspectos relacionados con la Física, la Química, la Mecánica, la Metalurgia, la Reología, la Fisiología, etc., por lo que se convierte en una auténtica disciplina de Ingeniería.

Antes de discutir la importancia y tipos de los problemas tribológicos en la industria, debemos tratar de esbozar una visión global del problema. La interacción de dos superficies sólidas en un entorno dado resulta en unas manifestaciones externas:

• 
  
   Disipación de energía originada por la resistencia al movimiento, caracterizada por el coeficiente de rozamiento. Esta disipación resulta en una liberación de calor en el contacto y una pequeña, pero a veces significativa, generación de ruido. El hecho de que siempre son dos las superficies sólidas que interaccionan implica que el coeficiente de rozamiento hay que referirlo al par de superficies. Hablar del coeficiente de rozamiento del acero sin referirlo a la superficie sobre la que contacta es incorrecto y confuso. La idea de superficies s n fricción es científicamente imposible, lo mismo que la afirmación de que un bajo coeficiente de fricción implica un acabado superficial fino no siempre es cierta.

• 
  
   Modificación de las características básicas de las superficies durante el proceso de deslizamiento. Pueden convertirse en más pulidas o rugosas, alterar sus propiedades físicas como la dureza e incluso perder parte del material en un proceso llamado desgaste. Los cambios pueden ocurrir de forma beneficiosa, como en el proceso de rodaje, cuando dos superficies se adaptan a condiciones casi ideales de funcionamiento, o pueden ocurrir de forma desastrosa, cuando se produce un fallo en la superficie de un componente que obliga a reemplazar la pieza averiada, o puede desembocar en la destrucción de la maquina.

Prácticamente todo lo que se mueve forma parte de un sistema tribológico, en el que pueden intervenir dos o más sólidos, sólidos y líquidos y sólidos y gases. Ejemplos son los mecanismos para transmitir movimiento o transformar energía en trabajo, la fricción de los tejidos, la acción del aire sobre los vehículos terrestres o las aeronaves y muchos otros, incluidos los movimientos de las articulaciones animales.

A primera vista podemos pensar que el objeto de la tribología es reducir la fricción y el desgaste Una excesiva fuerza de rozamiento en la bisagra de una puerta sería inadmisible. De forma similar, toda la energía empleada en vencer la resistencia en rodamientos y otros mecanismos se transforma en calor, con la consiguiente pérdida de rendimiento. Pero hay muchas aplicaciones de ingeniería en las que se necesita aplicar la fricción para cumplir con los requisitos funcionales del sistema. Los frenos, embragues, ruedas de vehículos, etc., funcionan gracias a la existencia de la fricción, y la combinación de tuerca y tornillo trabaja por la fricción entre ambos componentes.

Algo parecido ocurre con el desgaste. Hay casos, como la adaptación de las superficies durante el rodaje, en los que el desgaste evidentemente es deseable. En general, el desgaste es una consecuencia indeseable del rozamiento entre superficies. El hecho de que un componente se desgaste excesivamente nos conduce a la destrucción de la maquina tras superar cierto límite, creando la necesidad de remplazarlo antes de traspasar el límite citado. Cuando se conoce la evolución de este fenómeno en una fase de diseño hablamos de maquinar a o componente de "vida limitada".

Un método de reducir la fricción y a menudo el desgaste consiste en lubricar las superficies. El estudio de la lubricación esta muy relacionado con la fricción y el desgaste. Incluso en ausencia de un lubricante exterior, los agentes atmosféricos, en especial el oxigeno y la humedad pueden actuar como verdaderos lubricantes y deben tenerse en cuenta en cualquier estudio de superficies en contacto.

Historia de la Tribología

Sería muy difícil, aún remontándose a la Prehistoria y, dentro de ella, tanto como lo permitiera la existencia de datos conocidos, establecer cuál fue la época en la que el hombre inició su lucha contra los fenómenos de la fricción y el desgaste. Las primeras aplicaciones prácticas debieron ser generar calor para encender fuego y la de superar la fricción y el desgaste en la construcción de sus armas arrojadizas y sus instrumentos rudimentarios.

Cualquiera que fueran los primitivos medios de transporte para el arrastre, levantamiento y colocación de sus monumentos megalíticos, tuvo que tropezar con los fenómenos de fricción. Podemos afirmar que, desde el comienzo de su existencia, debió enfrentarse a los fenómenos de fricción y desgaste, intentando suavizarlos y disminuirlos.

El invento de la rueda se conoce como uno de los hitos de la humanidad. El uso adecuado de este invento permite reducir el trabajo necesario para superar la fricción. Los estudios arqueológicos concluyen que el hombre reconoció las ventajas del movimiento rodado frente al deslizado hacia el año 5.000 a.C. en algún lugar de Mesopotamia.

En la construcción de las pirámides (del 5.000 al 3.000 a.C.) ya se utilizó el sustituir los materiales de las superficies en contacto (madera sobre suelo) por otra combinación con menor coeficiente de rozamiento (patín de madera sobre troncos de madera) y el patín deslizante, porque las ruedas no soportaban grandes cargas. La pintura mural que reproducimos en la fig.1.1, hallada en una gruta de El Bersheh (Bajo Egipto), tiene una antigüedad de unos 4.000 años y representa minuciosamente el traslado de un coloso de alabastro con unos rodillos sobre dos patines de madera. Es curioso comprobar la exactitud del cálculo que tuvieron que efectuar los técnicos encargados de aquella operación de transporte.

Fig.1.1.Pintura mural de la gruta de El Bersheh

Basándonos en sus dimensiones comparativas y en datos de jeroglíficos anexos se puede admitir razonablemente que la estatua de alabastro pesaba unas 60 toneladas. Las dimensiones estimadas del patín de madera utilizado para su traslado es de unos 5 m de longitud por unos 40 cm de anchura, lo que nos da una presión unitaria sobre el suelo de unos 1,5 kg/cm² .Sabemos que el coeficiente de fricción de madera sobre madera lubricada, es del orden de 0.16.Admitiendo que la fuerza de tracción desarrollada por un hombre es aproximadamente de unos 55 Kg, calculamos que se necesitan 174 hombres para el arrastre.

Lo curioso es que aparecen minuciosamente dibujados 172 hombres empleados en la tracción además de un capataz que aparece derramando el lubricante y otros tres que llevan recipientes o jarras con lubricante de reserva.

Soluciones tribológicas

En este punto vamos a introducir de forma conceptual diferentes soluciones, de uso común en la industria, al problema de soportar un esfuerzo a través de unas superficies, con un nivel aceptable de fricción y desgaste.

• Lubricación: Las superficies de contacto están separadas por un producto gaseoso, líquido o sólido. En los dos primeros casos, el fluido esta sometido a la presión necesaria para mantener las superficies separadas. La presión puede producirse por un sistema externo de bombeo, lubricación hidrostática, o generarse en el mismo sistema debido a su particular geometría y condiciones de funcionamiento. Este sistema da lugar a la lubricación hidrodinámica y depende fundamentalmente de la viscosidad del fluido. También se utilizan lubricantes sólidos como el grafito y el bisulfuro de molibdeno así cómo productos viscoplásticos (grasas) obtenidos al espesar un aceite mineral o sintético con un jabón normalmente metálico.

• Rodamientos y cojinetes: Las superficies se separan interponiendo bolas o rodillos o bien piezas porosas autolubricantes. La gran variedad de cojinetes y rodamientos usados en la industria evidencia el valor de esta solución.

• Tratamientos y recubrimientos de materiales: Modificación de las propiedades físicas de los materiales en contacto y/o de sus superficies mediante tratamientos térmicos (temple, cimentación, nitruración)o con aportación de elementos metálicos, químicos o plásticos.

Definiciones básicas

• Fricción: Resistencia al movimiento que se experimenta un cuerpo sólido al deslizar sobre otro. La resistencia, que es paralela a la dirección del movimiento, se llama fuerza de rozamiento.

• Desgaste: Daño que sufren las superficies cargadas, en movimiento relativo, acompañado de pérdida de material.

• Esfuerzo: Fuerza exterior aplicada al sistema. El sistema de fuerzas aplicado a una superficie se reduce a una resultante general y a un par. La resultante produce variaciones en la longitud, tracción y compresión, mientras que el par modifica la curvatura, flexión y torsión.

• Tensión: Reacción del sistema a los esfuerzos externos. Las tensiones normales,θ, las producen esfuerzos normales a la sección y las tensiones tangenciales o de cizalladura,λ, se deben a esfuerzos tangenciales a la sección.

• Deformación elástica: La que es reversible y sin pérdida de energía. Se produce desde la ausencia de esfuerzo hasta el límite elástico. Responde a Ley de Hooke: las deformaciones son proporcionales a los esfuerzos.

• Deformación plástica: La que se produce una vez superado el límite elástico. Es irreversible y va asociada a una disipación de energía.

• Límite de fluencia: Valor de la fuerza por un dad de superficie que marca el límite del dominio plástico.

• Límite elástico: Valor máximo de fuerza por unidad de superficie para el cual la deformación permanente no supera el valor predeterminado del 2%.

• Carga de rotura: Valor mínimo de la fuerza por unidad de superficie con el que se rompe la pieza.

• Dureza: Capacidad de resistir la penetración superficial. El ensayo consiste en medir la huella producida por un estilete de punta esférica de acero (Brinell) o de d amante (Rockwell C). Para los materiales férricos existe una buena correlación entre dureza y resistencia a la tracción.

• Superficies conformes: Son las que encajan una en la otra con un alto grado de similitud geométrica. La carga se reparte en una superficie relativamente amplia como ocurre en los cojinetes de manguito.

• Superficies disconformes: Son aquellas en las que por razón de su geometría el contacto se realiza en un área relativamente reducida, como ocurre en los rodamientos de bolas.

• Reología: Estudio de las leyes que rigen el comportamiento de los cuerpos deformables, viscosidad, plasticidad, elasticidad y el flujo o movimiento de la materia.

• Histéresis: Falta de coordinación entre dos procesos interrelacionados, el retardo en la evolución de un fenómeno con relación al otro. Debido a la histéresis la evolución de un proceso físico depende de la historia del mismo de forma que el estado del sistema depende de la causa que produce la modificación y de los valores alcanzados en procesos análogos anteriores. Debido a la histéresis elástica se produce una falta de coincidencia entre las curvas de extensión y contracción en los diagramas que muestran la correlación entre esfuerzo y deformación de la materia elástica.

• Módulo elástico o de Young,E: Relación entre el esfuerzo a tracción, θ, aplicado a un cuerpo y el alargamiento unitario que le produce, en la zona de deformación elástica.

• Coeficiente de Poisson, ν: Relación entre la contracción unitaria, ξs,y el alargamiento unitario, ξL, producidos en un cuerpo sometido a esfuerzo de tracción,θ, en la zona de deformación elástica.

LUBRICACIÓN

INTRODUCCIÓN

El proceso de lubricación reviste singular importancia en la óptima utilización de los equipos rotativos y por ende en la prolongación de su vida útil. De hecho, una correcta lubricación, minimiza la fricción y desgaste de los componentes de todo equipo, elevando su rendimiento real y potencial. Además de resaltar estos aspectos, la información que se presenta en este manual, destaca la atención que requiere la selección correcta de los diferentes tipos de lubricantes. Para ello se describen los mismos, sus características más importantes y los factores a considerar en su selección y utilización.

Especial atención se presta a la aplicación del proceso de lubricación de los Cojinetes y Rodamientos, en virtud de la detección frecuente de problemas de funcionamiento de estos elementos, originados, muchas veces por fallas en el proceso de lubricación. Así, luego de una revisión general de la clasificación, características y procedimientos más importantes en la instalación / remoción de esos componentes estructurales, se analiza en detalle los aspectos más resaltantes directamente vinculados con la lubricación efectiva de los mismos, así como su mantenimiento general.

La información se acompaña de múltiples gráficos que ilustran los diferentes aspectos y facilitan la comprensión de los distintos procedimientos. Como apoyo fundamental del curso "Lubricación y Cojinetes", se espera que éste material sea manejado para la consulta y aplicación permanente en las tareas diarias, lográndose así, los objetivos de adiestramiento formulados en el diseño instruccional del curso.

PROCESO DE LUBRICACIÓN

Objetivos de la Lubricación

Las principales funciones / objetivos del proceso de lubricación - que determinan la selección y aplicación de los lubricantes- son las siguientes:

 Controlar la fricción

 Controlar el desgaste

 Controlar la temperatura

 Controlar la corrosión

 Aislar (eléctricamente)

 Transmitir potencia

 Amortiguar choques

 Remover contaminantes

 Formar sellos

De todas estas funciones, las principales son controlar la fricción y el desgaste. Sólo en casos particulares, las demás pueden llegar a ser más importantes. Estas funciones mantienen una constante interrelación.

Ejemplo: Si un lubricante no es bueno controlando la fricción, deberá remover una cantidad alta de calor y probablemente no dará buena protección al desgaste.

Importancia

Como se mencionó anteriormente, las principales funciones de un lubricante son controlar la fricción y el desgaste. A continuación se describen cada una de ellas y algunos de los aspectos más significativos en cada caso.

 Fricción

La fricción o roce, es la fuerza de resistencia producida en las caras o superficies de contacto entre dos cuerpos, cuando bajo la acción de una fuerza externa, existe movimiento relativo entre ellos, deslizándose uno sobre la superficie del otro.

• Efectos de la Fricción

El efecto más directo producido por la fricción, es la disminución del rendimiento energético, ya que a mayor resistencia al movimiento, mayor desperdicio de energía. Los efectos indirectos de la fricción excesiva son aun más graves. La fricción genera calor y en caso de no poder disiparlo rápidamente, el aumento de temperatura puede destruir las superficies móviles y la maquinaria.

• Mecanismo de la Fricción

Consideremos una superficie metálica que a simple vista puede parecer perfectamente lisa. A nivel microscópico podemos observar que presenta imperfecciones y lo que a simple vista parece homogéneo y suave, en realidad es irregular y rugoso. Dicha superficie vista en corte, luce tal como se ilustra en la figura que sigue.

En la figura están señalados dos tipos de irregularidades. La primera, es una ondulación suave y casi regular, producto del proceso de fabricación que formó la superficie. La segunda, esta superpuesta a la ondulación y consiste de miles de pequeños "picos y valles" que son consecuencia de la estructura del material. Las magnitudes de estas irregularidades son tan pequeñas, que se necesitan técnicas muy sofisticadas para medirlas.

 Desgaste
Se llama desgaste, al desprendimiento de pequeñas partículas de material de las superficies en contacto.

• Tipos de Desgaste
Se pueden diferenciar diversos tipos de desgaste. De ellos los más importantes son:
 Adhesivo
 Abrasivo
 Corrosivo o Químico

 Adhesivo
Es el que ocurre cuando dos superficies se frotan, sin que haya presencia de agentes abrasivos entre ellos. Por este proceso son desprendidas partículas de metal, por efectos mecánicos tales como microsoldadura, ruptura posterior e interpenetración de las asperezas, etc.

 Abrasivo
Es el causado por partículas abrasivas, interpuestas entre las superficies. Pueden ser, provenientes del exterior, como contaminantes o ser producto del desgaste de las propias superficies. Para ejercer acción abrasiva, dichas partículas deben ser más duras que la superficie del metal.

 Corrosivo o Químico

Es el resultado de la acción química en la superficie del metal, combinada con la acción de frotamiento, que barre las capas atómicas corroídas.

Estos efectos no se presentan solos, sino que hay una continua interacción entre ellos.

Ejemplo: Una partícula puede ser desprendida de la superficie del metal por efecto del desgaste adhesivo, luego debido a la oxidación, esta partícula puede hacerse más dura que la superficie de donde vino originalmente y causar desgaste abrasivo.

No todos los efectos de la interacción son negativos. La corrosión de la superficie puede crear una capa de material suave, que disminuya considerablemente el desgaste adhesivo. Este es el principio de los aditivos anti-desgaste y sobre todo los aditivos de extrema presión. Debe haber un balance adecuado entre la acción corrosiva y la protección.

Vistos los efectos negativos producidos por la fricción y el desgaste, puede tenerse una idea clara de la importancia de la lubricación. Sin la lubricación, cualquiera máquina funcionaría sólo por un corto tiempo. Con lubricación inadecuada, funcionaría por un período también corto debido al excesivo desgaste. Además, las pérdidas de potencia por excesiva fricción, serían inaceptables. Finalmente, las máquinas no funcionarían suave y silenciosamente.

Diferentes Tipos de Películas Lubricantes
Las películas lubricantes fluidas pueden clasificarse en dos grandes grupos:
 Delgadas
 Gruesas

 Lubricación a Películas Delgadas

Para mantener una película gruesa, es necesario proveer al mecanismo de una abundante alimentación de lubricante. En muchos casos, no es posible o práctico, el diseñar para películas gruesas. En otros casos, tales como al arrancar un cojinete hidrodinámico, las cargas y la velocidad son tales que no es posible mantener una película gruesa. Bajo estas condiciones, la lubricación es llamada a película delgada.

• Tipos

 Película mixta

 Película límite

 Mixta

Se denomina así, a aquella situación donde existe suficiente lubricante para que parte de la carga sea soportable por el fluido y parte por el contacto entre las superficies. En este caso, podría decirse que hay una lubricación hidrodinámica imperfecta, pero los procesos físicos son similares.

 Película Limite

Esta se produce cuando las cargas son muy altas o la cantidad de lubricante muy pequeña. Aquí la viscosidad del fluido no es relevante, sino la untuosidad, definida como la capacidad de formar películas resistentes sobre el metal.

Estas películas pueden formarse por adhesión, reacción química, absorción, etc.

 Lubricación a Películas Gruesas

Es la forma ideal de lubricación ya que durante el funcionamiento normal, la película es lo suficientemente gruesa, para separar completamente las superficies. De ese modo, la fricción es pequeña y no ocurre desgaste ya que no hay contacto mecánico. Se puede lograr lubricación a película gruesa, de tres formas:

• Película Hidrodinámica

• Película Hidrostática

• Por Amortiguamiento

• Película Hidrodinámica

Se produce, debido al movimiento de las superficies lubricadas, al formarse una zona de convergencia o cuña de aceite, donde hay presión suficiente para mantener separadas las superficies.

Existen dos tipos de películas hidrodinámicas:

 Cuña de Aceite

 Películas Elastohidrodinámicas

• Cuña de Aceite

Este tipo de película hidrodinámica, se produce en los cojinetes de deslizamiento y de empuje. La película en estos casos, puede llegar a tener un espesor de hasta 25 micras. La formación de una película hidrodinámica gruesa que separe las superficies y soporte una carga, puede ser descrita si observamos la figura No. 2

Fig.2

Principio de la cuña de aceite

Las dos superficies están sumergidas en un fluido lubricante. A medida que la superficie se mueve, la fricción interna del fluido hace que sea arrastrado en la dirección del movimiento. La superficie estacionaria no es paralela a la móvil, sino inclinada, como se indica en la figura No. 2. De ese modo, el fluido es arrastrado y hecho pasar por el área A. Debido a que la zona de salida del fluido B, es más pequeña, el fluido tiende a ser comprimido, lo que ocasiona una subida en su presión. Esto trae como resultado:

 Retardo en el flujo por el área A.
 Aumento del flujo en el área de salida B
 Fugas laterales, ya que no todo el fluido puede salir por B.
 Soporte de cargas, sin que haya contacto entre las superficies.

En la figura se ha exagerado la inclinación de la superficie fija. En casos reales, la inclinación suele ser del orden de 50 micras cada 15 cm.

• Película Elastohidrodinámica

Es aquella que se utiliza para la lubricación de los rodamientos, tanto de bolas, como de rodillos, con un espesor de 25 a 125 micras.

A medida que la presión sobre un lubricante aumenta, la viscosidad también crece. El aumento de viscosidad, nuevamente sube la presión. De este modo, se crea una película de lubricante que evita el contacto metal-metal. Debido al poco tiempo que tiene para escapar, el grosor de la película, aumenta proporcionalmente a la velocidad. Un efecto interesante que se produce, es que el límite de carga sobre el rodamiento no es función de la resistencia de la película, sino de la resistencia de los materiales del rodamiento, ya que a las presiones existentes en los puntos de contacto, la película de aceite es más rígida que el metal. De esta forma, un aumento en la carga tiene el efecto de deformar más las superficies y aumentar el área de contacto y no de disminuir el espesor de la película.

Fig. 3

Principio de la película elastohidrodinámica

• Película Hidrostática

En este tipo de lubricación a película gruesa, la presión en el fluido que soporta la carga, es suministrada por una fuente externa y no producida por la dinámica del mecanismo lubricado. Se usa en cojinetes de deslizamiento y cojinetes de empuje que giran a velocidades pequeñas o que por otras razones, no se pueda diseñar para efecto hidrodinámico, (ver fig. 4).

Fig. 4

Principio de la película hidrostática

El lubricante inyectado, queda sujeto a un enorme roce o fricción interna, debido a la viscosidad, lo que hace elevar su temperatura. Este calentamiento puede ser negativo, tanto para el aceite, como para el cojinete, lo que hace necesario, el hacer circular un gran volumen de aceite y utilizar sistemas de enfriamiento tanto para el cojinete, como para el aceite.

• Por Amortiguamiento

Se produce por efecto de viscosidad y de inercia cuando las superficies se mueven una hasta la otra. El principio de funcionamiento es el siguiente: Considérense dos superficies planas colocadas, paralelamente una de la otra, como en la figura No. 5.

Fig. 5

Principio de amortiguación

Si la superficie "A", comienza a moverse rápidamente hacia la "B", se crea un aumento de presión, que hace que el aceite fluya y escape por los lados. El aumento de presión incrementa la viscosidad y el aceite no puede escapar fácilmente. Siempre que el tiempo durante el cual la carga es aplicada, sea lo suficientemente corto, es posible soportar cargas altas. El caso clásico de la aplicación de este tipo de lubricación, es en los pasadores de los pistones (Fig. No. 6). Vemos en la figura de la izquierda que la carga es hacia abajo en el pasador y la película se forma en el fondo. Antes de que llegue a haber contacto metal-metal, el sentido de la carga se invierte (figura de la derecha) y la película se forma arriba.

Fig. 6

Lubricación en pasaderos de pistones

Manual de lubricación SKF
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Aditivos para Lubricantes
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Presentación de Cojinetes
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Presentación SKF sobre vida útil de los rodamientos
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Teoría de Cojinetes
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Presentación de Aceites y Lubricación
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Catálogo FAG para selección de Rodamientos
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Equipos para Análisis de Grasas
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Lubricación de Engranajes
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