Seminario
TRIBOLOGÍA Y LUBRICACIÓN Dictado a: Servicio Nacional de Aprendizaje- SENA
Conferencista
PEDRO R. ALBARRACIN AGUILLON Ingeniero Mecánico Universidad de Antioquia Medellín – Colombia TRIBOS INGENIERIA SAS
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Seminario TRIBOLOGÍA Y LUBRICACIÓN Certificación ISO 18436 Categoría II
Contenido Capítulo 1. VIDA DE LAS MAQUINAS ................................................................................................. 9 DEFINICION ........................................................................................................................................ 9 CURVA TRIBOLOGICA ..................................................................................................................... 9 ETAPA IMPRODUCTIVA O ASENTAMIENTO DEL MECANISMO ............................................ 9 ETAPA PRODUCTIVA O VIDA A LA FATIGA DEL MECANISMO .......................................... 11 ETAPA FINAL O REMANENTE DEL MECANISMO ................................................................... 11 CURVA TRIBOLOGICA POSITIVA O NEGATIVA DE UN MECANISMO................................ 12 Capítulo 2. FUERZA DE FRICCIÓN: FACTOR NEGATIVO EN LAS EMPRESAS INDUSTRIALES ................................................................................................................................................................. 13 INTRODUCCION .............................................................................................................................. 13 HISTORIA DE LA FRICCION .......................................................................................................... 13 FRICCION Y FUERZA DE FRICCION ............................................................................................ 14 TIPOS DE FUERZAS DE FRICCION ............................................................................................... 15 Fuerza de fricción estática (Fe ) ...................................................................................................... 15 Fuerza de fricción cinética (Fc ) ....................................................................................................... 15 Fuerza de fricción cinética metal-metal .......................................................................................... 15 Fuerza de fricción sólida cinética .................................................................................................... 16 Fuerza de fricción mixta cinética .................................................................................................... 17 Fuerza de fricción fluida cinética .................................................................................................... 17 COEFICIENTE DE FRICCIÓN ......................................................................................................... 18 GENERACION DE CALOR .............................................................................................................. 20 Cantidad de calor generado dependiendo del tipo de fuerza de fricción......................................... 20 FALLA CATASTROFICA ................................................................................................................. 21 Caso histórico .................................................................................................................................. 22 CARACTERISTICAS DE LA FUERZA DE FRICCION ................................................................. 24 CONSECUENCIAS DE LA FUERZA DE FRICCION ..................................................................... 24 CONTROL DE LA FUERZA DE FRICCION ................................................................................... 24 BENEFICIOS AL CONTROLAR LA FUERZA DE FRICCION ..................................................... 24 Capítulo 3. CALCULO DEL AHORRO DE ENERGIA POR MENOR FRICCION ........................... 26 INTRODUCCION .............................................................................................................................. 26 PUESTA EN MARCHA Y OPERACION DE UN MECANISMO ................................................... 26 TIPOS DE LUBRICACION ............................................................................................................... 28 Lubricación Límite .......................................................................................................................... 28 Lubricación Mixta ........................................................................................................................... 28 Lubricación Hidrodinámica............................................................................................................. 29 Lubricación Elastohidrodinámica (EHL) ........................................................................................ 29 TIPOS DE LUBRICANTES ............................................................................................................... 30 TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Para Lubricación límite ................................................................................................................... 30 Para lubricación fluida..................................................................................................................... 31 Para lubricación Elastohidrodinámica (EHL) ................................................................................. 31 Lubricantes EP de 1ra generación ................................................................................................... 31 Lubricantes EP de 2da generación .................................................................................................. 31 Lubricantes EP de 3ra generación ................................................................................................... 32 CALCULO DEL TIPO DE PELICULA LUBRICANTE .................................................................. 32 CALCULO DEL CONSUMO DE ENERGIA POR FRICCION (CE f) ............................................. 32 COEFICIENTES DE FRICCION ....................................................................................................... 33 CONCLUSIONES .............................................................................................................................. 36 Capítulo 4. FUNDAMENTOS SOBRE LUBRICACION ...................................................................... 37 DEFINICION ...................................................................................................................................... 37 PELÍCULA LUBRICANTE ............................................................................................................... 37 TIPOS DE LUBRICACION ............................................................................................................... 37 Lubricación sólida ó límite .............................................................................................................. 38 Lubricación fluida ........................................................................................................................... 39 Lubricación elastohidrodinámica ó EHL ........................................................................................ 41 Lubricación fluida ó EHL................................................................................................................ 44 Rango de la lubricación fluida......................................................................................................... 44 Criticidad de la lubricación EHL..................................................................................................... 45 Lubricación hidrostática .................................................................................................................. 45 TIPOS DE LUBRICANTES ............................................................................................................... 46 Para lubricación límite..................................................................................................................... 46 Para lubricación hidrodinámica ....................................................................................................... 47 Para lubricación Elastohidrodinámica ó EHL ................................................................................. 47 CASO HISTORICO DE LUBRICACION EHL ................................................................................ 47 Criticidad de la lubricación EHL..................................................................................................... 48 Conclusiones ....................................................................................................................................... 49 Capítulo 5. SELECCIÓN DEL TIPO DE ADITIVO EXTREMA PRESION - EP ............................... 50 INTRODUCCION .............................................................................................................................. 50 TIPOS DE LUBRICACION ............................................................................................................... 50 Lubricación Hidrodinámica............................................................................................................. 50 Lubricación Elastohidrodinámica (EHL) ........................................................................................ 50 CALCULO DEL TIPO DE LUBRICACION ..................................................................................... 51 Características de los lubricantes con aditivos EP .............................................................................. 55 - Lubricantes EP de 1ra generación (EP1) ....................................................................................... 55 Lubricantes EP de 2da generación (EP2)......................................................................................... 56 Lubricantes EP de 3ra generación (EP3) ......................................................................................... 56 Capítulo 6. SELECCION CORRECTA DE UN ACEITE INDUSTRIAL ............................................ 58 INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. 58 SELECCIÓN DE UN ACEITE INDUSTRIAL.................................................................................. 58 Sistema ISO ......................................................................................................................................... 58 Características del sistema ISO ....................................................................................................... 59 Curvas características de los aceites industriales ............................................................................ 60 TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Pasos que se deben tener en cuenta en la selección del aceite industrial ........................................ 60 Forma correcta de recomendar el aceite .......................................................................................... 60 Modificación del grado ISO del aceite de acuerdo con al temperatura ambiente ........................... 64 EQUIVALENCIAS ENTRE DIFERENTES SISTEMAS DE CLASIFICACION DE LA VISCOSIDAD ..................................................................................................................................... 65 Capítulo 7. SELECCION CORRECTA DE UN ACEITE AUTOMOTRIZ .......................................... 72 MOTOR DEL VEHICULO ................................................................................................................ 72 Ciclos del motor de 4 tiempos ......................................................................................................... 72 Partes del motor de 4 tiempos ......................................................................................................... 73 Lubricación del motor de 4 tiempos ................................................................................................ 73 Sistema de lubricación del motor de combustión interna................................................................ 74 PROCESO DE COMBUSTION DEL COMBUSTIBLE EN EL MOTOR ....................................... 74 Inofensivos: ..................................................................................................................................... 74 Contaminantes: ................................................................................................................................ 74 Residuos carbonosos ....................................................................................................................... 74 FORMULACION ................................................................................................................................ 74 ESPECIFICACIONES DEL ACEITE PARA EL MOTOR DEL VEHICULO ................................. 75 Grado SAE (Society of Automotive Engineers) de los aceites para automotores .......................... 75 Nivel de calidad API ........................................................................................................................... 77 ASPECTOS IMPORTANTES A TENER EN CUENTA AL SELECCIONAR EL ACEITE PARA EL MOTOR ......................................................................................................................................... 78 ESPECIFICACION DEL ACEITE AUTOMOTRIZ ......................................................................... 79 Engranajes automotrices.................................................................................................................. 79 Formulación del aceite automotriz .................................................................................................. 79 ESPECIFICACIONES DEL ACEITE SAE PARA ENGRANAJES AUTOMOTRICES ................. 80 Nivel de calidad API ........................................................................................................................... 81 ASPECTOS IMPORTANTES A TENER EN CUENTA AL SELECCIONAR EL ACEITE PARA LOS ENGRANAJES AUTOMOTRICES .......................................................................................... 82 Lubricacion Del Motor De Combustión Interna Por Condición ..................................................... 82 Capítulo 8. EL IMPACTO DEL DESGASTE EN LOS MECANISMOS LUBRICADOS ................... 84 INTRODUCCION .............................................................................................................................. 84 TIPOS DE DESGASTE ...................................................................................................................... 84 Desgaste Adhesivo .......................................................................................................................... 85 Desgaste Erosivo ............................................................................................................................. 85 Desgaste Abrasivo ........................................................................................................................... 86 Desgaste Corrosivo ......................................................................................................................... 86 Desgaste por Fatiga Superficial....................................................................................................... 87 Desgaste por Cavitación .................................................................................................................. 88 Desgaste por Corrientes eléctricas .................................................................................................. 89 CONSECUENCIAS DEL DESGASTE .............................................................................................. 89 Capítulo 9. LA INFLUENCIA DE LA RUGOSIDAD EN EL DESGASTE DE LOS MECANISMOS ................................................................................................................................................................. 90 INTRODUCCION .............................................................................................................................. 90 RUGOSIDAD ..................................................................................................................................... 90 TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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TIPOS DE RUGOSIDADES .............................................................................................................. 91 INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE LA RUGOSIDAD EN EL COEFICIENTE DE FRICCION SOLIDA Y EHL.................................................................................................................................. 92 AHORRO DE ENERGIA POR MENOR FRICCION EHL .............................................................. 93 LA INFLUENCIA DE LA RUGOSIDAD EN LA FILTRACION DEL ACEITE ............................ 93 CONCLUSIONES .............................................................................................................................. 94 Capítulo 10. ANALISIS DE LABORATORIO A ACEITES LUBRICANTES .................................... 95 INTRODUCCION .............................................................................................................................. 95 ANÁLISIS DEL ACEITE ................................................................................................................... 96 Objetivos del análisis de aceite ....................................................................................................... 96 Pruebas de laboratorio ..................................................................................................................... 96 ANALISIS A LAS CARACTERÍSTICAS FISICO-QUIMICAS DEL ACEITE .............................. 96 ANÁLISIS DE DESGASTE ............................................................................................................. 101 - Espectrofotometría por emisión atómica ................................................................................... 102 - Conteo de Partículas .................................................................................................................. 103 Lisos ó chumaceras ....................................................................................................................... 105 - Ferrografía .................................................................................................................................. 106 ENVEJECIMIENTO MORAL DEL COMPONENTE MECANICO .............................................. 107 CONCLUSIONES ............................................................................................................................ 107 Capítulo 11. PRUEBA DE 4 BOLAS ................................................................................................... 108 INTRODUCCION ............................................................................................................................ 108 DESARROLLO ................................................................................................................................ 108 TIPOS DE ADITIVOS EXTREMA PRESION ................................................................................ 109 Capítulo 12. CODIGO COLORES PARA IDENTIFICACIÓN DE LOS LUBRICANTES .............. 111 INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 111 CARACTERISTICAS ...................................................................................................................... 111 CODIGO INTERNACIONAL DE COLORES ................................................................................ 111 ROTULOS METALICOS ................................................................................................................. 113 Capítulo 13. FACTORES QUE AFECTAN LA VIDA DISPONIBLE DE LOS MECANISMOS LUBRICADOS ..................................................................................................................................... 115 Capítulo 14 . CONFIABILIDAD DE MAQUINAS ............................................................................. 117 INTRODUCCION ............................................................................................................................ 117 OBJETIVOS ...................................................................................................................................... 118 IDENTIFICACION DEL TIPO DE MAQUINA ............................................................................. 118 DESARROLLO DEL PROGRAMA ................................................................................................ 118 METODOLOGIA PARA LA ELABORACION DEL INFORME DE CONFIABILIDAD ........... 119 PRUEBAS DE LABORATORIO ..................................................................................................... 119 ANALISIS DE RESULTADOS ....................................................................................................... 120 INFORME DE CONFIABILIDAD DE MAQUINAS ..................................................................... 120 ALCANCES DEL PROGRAMA ..................................................................................................... 121 BENEFICIOS .................................................................................................................................... 121 Capítulo 15. RUTA DE TRIBOLOGIA ............................................................................................... 122 DEFINICION .................................................................................................................................... 122 CARACTERISTICAS ...................................................................................................................... 122 TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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HERRAMIENTAS ............................................................................................................................ 123 FRECUENCIA DE MONITOREO .................................................................................................. 123 METODOLOGIA ............................................................................................................................. 123 DESARROLLO ................................................................................................................................ 124 Paso No1 (a): Análisis de la condición del aceite ......................................................................... 124 Paso No1 (b): Análisis de la condición de la grasa ....................................................................... 124 Paso No2: Temperatura de operación ........................................................................................... 124 Paso No3: Intensidad de las vibraciones ....................................................................................... 124 REGISTRO DE LA INFORMACION ............................................................................................. 125 INFORMES Y RECOMENDACIONES .......................................................................................... 125 BENEFICIOS DEL PROGRAMA ................................................................................................... 125 Capítulo 16. RUTA DE CONFIABILIDAD......................................................................................... 127 INTRODUCCION ............................................................................................................................ 127 CARACTERIZACION DE EQUIPOS ............................................................................................. 127 METODOLOGIA ............................................................................................................................. 127 DESARROLLO ................................................................................................................................ 128 HERRAMIENTAS ............................................................................................................................ 128 INFORME DE CONFIABILIDAD Y DISPONIBILDAD DE MAQUINAS .................................. 128 BENEFICIOS PROGRAMA ............................................................................................................ 129 Capítulo 17. FLUSHING QUIMICOHIDRAULICO Y FLUSHING HIDRAULICO EN TURBOMAQUINAS ............................................................................................................................ 131 FLUSHING QUIMICOHIDRAULICO O FLUSHING HIDRAULICO ......................................... 131 OBJETIVO ........................................................................................................................................ 131 PROCEDIMIENTO .......................................................................................................................... 131 PROCEDIMIENTO DEL FLUSHING QUIMICOHIDRAULICO ............................................. 131 PROCEDIMIENTO DEL FLUSHING HIDRAULICO ............................................................... 133 NORMAS .......................................................................................................................................... 137 Capítulo 18. DIALISIS Y FILTRACION DE ACEITES INDUSTRIALES ...................................... 138 PROCESO DE DIÁLISIS O TERMOVACIO ................................................................................. 138 EVALUACIÓN DEL ACEITE QUE SE VA A DIALIZAR Y FILTRAR ...................................... 138 TIPOS DE ACEITES QUE SE PUEDEN DIALIZAR Y FILTRAR ............................................... 138 DESARROLLO DEL PROGRAMA DE DIALISIS Y FILTRACION ........................................... 139 EJECUCIÓN DEL PROGRAMA DE DIALISIS Y FILTRACION ................................................ 139 BENEFICIOS DEL PROCESO DE DIALISIS Y FILTRACION ................................................... 139 Capítulo 19. CONTROL DE LA CONTAMINACION ....................................................................... 141 INTRODUCCION ............................................................................................................................ 141 TIPOS DE CONTAMINANTES ...................................................................................................... 141 EFECTO DE LA CONTAMINACION POR SUSTANCIAS SOLIDAS ........................................ 142 EFECTOS DE LA CONTAMINACION POR AGUA .................................................................... 143 VIAS DE INGESTION DE CONTAMINANTES ........................................................................... 144 MEDIOS FIILTRANTES ................................................................................................................ 146 Tipos De Medios Filtrantes ............................................................................................................... 146 Filtros de Superficie: ..................................................................................................................... 147 Filtros de profundidad. .................................................................................................................. 147 TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Filtros sinterizados ........................................................................................................................ 148 Relación De Filtración ...................................................................................................................... 148 Tipos de filtros y ubicación ............................................................................................................... 150 Filtros de succión. ......................................................................................................................... 150 Filtros de presión. .......................................................................................................................... 151 Filtros de retorno. .......................................................................................................................... 151 Filtración proporcional o secundaria. ............................................................................................ 151 Capítulo 20. FILTRACIÓN DE ACEITES LUBRICANTES ............................................................. 154 OBJETIVOS ...................................................................................................................................... 154 EVALUACIÓN DEL ACEITE QUE SE VA A FILTRAR ............................................................. 154 TIPOS DE ACEITES QUE SE PUEDEN FILTRAR ....................................................................... 155 METODOLOGIA ............................................................................................................................. 155 BENEFICIOS .................................................................................................................................... 156 Capítulo 21. TOMA DE MUESTRAS DE ACEITE PARA SU ANALISIS DE LABORATORIO .. 157 Cuidados para el operario:............................................................................................................. 157 Cuidados para con el equipo de muestreo: .................................................................................... 157 Si la toma de muestra se realiza sin bomba de vacío: ................................................................... 158 Muestra de fluido hidráulico: ........................................................................................................ 159 Si la toma se realiza mediante bomba de vacío: ............................................................................ 159 Capítulo 22. LUBRICACIÓN CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD (LCC) .............................. 161 OBJETIVOS ...................................................................................................................................... 161 DESARROLLO ................................................................................................................................ 161 DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS ROTATIVOS ........................................................................ 161 LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD ............................................................ 162 PROGRAMAS DEL LCC ................................................................................................................ 162 Proceso No1 .................................................................................................................................. 162 Proceso No2 .................................................................................................................................. 163 Proceso No3 .................................................................................................................................. 163 Proceso No4 .................................................................................................................................. 163 Proceso No5 .................................................................................................................................. 164 Proceso No6 .................................................................................................................................. 164 PROGRAMA DE VIBRACIONES .................................................................................................. 164 PROGRAMA DE CONFIABILIDAD .............................................................................................. 165 LUBRICACION CENTRADA EN .................................................................................................. 166 LA CONFIABILIDAD – LCC .......................................................................................................... 166 Capítulo 23. AUDITORIA TRIBOLOGICA (ATRIB) ........................................................................ 175 OBJETIVO ........................................................................................................................................ 175 PROGRAMAS DE LUBRICACION ............................................................................................... 175 RESPONSABLES DE LOS PROGRAMAS DE LUBRICACION ................................................. 175 PARTICIPANTES ............................................................................................................................ 176 PERIODICIDAD .............................................................................................................................. 176 METODOLOGIA ............................................................................................................................. 176 ANOMALIAS REPORTADAS ........................................................................................................ 176 REGISTRO DE LA INFORMACION ............................................................................................. 177 TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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INFORMES Y RECOMENDACIONES .......................................................................................... 177 BENEFICIOS .................................................................................................................................... 177 FECHA DE INICIO .......................................................................................................................... 178
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Capítulo 1. VIDA DE LAS MAQUINAS DEFINICION La vida de las máquinas también conocida como vida a la fatiga, se define como el número de horas que podrán alcanzar los diferentes componentes mecánicos que las constituyen garantizando una producción continua, con bajos costos tanto por mantenimiento preventivo como por consumo de energía. La vida proyectada de las máquinas se basa en los parámetros que el fabricante tuvo en cuenta durante su diseño como cargas, velocidades, temperatura, medio ambiente y materiales utilizados. Las nuevas teorías de vida esperada de los componentes de las máquinas 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 aplicación y su nivel de limpieza de acuerdo con la Norma ISO 4406.
CURVA TRIBOLOGICA La curva tribológica de los componentes de una máquina es muy similar a la curva de la bañera de Davis (referida a las diferentes etapas en las que pueden fallar los componentes de las máquinas) y se conoce también como la curva de desgaste normal de cada uno de ellos a través del tiempo; es característica para cada uno de los diferentes metales que constituyen la metalurgia de los mecanismos de la máquina y su contenido se específica en las partes por millón (ppm ) que pueden haber presentes en el aceite que se está utilizando al cumplirse su frecuencia de cambio. La curva tribólogica tiene tres etapas fundamentales que son: improductiva ó asentamiento del componente, productiva ó vida a la fatiga y final ó vida remanente (envejecimiento moral).
ETAPA IMPRODUCTIVA O ASENTAMIENTO DEL MECANISMO El asentamiento ó despegue de dos superficies que van a trabajar moviéndose la una con respecto a la otra en el mecanismo de un equipo, es la etapa más importante en la vida del mecanismo y de ella dependerá que alcance su vida a la fatiga ó que ésta se vea reducida considerablemente (conocida como mortalidad infantil); se presenta en las primeras horas de operación del mecanismo y el tiempo de duración varía de acuerdo con el TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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tipo de mecanismo, los materiales utilizados, la rugosidad de las superficies, la clase de lubricante utilizado y la operación del equipo. Durante el proceso de mecanizado de las dos superficies del mecanismo nuevo es prácticamente imposible garantizar que las crestas que componen su rugosidad serán uniformes, por lo que habrá necesidad de eliminar intencionalmente las más sobresalientes cuando las rugosidades se muevan la una con respecto a la otra; en la curva tribológica aparecerá un elevado desgaste durante las primeras horas de operación de dicho mecanismo; está situación es normal y el desgaste irá disminuyendo en la medida que las crestas más sobresalientes se vayan puliendo. Las partículas metálicas que se desprenden se deben evacuar del mecanismo lubricado ya que de lo contrario darán lugar a que se presente el desgaste abrasivo el cual disminuirá 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 mínima posible ya que en ese momento el área real de trabajo sólo estará constituida por los picos de las crestas de mayor tamaño. La presión que actúa sobre la superficie de trabajo es igual a la fuerza sobre el área, así por ejemplo si se tiene una fuerza de 100 kgf y un área real de soporte de carga de 100 cm2, se tendrá una presión igual a 1kgf / cm 2, si el mecanismo está nuevo el área será mucho menor, supóngase 50 cm 2, lo que daría como resultado que si se le aplicara la carga normal de trabajo de 100 kgf la presión sería igual a 2 kgf/cm 2, sobrepasando posiblemente la de diseño y en la curva esfuerzo - deformación de los materiales cuando el mecanismo se ponga en movimiento ó la lubricación sea del tipo ElastoHidrodinámica (EHL) y las irregularidades de las superficies interactúen es factible que el punto de trabajo quede localizado en la zona plástica dando lugar a la fractura de las crestas y al inicio de micro grietas internas que se irán propagando hasta destruir las superficies de fricción y por lo tanto el mecanismo. Si el mecanismo que se va a asentar son los engranajes de un reductor de velocidad, la recomendación es trabajarlo en vacío (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 operación.
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Propiciar desgaste erosivo entre las crestas de las rugosidades de las dos superficies mediante la utilización 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 película límite que se encuentra adherida a ellas y las irán desgastando lentamente por erosión hasta que la rugosidad promedio de las dos superficies llegue a su valor normal. El exceso de viscosidad acelerará el asentamiento del mecanismo, sin embargo si hay suficiente tiempo para esta temprana etapa de la vida del mecanismo, se podrá llevar a cabo con el aceite recomendado por el fabricante de la máquina. El empleo de un aceite de menor viscosidad propiciará el desgaste adhesivo entre las crestas de las dos superficies con la desventaja de que al soldarse al entrar en contacto se fracturarán generando grietas internas que se propagarán y destruirán las superficies de fricción del mecanismo.
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Si el sistema de lubricación del mecanismo es por salpique, el aceite se debe cambiar cada 48 horas de operación continua ó en su defecto se debe filtrar para retirarle las partículas metálicas 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 físico - químicas están en buen estado. Si el sistema de lubricación es por circulación es necesario hacerle al aceite cada 48 horas de operación continua un conteo de partículas según ISO 4406 para determinar en qué momento se debe cambiar.
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Hacerle al aceite cada 48 horas un análisis del contenido de metales en partes por millón (ppm) y conteo de partículas según ISO 4406 para determinar en qué momento se estabiliza el desgaste del mecanismo y se da por terminada la etapa de asentamiento. El análisis del desgaste se puede complementar con el chequeo de la temperatura de operación ya que ésta irá disminuyendo hasta estabilizarse en la medida en que las crestas se vayan puliendo. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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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 ó vida a la fatiga del mecanismo.
ETAPA PRODUCTIVA O VIDA A LA FATIGA DEL MECANISMO Esta etapa es la más importante en la vida del mecanismo y tiene un rango de desgaste erosivo que permanece aproximadamente constante a lo largo de su período de explotación y que con los lubricantes que se conocen en la actualidad no puede llegar a ser cero; es característico para cada uno de los metales que constituyen el mecanismo y depende de sus condiciones de operación, del tipo de aceite utilizado, del índice de viscosidad (IV) y de la eficiencia de la filtración. 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 análisis periódico del contenido de metales en ppm presentes en el aceite cada vez que éste se cambia. Los factores que más inciden para que el mecanismo alcance su vida a la fatiga, para que sea mayor ó para que ésta se reduzca considerablemente son el IV y la calidad de la filtración del aceite. El contenido de metales en ppm presentes en el aceite se analiza por espectro fotometría de emisión atómica y se lleva a cabo cada vez que el aceite se cambie; la cantidad de partículas metálicas debe ser aproximadamente igual a la tendencia al desgaste del mecanismo, si es menor es un buen síntoma de que el mecanismo está trabajando correctamente y si es mayor es porque algo anormal está sucediendo. En este último caso se cambia el aceite y en el período 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 situación se normaliza el problema fue ocasionado probablemente por sobrecargas ó por contaminación del aceite con polvo del medio ambiente lo cual se podría comprobar si el contenido de Silicio (Si) en ppm fue alto cuando se presentó el desgaste del mecanismo por fuera de su tendencia normal, en caso contrario si el problema del alto contenido de partículas metálicas en ppm en el aceite persiste, es necesario en el período que sigue hacerle un seguimiento al mecanismo con técnicas como el chequeo de la temperatura de operación, análisis del espectro frecuencial de las vibraciones para determinar si hay algún tipo de problema en el mecanismo como desalineamiento, desbalanceo, roces, solturas, etc, conteo de partículas según ISO 4406 y ferrografía; comparando los resultados de estas técnicas es factible conocer con mucha exactitud la causa real del desgaste del mecanismo.
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 análisis 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 está llegando a su fin. En esta etapa es muy importante conocer con mucha aproximación cuando se debe parar la máquina para cambiarle dicho mecanismo, ya que si se hace a destiempo se desaprovecharía parte de su vida residual generando costos de mantenimiento y pérdidas de producción y por el contrario si se sobrepasa el tiempo máximo que puede trabajar el mecanismo con confiabilidad se produciría su falla catastrófica con graves consecuencias para el sistema productivo de la empresa. Para determinar con mucha exactitud el momento en que se debe parar la máquina para intervenirla, es necesario utilizar técnicas de monitoreo como el chequeo de la temperatura de operación, análisis del espectro frecuencial de las vibraciones, conteo de partículas según ISO 4406 y ferrografía. Esta última técnica es una de las más importantes ya que conociendo el tamaño de las partículas, su forma y el tipo de material es factible conocer la gravedad y el tipo de desgaste que se está presentando en el mecanismo.
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CURVA TRIBOLOGICA POSITIVA O NEGATIVA DE UN MECANISMO La curva tribológica positiva de un mecanismo se proyecta por debajo de la tendencia al desgaste especificada por el fabricante y se presenta cuando en su lubricación se utiliza un aceite que por lo regular es sintético con un IV mayor que el que se ha venido utilizando y / ó se mantiene el aceite con un código 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 máquina; no es fácil de obtener en la práctica porque se requiere un alto nivel de conocimientos por parte del personal de mantenimiento en los temas de la lubricación y de la filtración.
La curva tribológica negativa de un mecanismo se proyecta por encima de la tendencia al desgaste especificada por el fabricante y se presenta por múltiples causas entre las que se tienen un mal asentamiento de las rugosidades, una operación incorrecta del mecanismo, una mala lubricación y altas vibraciones ocasionadas por desalineamiento, desbalanceo, etc. Esta curva es muy fácil de que se presente en la práctica y da lugar a que el mecanismo lubricado se tenga que cambiar mucho antes de la terminación 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 más importantes la utilización de lubricantes sintéticos con altos IV y la implementación de programas preventivos de filtración del aceite. Si la temperatura de operación del mecanismo, medida en la carcasa, es superior a los 50°C se debe analizar si el calor generado es por exceso de fricción en el mecanismo en cuyo caso se debe hacer un estudio del coeficiente de fricción de la película lubricante del lubricante utilizado y finalmente considerar la posibilidad de refrigerar el aceite para mantenerlo como máximo en 50°C.
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Capítulo 2. FUERZA DE FRICCIÓN: FACTOR NEGATIVO EN LAS EMPRESAS INDUSTRIALES
INTRODUCCION La fricción está presente en nuestras vidas todos los días y en algunos casos es imprescindible para poder desarrollar determinadas acciones como caminar, andar ó frenar un vehículo, generar fuego, fabricar piezas en un torno ó en una fresadora, etc; pero es completamente improductiva en los elementos de una máquina, los cuales podrían fallar catastróficamente si no se lubricaran, y aunque esto se hiciera, si el lubricante no es el adecuado, el mecanismo, dentro de un proceso más lento también se dañaría finalmente. En las relaciones diarias con otras personas, la fricción ó 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 fricción entre los seres humanos es necesario reducirla, para vivir en un mundo cada vez mejor. La fricción en los componentes de máquinas, conlleva a la transformación de energía útil, aprovechable en trabajo productivo, en calor tanto para la máquina como para el ambiente, con el subsecuente número de problemas que las altas temperaturas de operación generan para los mecanismos lubricados, para el aceite y para el ambiente, ya que aporta calor causante del cambio climático. Es muy importante el análisis ingenieril de los fenómenos de fricción en las máquinas, para determinar si las causas que lo generan son mecánicas, operacionales ó de lubricación, con el objetivo de controlarlas y reducirlas hasta llegar a eliminarlas algún día.
HISTORIA DE LA FRICCION La fricción permitió el desarrollo del hombre primitivo, en épocas muy remotas, como en el año 200.000 AC cuando “inventó” la máquina para “hacer fuego”, y las “brocas”. Al descubrir la fricción y utilizarla para su propio bienestar también vio la necesidad que era necesario reducirla en otros tipos de “máquinas”, como en el torno de alfarero, utilizado para la fabricación de vasijas de arcilla para los alimentos, en la cual, los elementos sometidos a fricción, al girar la tabla horizontal se desgastaban y era necesario “lubricarlos”. En esa época para reducir la fricción se utilizaban agua, petróleo crudo, y grasas de origen animal y vegetal principalmente. Posteriormente el hombre de la época de las grandes civilizaciones mostró un gran interés por reducir la fricción en movimientos de traslación como en el caso de los egipcios en el año 2500 AC para el transporte de piedras hasta de 200 toneladas cada una para la construcción de monumentos y pirámides y más adelante para reducir el desgaste de las ruedas y demás elementos utilizados en la guerra y en la vida diaria. El hombre moderno continua con el mismo interés de reducir al máximo la fricción, no solo en los diferentes componentes de las máquinas que utiliza en todo momento, sino también en su propio organismo y es así como hoy en día se ve el reemplazo de partes del sistema óseo como las rótulas de las caderas por materiales termoplásticos autolubricados, de larga vida y compatibles con los tejidos humanos. Terminando la edad media ó la era del oscurantismo, y empezando el renacimiento (año 700 DC al 1500 DC), el artista científico Leonardo Da Vinci (1452-1519) planteó conceptualmente por primera vez, las leyes fundamentales de la fricción, vigentes aún hoy en día, en las cuales afirmaba que: TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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La fuerza de fricción es directamente proporcional al coeficiente de fricción y al peso del cuerpo en movimiento. La fuerza de fricción depende del área (microscópica) real de contacto y no del área aparente del cuerpo deslizante.
En 1699 el físico francés Guillaume Amontons (1663-1705) formuló matemáticamente las leyes de la fricción del movimiento por deslizamiento entre dos superficies planas. Otros científicos 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 fricción entre dos cuerpos sólidos, entre estos y los fluidos y en el interior de los fluidos.
FRICCION Y FUERZA DE FRICCION La fricción es la oposición que presentan dos zonas materiales en contacto, durante el inicio, desarrollo y final del movimiento relativo entre ellas, conlleva a consumo de energía, generación de calor, desgaste y en algunos casos a fallas catastróficas. Los cuerpos que se mueven pueden ser sólidos, líquidos ó gaseosos, ó una combinación de dos ó más de ellos. La fricción se define como fuerza de fricción (F), es negativa y se opone al movimiento y refleja que tanta energía mecánica se pierde cuando dos cuerpos inician el movimiento ó se mueven entre sí y es paralela y opuesta al sentido del movimiento. Refleja que tan eficiente energéticamente es el mecanismo durante su funcionamiento. La fuerza de fricción se calcula de la siguiente ecuación:
F = f x W, Ecuación No1 -
F: fuerza de fricción, kgf (lbf) f: coeficiente de fricción metal-metal, sólido, mixto ó fluido, adimensional. W: fuerza normal que actúa sobre una de las superficies de fricción, kgf (lbf).
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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 ángulo de inclinación y es menor que el peso de dicho cuerpo (WCosθ). Cuando el cuerpo reposa sobre una superficie horizontal dicho cuerpo presiona sobre la superficie con todo su peso y si la superficie está inclinada, por ejemplo 60º, solo presiona con la mitad de su peso y la fuerza normal es de cero cuando el plano está en posición vertical, puesto que el cuerpo y la superficie no se presionan entre sí. La fuerza normal sobre la superficie puede ser mayor que el peso si se ejerce una presión adicional sobre el cuerpo.
TIPOS DE FUERZAS DE FRICCION La fuerza de fricción, puede ser estática ó cinética. -
Fuerza de fricción estática (F e) Fuerza de fricción cinética (Fc)
Fuerza de fricción estática (Fe ) La fuerza de fricción estática (F e) 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 microscópica de las dos superficies, que interactúan y se entrelazan, y entre las cuales se generan enlaces iónicos y microsoldaduras formadas por la humedad y el oxigeno del aire.
Fuerza de fricción cinética (Fc ) La fuerza de fricción cinética (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 fricción cinética, entre dos cuerpos que se mueven entre si se puede presentar como: -
Metal – metal Sólida Mixta Fluida
Fuerza de fricción cinética metal-metal Tiene lugar cuando la rugosidad de una superficie metálica desliza directamente sobre la otra y el sistema tribológico está constituido por dos cuerpos sólidos, entre los cuales no hay un tercer elemento sólido ó fluido que los separe. En la fuerza de fricción metal-metal cinética, tiene las siguientes características: -
Puede ser de alta ó de mediana intensidad, dependiendo del tipo de materiales en contacto. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Ocasiona en la mayoría de los casos que las superficies de fricción de los componentes de la máquina se suelden y la falla sea catastrófica, debido a la gran cantidad de calor generado cuando las crestas altas y pequeñas chocan, se deforman elásticamente y luego plásticamente hasta fracturarse. Ocurre de manera transitoria cuando los mecanismos lubricados de una máquina se ponen en operación ó se detienen y la condición final de lubricación es Elastohidrodinámica ó fluida.
Falla catastrófica entre el cojinete y el muñón en un reductor de velocidad al interrumpirse le flujo de aceite.
Fuerza de fricción sólida cinética Se presenta de manera transitoria siempre que los componentes de la máquina inician su movimiento ó paran. La fuerza de fricción sólida cinética presenta las siguientes características: -
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 película lubricante es fluida y se rompe debido a condiciones mecánicas u operacionales anormales en el mecanismo lubricado.
Desgaste adhesivo en el cojinete liso de un compresor centrífugo por fricción sólida en el momento de la puesta en marcha.
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Fuerza de fricción mixta cinética Se presenta de manera permanente cuando los mecanismos lubricados de una máquina trabajan bajo condiciones de lubricación Elastohidrodinámica (EHL). La intensidad de la fuerza de fricción mixta tiene las siguientes características: -
Depende del tipo de aditivo extrema presión y de las características 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 máquina. Se puede minimizar cuando se requiere un lubricante con un aditivo extrema presión de tipo EP 1 y se utiliza un EP3 y se puede incrementar cuando se requiere un EP3 y se pasa a un EP1.
Desgaste adhesivo por fricción mixta en el cojinete liso del eje de baja velocidad en un reductor.
Fuerza de fricción fluida cinética Tiene lugar cuando las superficies de fricción 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 fricción fluida cinética presenta las siguientes características: -
Para un mismo espesor de película lubricante, depende de si el lubricante utilizado es mineral, sintético ó vegetal. En el caso del aceite mineral se define como la resistencia que presentan al corte las laminillas que constituyen la película lubricante, un valor típico es de 0,008. En el caso de los aceites sintéticos como la resistencia a la rodadura de las esferas de igual diámetro que constituyen la película lubricante, un valor típico es de 0,006. En el caso de los aceites vegetales como la resistencia a la rodadura de las esferas de diferente diámetro que constituyen la película lubricante, un valor típico es de 0,007.
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Fricción fluida con diferentes tipos de lubricantes.
Película lubricante en el cojinete liso de apoyo de una turbina de vapor cuyo eje gira a 3600 rpm.
COEFICIENTE DE FRICCIÓN El coeficiente de fricción caracteriza la fuerza de fricción, es el parámetro modificable para reducir las pérdidas por fricción y hacer más productivo el desempeño mecánico de los componentes de máquinas. El coeficiente de fricción entre dos cuerpos que se mueven puede ser por deslizamiento ó por rodadura dependiendo de la forma geométrica de las superficies que interactúan. El coeficiente de fricción por rodadura es menor que por deslizamiento. El valor del coeficiente de fricción por deslizamiento y por rodadura a su vez es función de la naturaleza del contacto que se presente entre los cuerpos sometidos a fricción, y puede ser: -
Metal-metal por deslizamiento (fmmd) ó rodadura (fmmr) Sólido por deslizamiento (fsd) ó por rodadura (fsr) Mixto por deslizamiento (fmd) ó por rodadura (fmr) Fluido por deslizamiento (ffd) ó por rodadura (ffr)
El coeficiente de fricción metal-metal cinético es el más alto, conlleva a elevadas pérdidas de energía por fricción y alta generación 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 fricción sólida cinético depende del tipo de material que se le haya aplicado a las superficies metálicas que interactúan como material de desgaste. Por ejemplo cuando se utiliza como material de desgaste el aditivo metálico ditiosfosfato de zinc sobre ditiosfosfato de zinc es en promedio de 0,10. El coeficiente de fricción 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 EP 1 sobre aceite mineral EP1 es en promedio de 0,020. El coeficiente de fricción 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. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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En la Tabla No1 se especifican los valores típicos de coeficientes de fricción por deslizamiento y rodadura en diferentes mecanismos y condiciones de lubricación. Tabla No1 Valores típicos de coeficientes de fricción por deslizamiento y rodadura en diferentes mecanismos y condiciones de lubricación Coeficiente de fricción Metal-metal fmm Desliz. Rod. fmmd fmmr
Sólido fs Mineral Sintético fsd fsd
Fluido ff Mineral Sintét. ffd ffr
0,33
0,11
0,0085
0,0075
0,37
0,12
0,009
0,008
0,31
0,10
0,008
0,007
0,30
0,13
0,0083
0,0073
0,32
0,11
0,0081
0,0071
0,34
0,18
0,0088
0,0078
0,40
0,12
0,0095
0,0085
0,42
0,14
0,009
0,008
0,0095
0,0085
0,008
0,007
0,47
0,17
0,45
0,16
Mixto fm EP1 EP2 EP3 1ra Generación 2da Generación 3ra Generación Mineral Sintético Mineral Sintético Mineral Sintético fmd fmr fmd fmr fmd fmr Mecanismo Rodamiento rígido de bolas 0,09 0,019 0,017 0,016 0,014 0,013 0,011 Rodamiento de bolas de contacto angular 0,10 0,020 0,018 0,017 0,015 0,014 0,012 Rodamiento de bolas a rótula 0,09 0,019 0,017 0,016 0,014 0,013 0,011 Rodamiento axial de bolas 0,10 0,020 0,018 0,017 0,015 0,014 0,012 Rodamiento de rodillos cilíndricos 0,10 0,022 0,020 0,019 0,017 0,016 0,014 Rodamiento de rodillos cónicos, esféricos y a rótula 0,12 0,021 0,019 0,018 0,016 0,015 0,013 Rodamiento de agujas 0,09 0,019 0,017 0,016 0,014 0,013 0,011 Engranajes cilíndricos de dientes rectos y helicoidales 0,10 0,027 0,025 0,024 0,022 0,021 0,019 Engranajes sinfín-corona 0,12 0,042 0,040 0,039 0,037 0,036 0,034 Cojinetes lisos 0,11 0,034 0,032 0,031 0,029 0,028 0,026
Notas: (1) Por lo regular los engranajes sinfín-corona no trabajan bajo condiciones de lubricación HD sino EHL. (2) En cojinetes lisos el coeficiente de fricción fluida se calcula más exactamente por la ecuación de Sommerfeld (3) El coeficiente de fricción equivalente fe para aceite salpicado es de 0,010 y para aceite aplicado a presión es de 0,005. (4) fmmd y fmmr son los coeficientes de fricción metal-metal por deslizamiento y rodadura respectivamente. (5) fsd y fsr son los coeficientes de fricción sólida por deslizamiento y rodadura respectivamente. (6) fmd y fmr son los coeficientes de fricción mixta por deslizamiento y rodadura respectivamente. (7) ff y ff son los coeficientes de fricción fluida por deslizamiento y rodadura respectivamente. (8) Al utilizar un aceite de una viscosidad mayor que la requerida es necesario incrementar el coeficiente de fricción en un factor equivalente a 1,15 por cada grado ISO superior al requerido. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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GENERACION DE CALOR La cantidad de calor que se genera entre superficies de componentes de máquinas que están en contacto directo es tan alta que puede conllevar a que las rugosidades de las dos superficies se suelden al alcanzar el punto de fusión de los materiales. Inicialmente, al originarse el contacto metal-metal, la resistencia que ofrecen al movimiento el número de puntos soldados es inferior al torque generado por la máquina conducida, por lo que el mecanismo sigue operando a una temperatura de operación superior a la normal con un determinado nivel de desgaste adhesivo. Luego a medida que transcurre esta situación, la temperatura sigue en aumento con el consecuente número de puntos soldados de las crestas de las rugosidades, hasta que finalmente su resistencia es mayor que el torque aplicado y la máquina se “frena” dando lugar a la falla catastrófica del mecanismo donde ocurrió el contacto metal-metal, y en muchas ocasiones de otros componentes de la máquina, hasta el punto que es necesario reemplazarla en su totalidad.
Cantidad de calor generado dependiendo del tipo de fuerza de fricción En una máquina compleja, sus diferentes mecanismos están constituidos por engranajes, rodamientos, cojinetes lisos, guías, cadenas y acoples; los cuales están expuestos a bajos ó altos consumos de energía por fricción, generación de calor y por lo tanto a una temperatura de operación mayor que la del ambiente. La cantidad de calor generado en un componente de máquina depende del tipo de componente, de las condiciones operacionales a las cuales está sometido y del tipo de fricción que se presente en dicho componente. En la Tabla No2 se especifican las fórmulas que se pueden utilizar para calcular el calor generado en rodamientos, cojinetes lisos y engranajes.
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Tabla No2 Cálculo del calor generado en diferentes componentes de máquinas Mecanismo Rodamiento Cojinete liso Engranaje
Fórmula Qf = 4,42x10-3fWddn Qf = 26,46fWddn Qf = 632,5P(1 - et)
Ecuación No2 No3 No4
Parámetro: -
Qf: Calor generado por fricción, kcal/hr. f: Coeficiente de fricción, adimensional. Depende del tipo de lubricación. Wd: Carga dinámica que actúa sobre el rodamiento o cojinete liso, kgf. d: Diámetro del eje, cm. n: Velocidad a la cual gira el eje, rpm. P: Potencia disponible en el eje de entrada de la transmisión, kw. et: Eficiencia total de la transmisión, adimensional.
FALLA CATASTROFICA La falla catastrófica se define como aquella condición en la cual el mecanismo de una máquina queda totalmente inservible por excesivo desgaste adhesivo, cambio de su forma geométrica ó desintegración de su estructura metálica.
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Falla catastrófica en los cojinetes de apoyo del eje de una turbina de vapor La falla catastrófica en cualquier elemento mecánico se presenta como resultado del contacto metal-metal entre las superficies de fricción del componente mecánico. Las causas que conllevan a que se presente la falla catastrófica son: -
Temperatura de operación superior a la máxima permisible. Viscosidad del lubricante inferior a la requerida. Bajo nivel de aceite. Aceite contaminado con agua, gases, combustible, etc. Sobrecargas por problemas operacionales ó mecánicos (desbalanceo, desalineamiento, etc). Valores de vibración por encima del valor normal.
Caso histórico Una bomba centrífuga, que bombea gasolina en una planta petroquímica, desde un tanque a presión atmosférica hasta otro de almacenamiento, presentó falla catastrófica, en los tres rodamientos de apoyo del eje de la bomba centrífuga como resultado de la disminución de la Cabeza Neta de Succión Disponible (NPSH) d, al disminuir la altura H de la gasolina en el tanque desde el cual se alimenta la bomba centrífuga. Se requiere comprobar si la causa de la falla de los rodamientos fue un problema de contacto metal-metal por rotura de la película lubricante debido al calor generado. Datos técnicos: -
Tipo de rodamientos: uno rígido de bolas en el lado impulsor y dos de bolas de contacto angular en el lado acople. Velocidad de operación: 1800 rpm. Temperatura de operación: 60ºC Temperatura ambiente: 35ºC Carga dinámica sobre el rodamiento rígido de bolas: 2500 kgf Carga dinámica sobre cada rodamiento de bolas de contacto angular: 3200 kgf. Diámetro interior de los rodamientos: 12 cm. Aceite utilizado: ISO 68 Método de lubricación: por anillo. Condición de lubricación: hidrodinámica (HD). Area de transferencia de calor de la carcasa donde van alojados los rodamientos: 5950 cm 2.
Valores de Calor total generado por los tres rodamientos: Un rodamiento rígido 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 TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Calor total generado por los tres rodamientos: 7527,96 kcal/hr Temperatura final debido al calor total generado: El calor (Q) generado por fricción 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 ó conductividad térmica del material de la carcasa, 0,00252 kcal/cm 2xºCxhr ∆T: Diferencial de temperatura entre la carcasa y el ambiente, ºC Por lo tanto: ∆T = Q/At ht, ºC ∆T = (7527,96 kcal/hr)/(1,8kgxcm/minxcm2xºC)x5950 cm2 = 500,15ºC Top = 500,15º + 35ºC = 535,15ºC La Top de 500,15ºC rompe completamente la película lubricante y hace que las propiedades mecánicas de los rodamientos se afecten a un punto tal que se genera su falla catastrófica de manera inmediata, como efectivamente ocurrió en los rodamientos de la bomba centrífuga.
Rodamiento rígido de bolas destruido
Rodamientos de la bomba centrífuga destruidos
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Rodamientos de contacto angular destruidos
CARACTERISTICAS DE LA FUERZA DE FRICCION -
Es directamente proporcional a la carga normal que actúa entre las dos superficies. Depende del tipo de material de los cuerpos y del estado de sus superficies. Es independiente del área real de contacto entre las superficies. Es independiente de la velocidad relativa entre los cuerpos. Depende de la naturaleza del proceso de lubricación que ocurra entre los dos cuerpos.
CONSECUENCIAS DE LA FUERZA DE FRICCION -
Pérdida de potencia útil aprovechable para trabajo productivo. Generación de calor. Elevación de la temperatura de operación. Fatiga térmica de los componentes de máquinas con reducción de su vida de servicio. Oxidación prematura del aceite y altos costos de lubricación. Elevados costos de producción con disminución del nivel competitivo de la empresa.
CONTROL DE LA FUERZA DE FRICCION -
Mejoramiento de la rugosidad de las superficies en contacto. Uso eficiente de la lubricación. Implementación de lubricantes con aditivos antidesgaste y EP de alta tecnología. Uso de lubricantes con alto índice de viscosidad. Utilización de materiales con menores coeficientes de fricción.
BENEFICIOS AL CONTROLAR LA FUERZA DE FRICCION Los más importantes son: -
Mayor confiabilidad y disponibilidad de las máquinas. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Disminución de los costos de operación por menos paros en la maquinaria. Menos mantenimiento al reducir el desgaste adhesivo en los componentes lubricados. Reducción del consumo de energía por fricción en las máquinas. Menores niveles de contaminación. Mayor competitividad de las empresas.
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Capítulo 3. CALCULO DEL AHORRO DE ENERGIA POR MENOR FRICCION INTRODUCCION La industria moderna con la globalización de la economía ha entrado en un mercado altamente competitivo que la ha obligado a 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 estaría 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-ingeniería en todos sus procesos, Círculos de Calidad Total, Mantenimiento Productivo Total y otros tantos que han venido apareciendo en la medida en que los que se están utilizando muestran sus debilidades y quedan obsoletos. Sea cual sea el caso la mayoría de los programas cumplen bien o mal con el objetivo de bajar los costos de producción 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 estén funcionando, en este trabajo se va a estudiar como mediante el control de los diferentes fenómenos de la fricción a los cuales están expuestos los mecanismos de una máquina es factible disminuir los costos de operación (menos consumo de energía), costos de mantenimiento y las pérdidas de producción (disminución de los paros en la maquinaria). “La fricción presente en nuestras vidas es necesaria e imprescindible para poder llevar a cabo acciones como caminar, andar o frenar un vehículo, generar fuego, fabricar piezas en un torno o en una fresadora, etc.; pero es completamente improductiva en los elementos de una máquina, los cuales podrían fallar catastróficamente si no los lubricáramos. La fricción es tan peligrosa que aún utilizando un lubricante, si este no es el adecuado, el mecanismo, dentro de un proceso más lento también se dañaría finalmente. La fricción tal y como la conocemos hoy en día en las máquinas se puede controlar y aún reducir mediante la utilización eficiente de la lubricación. Los grandes desarrollos en esta materia permiten formar películas más eficientes y resistentes al desgaste, con menores esfuerzos a la cizalladura que conllevan a reducir el desgaste en los mecanismos y el consumo de energía. Mediante el estudio adecuado de los diferentes tipos de películas lubricantes que se forman en los mecanismos y la selección correcta del lubricante es factible lograr sistemas más productivos en las empresas que permitan no solamente competir sino también disminuir los altos niveles de contaminación a los cuales estamos expuestos hoy en día los seres humanos”.
PUESTA EN MARCHA Y OPERACION DE UN MECANISMO Quizás una de las condiciones más críticas en la operación de un mecanismo es en el momento en que se pone en marcha, ya sea por primera vez (aún más crítica) o después de que ha permanecido detenido durante algún período de tiempo. Cuando un elemento mecánico (engranajes, rodamientos, cadenas, etc.) se detiene las superficies sometidas a fricción se acercan y sus rugosidades interactúan 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.; imaginémonos que podría suceder si en la realidad tomásemos dos serruchos y los colocáramos de tal forma que todos sus dientes quedaran entrelazados y luego le aplicáramos a uno de ellos una fuerza suficiente como para ponerlo en movimiento?; seguramente que todos supondríamos lo mismo basados en que si la fuerza aplicada es lo suficientemente alta, la gran mayoría de los dientes se fracturarían quedando inservibles los dos serruchos. Pues bien, algo similar sucede en las máquinas cuando sus mecanismos se lubrican de una manera inadecuada, se utiliza el lubricante incorrecto o este después de cierto tiempo de trabajo ya ha perdido sus propiedades lubricantes.
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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 separación dependerá de las características de untuosidad (lubricidad) o de las propiedades anti-desgaste del lubricante que se este utilizando. Esta característica del lubricante forma una capa que se conoce como película límite la cual aisla las dos superficies metálicas permitiendo, junto con la elasticidad del material, que en el momento de la puesta en marcha del mecanismo las rugosidades se deformen elásticamente y pasen deslizándose las unas con respecto a las otras sin “soldarse”. “Teóricamente “ durante la puesta en marcha de un mecanismo no hay desgaste siempre y cuando el lubricante garantice la formación de la película límite y el material tenga la elasticidad adecuada; sin embargo, en la práctica se presenta el contacto metal - metal entre las dos superficies durante un instante de tiempo infinitamente pequeño al desgastarse la película límite. El tiempo que se demora en reaccionar el producto que forma la película límite permite el desgaste adhesivo y por consiguiente el desprendimiento de partículas metálicas. La eficiencia de un buen lubricante para condiciones de película límite depende de la velocidad de reacción de sus compuestos de untuosidad o de sus aditivos anti-desgaste con las superficies metálicas, del espesor de la película límite y de su coeficiente de fricción sólida (entre más bajo sea este valor la rata de desgaste de la película límite es menor, disminuyendo así el desgaste metálico porque el número de contactos dentro de un período de tiempo determinado serán menores). Una vez que el mecanismo se pone en marcha, las crestas de las rugosidades de las dos superficies chocan pero se irán separando lentamente debido al bombeo de aceite originado por el desplazamiento de la superficie en movimiento. En operación, el parámetro que más influye en la formación de la película 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. Cuál será el desgaste del mecanismo en esta nueva condición?, “ninguno” al igual que en el caso de la película límite, porque las dos superficies metálicas quedan recubiertas por una capa del lubricante y sobre estas se deslizan las demás capas, presentándose por lo tanto la fricción entre las capas del lubricante y no entre éstas y las superficies metálicas. La resistencia a la cizalladura que estas capas presentan se conoce como fricción fluida y las condiciones de lubricación como película fluida. En la práctica real siempre se presenta cierta cantidad de desgaste de las superficies metálicas en condiciones de película fluida como resultado de la remoción de la capa del lubricante que se encuentra adherida a las superficies debido al cambio del tipo de flujo de la película lubricante que puede pasar de laminar (Re 2000) a turbulento (Re > 2000; en lubricación se considera turbulento a partir de este valor) haciendo que el desorden generado en la película fluida desprenda la capa del lubricante que esta adherida a las superficies metálicas y que el fluido friccione directamente con dichas superficies ocasionando desgaste erosivo. El Número de Reynolds (Re) que define el tipo de flujo se puede calcular de la siguiente ecuación: Re = v d / η, adimensional Ecuación No1 El Número de Reynolds (Re) que define el tipo de flujo se puede calcular de la siguiente ecuación: Donde: Re: Número de Reynolds, adimensional. v: velocidad del aceite. d: diámetro de la tubería. η: viscosidad cinemática del aceite. Estos parámetros deben estar en las unidades correspondientes. Se puede concluir que un mecanismo estará expuesto a un menor nivel de desgaste durante su operación normal bajo condiciones de película fluida mientras se pueda garantizar que el tipo de flujo es laminar, el cual a TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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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 lubricación fluida sería cero si la viscosidad del aceite no variara con la temperatura, o sea que fuera constante. Desafortunadamente la tecnología en lubricación vigente en la actualidad aún no ha llegado a la formulación de este tipo de aceites. Se estará lejos de esta realidad?, por supuesto que no! Pero mientras que esto ocurre, la clave en condiciones de lubricación de película fluida es utilizar lubricantes con altos Indices de Viscosidad (IV). Hasta ahora se ha hablado de la reducción del desgaste en mecanismos que una vez que al canzan su velocidad nominal de operación sus superficies se separan alcanzando condiciones de lubricación fluida, pero que ocurrirá con aquellos mecanismos como engranajes de hornos cementeros, cojinetes de rodillos en cilindros de laminación, 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 fricción es mínimo?. En mecanismos como estos las superficies metálicas sometidas a fricción nunca llegan a separarse y por consiguiente las crestas de las rugosidades siempre van a estar interactuando requiriéndose por lo tanto que el lubricante que se utilice forme una película límite de una resistencia al desgaste mayor que la película que se forma en los mecanismos cuyas superficies interactúan solamente en el momento del arranque y luego se separan. Este tipo de lubricación se conoce con el nombre de lubricación Elastohidrodinámica (EHL) y requiere la utilización de lubricantes del tipo de Extrema Presión (EP) en los cuales el producto utilizado como anti-desgaste tiene la capacidad de soportar mayores cargas sin que se rompa la película límite.
TIPOS DE LUBRICACION Lubricación Límite Es la formación de una capa que se adhiere a las superficies metálicas e impide que cuando estas deslicen la una sobre la otra se presente el contacto metal-metal y por consiguiente el desgaste adhesivo. La lubricación por película límite se presenta siempre que un mecanismo arranque ó se detenga.
Lubricación Mixta Es una condición intermedia entre las películas límite e hidrodinámica, en la cual un buen porcentaje de las crestas de las dos superficies interactúan presentándose la película límite y otras ya están separadas en las cuales la película límite no desempeña ninguna labor. En lubricación mixta el desgaste y el consumo de energía TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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dependen tanto de las características de la película límite como de la resistencia a la cizalladura de la película fluida y de su estabilidad (IV).
Lubricación Hidrodinámica Se presenta cuando las dos superficies metálicas están completamente separadas y la película límite ya no desempeña ninguna labor. El consumo de energía depende de la resistencia a la cizalladura de la película fluida y el desgaste de la estabilidad de ésta con los cambios de temperatura (IV).
Lubricación Elastohidrodinámica (EHL) Este es un tipo interesante de lubricación que desde su descubrimiento por los profesores británicos Duncan Dowson y Gordon Higginson en la década de los años 50’s marcó el verdadero comienzo a la solución de los problemas de desgaste en mecanismos que funcionaban sometidos a condiciones de altas cargas y bajas velocidades y que hasta entonces se manejaban como mecanismos lubricados por película límite ó fluida. La lubricación EHL se presenta en mecanismos en los cuales las rugosidades de las superficies de fricción trabajan siempre entrelazadas y nunca llegan a separarse. En este caso las crestas permanentemente se están deformando elásticamente y el control del desgaste y el consumo de energía depende de la película adherida a las rugosidades. Se podría denominar esta película como límite pero de unas características de soporte de carga y de resistencia al desgaste mucho más elevadas que las que forma la película límite propiamente dicha. En la lubricación EHL la lubricación límite es permanente, ó sea que no hay mucha diferencia entre las condiciones de lubricación en el momento de la puesta en marcha del mecanismo y una vez que este alcanza la velocidad nominal de operación. La definición de la lubricación Elastohidrodinámica se puede explicar así: Elasto: elasticidad, ó sea que la cresta de la irregularidad en el momento de la interacción con la cresta de la otra superficie se deforma elásticamente sin llegar al punto de fluencia del material; Hidrodinámica, ya que una vez que ocurre la deformación elástica la película de aceite que queda atrapada entre las rugosidades forma una película hidrodinámica de un tamaño microscópico mucho menor que el que forma una película hidrodinámica propiamente dicha. En la lubricación hidrodinámica el espesor de la película lubricante puede ser del orden de 5 m en adelante, mientras que en la EHL de 1 m ó menos.
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TIPOS DE LUBRICANTES Para Lubricación límite Las propiedades del lubricante para frotamiento límite son independientes de la viscosidad y se denominan “untuosidad”. Los compuestos de untuosidad son sustancias que tienen una gran afinidad por las superficies metálicas; sus moléculas adheridas a éstas mantienen su posición y se oponen a las fuerzas de desplazamiento. Sus características más importantes son: estabilidad química a altas temperaturas, alta velocidad de reacción, baja toxicidad por efecto de los vapores ó por la posibilidad de que se presenten infecciones en la piel y compatibilidad con los aceites a los cuales se les añaden estos compuestos. Los productos más utilizados son los ácidos grasos por sus características de untuosidad y ciertos compuestos químicos como el Tricresil-Fosfato, el Ditiosfosfato de Zinc, los Esteres Clorados, el Naftenato de Plomo (hoy en día es poco utilizado por su agresividad al ambiente), el Tetracloruro de Carbono y las parafinas cloradas por su afinidad química con las superficies metálicas. El agua aunque tiene una buena viscosidad, es un pésimo lubricante para condiciones de régimen límite porque carece de propiedades de untuosidad y de afinidad química. El ácido graso es un ingrediente común en todos los aceites y grasas de origen animal, vegetal y de pescado. Los ácidos grasos más importantes son el aceite Esteárico (manteca de cerdo y sebo de carnero y de vaca); el ácido palmítico (aceite de semilla de algodón y de palma) y el aceite oleico (de origen vegetal y animal). Las características de untuosidad de los ácidos grasos es de tipo molecular y se debe a la cadena hidrocarbonada (OH y O) de los grupos carboxílicos en los cuales el extremo activo de la molécula se fija químicamente a la superficie metálica. La velocidad de reacción depende de la naturaleza del metal, de la carga y de la velocidad de deslizamiento. Cuanto más larga sea la cadena hidrocarbonada y mayor el número de átomos de carbono más eficiente será la separación de las superficies metálicas y menor el coeficiente de fricción. Los aceites minerales de bases parafínicas puras carecen de grupos carboxílicos OH y O (son de carácter no polar y químicamente inactivos) por lo que son malos para condiciones de película límite, mientras que los asfálticos si los tienen lo cual los hace aptos para éste tipo de lubricación. La utilización en la formulación de un aceite de los compuestos de untuosidad ó de los que son químicamente activos con las superficies metálicas, depende de la compatibilidad de éstos con los demás aditivos del aceite, TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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de los contaminantes a los cuales va a estar expuesto el aceite durante su funcionamiento y de las condiciones de operación del equipo.
Para lubricación fluida Para este tipo de lubricación se debe seleccionar un lubricante que tenga una baja resistencia a la cizalladura de tal forma que permita reducir el consumo de energía necesario para hacer que la superficie móvil se desplace fácilmente sobre la superficie estacionaria. Para este tipo de lubricación, los lubricantes que presentan un mejor desempeño son los sintéticos que se caracterizan por tener coeficientes de fricción fluida en promedio entre un 5 y un 20% por debajo de los aceites minerales.
Para lubricación Elastohidrodinámica (EHL) En lubricación EHL los aditivos de Extrema Presión (EP) utilizados deben tener una baja resistencia a la cizalladura tanto para condiciones de película límite (condición más crítica) como fluida (cuando se deforman elásticamente las crestas de las dos superficies). La eficiencia de estos aditivos depende de la velocidad con que reaccionen (reactividad) con las superficies metálicas, sin embargo si es muy reactivo en una aplicación donde no se necesita, es perjudicial, ya que se presentaría una excesiva corrosión química. Los aditivos EP pueden ser de 1ra, 2da y 3ra generación. La utilización de uno u otro tipo dependerá del grado de desarrollo que tenga la Tribología y la Lubricación (liderazgo, programas, conocimientos, etc.) dentro de la empresa en la cual se quiere implementar un programa de ahorro de energía y de disminución de desgaste basados en el control de la fricción.
Lubricantes EP de 1ra generación Se utilizan cuando se tienen factores de seguridad de la película lubricante , mayores ó iguales a 0,70. El desempeño de estos lubricantes es bueno, pero su coeficiente de fricción combinado fc (fricción sólida y fluida) es alto y dan lugar a un área de soporte de carga equivalente a un 25% del área aparente del mecanismo. De este tipo de lubricantes se tienen dos grupos generales: -
-
Compuestos ó “Compound” que son una mezcla de un 95-97% de aceite mineral ó sintético y un 3-5% de ácidos grasos (por lo regular manteca de cerdo); reaccionan con las superficies metálicas a temperaturas menores ó iguales a los 80°C y por encima de este valor se desprenden dando lugar al contacto metalmetal y por lo tanto al desgaste del mecanismo. Compuestos de tipo químico como los Esteres Clorados, la manteca de cerdo sulfurada y el Tricresilfosfato. Estos aditivos reaccionan químicamente con las superficies metálicas por encima de los 80°C; por debajo de esta temperatura su velocidad de reacción es muy baja ó no reaccionan. Cuando la temperatura de las rugosidades de un mecanismo que funciona bajo condiciones de lubricación EHL es fluctuante y puede variar entre menos y más 80°C se deben utilizar lubricantes que tengan aditivos a base de ácidos grasos y de tipo químico. Como en la práctica es difícil cuantificar en forma precisa esta temperatura, se toma como referencia para utilizar uno u otro tipo de aditivos una temperatura de 50°C en la superficie de la carcasa en la cual se encuentra alojado el mecanismo.
Lubricantes EP de 2da generación Se utilizan cuando se tienen factores de seguridad de la película lubricante , mayores ó iguales a 0,20 y menores de 0,70. Estos lubricantes se caracterizan porque son una mezcla de un 95-97% de aceite mineral ó TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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sintético y un 3-5% de un lubricante de película sólida como el Bisulfuro de Molibdeno, el grafito, el Tungsteno ó el Teflón. El más 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 además de recubrir totalmente el perfil de las rugosidades de las dos superficies, rellena parte de los valles de las mismas, incrementando el área de soporte de carga a un 40% del área total del mecanismo. El coeficiente de fricción combinado de estos lubricantes es menor que el de los de primera generación.
Lubricantes EP de 3ra generación Se utilizan cuando se tienen factores de seguridad de la película lubricante , mayores ó iguales a 0,07 , y se pueden utilizar en reemplazo de los de 1ra y 2da generación. Estos lubricantes poseen aditivos de base órganometálica, los cuales cuando las superficies de fricción están sometidas a elevadas presiones liberan átomos metálicos que eutecticamente bajan el punto de fusión de las crestas más sobresalientes, haciendo que se deformen plásticamente llenando los valles de las irregularidades de las superficies. El área de soporte de carga llega a ser hasta un 75% del área total del mecanismo. Estos lubricantes presentan los coeficientes de fricción combinados más bajos dentro del grupo de lubricantes EP. Para valores del factor de seguridad de la película lubricante necesariamente debe ser Hidrostática.
menores de 0,07, el tipo de lubricación
Las ventajas más importantes de estos lubricantes son el menor consumo de energía, menor fatiga de las piezas lubricadas al aumentar el área de soporte de carga, corrección de fallas como pitting incipiente ó descostrado en dientes de engranajes, reducción de la temperatura de operación, del nivel del ruido y las vibraciones.
CALCULO DEL TIPO DE PELICULA LUBRICANTE Siempre que se vaya a llevar a cabo un programa de ahorro de energía es necesario conocer bajo que condiciones de lubricación (fluida ó EHL) trabajan los elementos del equipo rotativo al cual se le va a hacer el estudio. A nivel práctico, se considera que un mecanismo trabaja bajo condiciones de película fluida, si el fabricante del equipo no recomienda para su lubricación, 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 película lubricante mediante la utilización de los métodos de cálculo existentes para este propósito.
CALCULO DEL CONSUMO DE ENERGIA POR FRICCION (CEF) Las siguientes ecuaciones se pueden utilizar para calcular el consumo de energía en diferentes tipos de mecanismos: Rodamientos CEf = 5,14x10-6 f Wdn, kw Ecuación No2 Donde: CEf: consumo de energía, kw. f: coeficiente de fricción del lubricante, adimensional. W: carga, Kgf. d: diámetro interior del rodamiento, cm. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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n: velocidad, rpm. Cojinetes lisos CEf = 0,03077 fWdn, kw Ecuación No3 Donde: CEf: consumo de energía, kw. f: coeficiente de fricción del lubricante, adimensional. W: carga , kgf. d: diámetro del eje, m. n: velocidad del eje, rps. Reductores de velocidad CEf = 0,7357P(1 – et), CV Ecuación No4 Donde: P: Potencia, CV et : eficiencia total de la transmisión, adimensional. La et se calcula de: et = e1-2 x e3-4 x .... x ee1 x ee2 x ee3 x .... x e a1 x ea2 x .... x en. Donde: -
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e1-2 , e3-4 , ... etc.: eficiencia del par de engranajes 1-2 , 3-4 , .... , etc. ee1 , ee2, ee3, ....... , etc: eficiencia promedio de los rodamientos (ó 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 (ó cojinete liso). ea1, ea2, ... , etc.: eficiencia equivalente del aceite salpicado (ó que circula) por los engranajes 2,4, ... , etc, que se sumergen parcialmente dentro del aceite. El valor de f para aceite salpicado ó 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 fricción que depende del tipo de película lubricante, ó sea si es fluida ó EHL, y se obtiene de la Tabla No1.
COEFICIENTES DE FRICCION El coeficiente de fricción del lubricante (sólido, fluido ó combinado ó EHL) es uno de los parámetros más importantes que se deben tener en cuenta cuando se seleccione el lubricante para una aplicación específica 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 lubricación límite ó EHL, las rugosidades “engranan” por la curvatura de los elementos rodantes, mientras que en los cojinetes lisos, interactúan entre sí, y están sometidas a deformación elástica. El valor del coeficiente de fricción se encuentra en el catálogo del fabricante del lubricante, en caso contrario es necesario consultarlo con él. En la Tabla No1, se especifican valores típicos de coeficientes de fricción para lubricación límite, fluida y EHL, en diferentes tipos de mecanismos. En caso de que no se conozca el coeficiente de fricción del lubricante que se va a utilizar se pueden utilizar los valores de la tabla en forma muy aproximada. Ejemplo No1
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Una Hiladora de 200 husos que trabaja en una planta textil tiene cada uno de estos elementos montados en tres rodamientos rígidos de bolas. La velocidad del huso es de 12.000 rpm, el diámetro interior del rodamiento es de 3 cm y el exterior de 5 cm; la carga que actúa 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 energía por fricción (CEf) con la grasa mineral. El ahorro económico (ACEf) en dólares para los 600 rodamientos de la Hiladora al cambiar la grasa mineral por una de tipo sintética.
La Hiladora trabaja 8.760 horas/año y el costo del kw-hr es U$ 0,080. Solución: 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 lubricación de película fluida. Consumo de energía (CEf) con grasa mineral por rodamiento: De la Ecuación 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 económico (ACEf) al utilizar una grasa sintética: ACEf = U$ 132,26 / año. 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 sintética (aceite de base sintética), de la Tabla No1, Capítulo 3; W = 2 kgf; d = 3 cm; n = 12.000 rpm; 600 rodamientos; 8.760 horas/año; U$ 0,080/kw - hr. Ejemplo No2 En los 24 cojinetes lisos que soportan los cilindros de secado de un Molino papelero se está utilizando un aceite mineral con aditivos EP de 1ra generación. El diámetro del eje de cada cilindro de secado es de 20 cm, la velocidad de 40 rpm y la carga que actúa sobre cada cojinete liso es de 1.500 kgf. Se requiere calcular: -
El consumo de energía (CEf) en cada cojinete liso con el aceite mineral EP de 1ra generación. El ahorro económico (ACEf) en dólares en los 24 cojinetes lisos del Molino papelero al cambiar a lubricantes sintéticos de 2da y de 3ra generación respectivamente.
El Molino papelero trabaja 8.760 horas/año y el kw-hr cuesta U$ 0,080. Solución: Del enunciado se concluye que los cojinetes lisos de apoyo de los cilindros de secado del Molino papelero trabajan bajo condiciones de lubricación EHL. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Consumo de energía (CEf) en cada cojinete liso con el aceite mineral EP de 1ra generación: De la Ecuación No3 se tiene que: CEf = 0,2071 kw. Con fm = 0,034 (Tabla No1, Capítulo 3); W = 1.500 Kgf; d = 0,20 m; n = 0,66 rps. Ahorro económico (ACEf) al utilizar en los 24 cojinetes lisos del Molino papelero un lubricante sintético: a) 2da Generación: ACEf = U$ 717,29 / año. Con fc = 0,007 (de la diferencia de fc = 0,034 para un aceite mineral con aditivos EP de 1ra generación y de fc = 0,027 para un aceite sintético con aditivos EP de 2da generación, de la Tabla No1; W = 1500 Kgf; d = 0,20 m; n = 0,66 rps; 24 cojinetes lisos; 8.760 horas/año; U$ 0,080/kw-hr. b) 3ra Generación: ACEf = U$ 922,23 / año. Con ff = 0,009 (de la diferencia de fc = 0,034 para un aceite mineral con aditivos EP de 1ra generación y de fm = 0,025 para un aceite sintético con aditivos EP de 3ra generación, de la Tabla No1, Capítulo 3; 8.760 horas/año; U$ 0,080 / kw-hr. Ejemplo No3 Un reductor de velocidad está constituido por dos pares de engranajes cilíndricos de dientes helicoidales y cada uno de los tres ejes esta apoyado en dos rodamientos de rodillos cónicos; el aceite que se está utilizando es mineral con aditivos EP de 1ra generación y es salpicado por los engranajes de mayor diámetro; 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 lubricación EHL y los rodamientos fluida. Se requiere calcular: -
El consumo de energía (CEf) al utilizar el aceite mineral con aditivos EP de 1ra generación. El ahorro económico (ACEf) en dólares al utilizar un aceite sintético con aditivos EP de 3ra generación.
El reductor de velocidad trabaja 8.760 horas / año y el costo del kw - hr es de U$ 0,080. Solución: Consumo de energía (CEf) al utilizar un aceite mineral con aditivos EP de 1ra generación: De la Ecuación 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, Capítulo 1); ee1, ee2 y ee3 = 0,9912 [a partir del coeficiente de fricción ff = 0,0088, de la Tabla No1, Capítulo 3 para rodamientos de rodillos cónicos y de la sumatoria (0,0088 + TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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0,0088)/2, para cada eje]; ea2 y ea4 = 0,99 (a partir del coeficiente de fricción equivalente para aceite salpicado, fe = 0,010 según la Nota (3) de la Tabla No 1, Capítulo 3}. Ahorro económico (ACEf) en dólares al utilizar un aceite sintético con aditivos EP de 3ra Generación: De la Ecuación No4 se tiene que: CEf = 5,95 kw. Donde: P = 100 CV; et = 0,9191 {del producto de: e 1-2 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 Capítulo 1); ee1, ee2 y ee3 = 0,9921 (a partir del coeficiente de fricción ff = 0,0079 de la Tabla No1, Capítulo 1), para rodamientos de rodillos cónicos y de la sumatoria (0,0079 + 0,0079)/2 para cada eje]; ea 1 y ea2 = 0,99 (a partir del coeficiente de fricción equivalente para aceite salpicado fe =0,010 según la Nota (3) de la Tabla No1, Capítulo 1}. El ahorro económico ACEf es: ACEf = U$ 800,31/año. Con CEf = 1,142 kw (de la diferencia de CE = 7,092 kw para un aceite mineral con aditivos EP de 1ra generación y de CEf = 5,95 kw para un aceite con aditivos EP de 3ra generación); 8.760 horas/año y U$ 0,080/kw-hr.
CONCLUSIONES Uno de los aspectos más importantes y que repercute considerablemente en los costos de producción en una planta es el del consumo de energía en los diferentes equipos rotativos, por lo tanto es necesario implementar programas de Tribología encaminados al estudio de los diferentes fenómenos de la fricción que conduzcan a determinar los valores de los coeficientes de fricción de los lubricantes que se están utilizando y compararlos con los de otros lubricantes que pueden dar lugar a un menor consumo de energía. Para lograr resultados altamente productivos mediante el control de la fricción se requiere que la industria innove sus prácticas y metodología de lubricación y utilice las nuevas tecnologías que hay en el mercado sobre lubricación especializada. Los avances tecnológicos en materia de lubricación han conducido al desarrollo de nuevos lubricantes como los sintéticos y los de 3ra generación que pueden significar disminuciones en el consumo de energía entre el 5-20% en la mayoría de los equipos rotativos donde se utilizan. Vale la pena que la industria involucrada en procesos de producción haga sus propias evaluaciones y utilice las tecnologías en lubricación que verdaderamente le sirvan para incrementar la productividad de los equipos rotativos. Al disminuir el coeficiente de fricción (sólida, fluida ó 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 disminución de las horas-hombre necesarias para hacer mantenimiento. Al sumar los resultados económicos de todos los beneficios que se obtienen al disminuir la fricción resulta verdaderamente atractivo implementar en los equipos rotativos lubricantes de alta tecnología.
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Capítulo 4. FUNDAMENTOS SOBRE LUBRICACION
DEFINICION La lubricación se define como la interposición 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 máximo el desgaste de las superficies lubricadas, el calor generado por fricción, el consumo de energía, el ruido, y el impacto negativo sobre el ambiente cuando finalmente se deseche, como resultado de su proceso de oxidación normal. Sin el empleo del lubricante adecuado, las superficies metálicas de los mecanismos lubricados se soldarían, dejando inservible la máquina y convirtiéndola en chatarra en unos cuantos minutos. Cuando las superficies son lubricadas la única fricción que se debe presentar es entre las capas del lubricante así la lubricación sea del tipo fluida ó EHL. Un mecanismo puede quedar bien ó mal lubricado, dependiendo de factores tales como la viscosidad del aceite utilizado, la cantidad aplicada, el método de lubricación ó la frecuencia entre relubricaciones. Aún hoy en día hay personas que trabajan en el mantenimiento mecánico de las máquinas que piensan que lubricar es simplemente aplicar un aceite ó una grasa lo cual es un grave error.
PELÍCULA LUBRICANTE La película lubricante permite separar las rugosidades de dos superficies que se encuentran en movimiento relativo evitando que entren en contacto directo metal-metal. La película lubricante puede ser sólida en el momento de la puesta en marcha de un mecanismo ó constituida por la unión de capas laminares cuyo número es alto si la lubricación es fluida y bajo si es EHL. El espesor de la película lubricante define el tipo de lubricación y aumenta con la viscosidad del aceite y con la velocidad de operación del mecanismo. Una de las capas que constituyen la película lubricante, ya sea bajo condiciones de lubricación fluida ó EHL, se adhiere fuertemente a la superficie en movimiento, otra a la estacionaria (ó en movimiento según el caso) y las demás se deslizan entre sí como resultado del esfuerzo a la cizalladura que se presenta entre ellas. La estabilidad de la película lubricante que se adhiere a la superficie metálica depende del índice 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 película lubricante no se desprenda de la superficie metálica.
TIPOS DE LUBRICACION La película lubricante que se forma entre dos superficies metálicas define el tipo de lubricación bajo el cual va a trabajar un mecanismo; las que se presentan en cualquier tipo de mecanismo lubricado son sólida ó límite, fluida, elastohidrodinámica e hidrostática. Cuando el mecanismos lubricado alcanza la velocidad nominal de operación, solo puede quedar trabajando bajo condiciones de lubricación fluida ó Elastohidrodinámica (EHL), lo que hace que sea muy importante por parte de los responsables del correcto funcionamiento de los equipos rotativos, conocer la diferencia entre lubricación fluida y EHL, ya que son muchos los daños que se presentan en la práctica por no tener claros estos conceptos. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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A mediados de los años de 1850, debido al desarrollo vertiginoso de la máquina de vapor y del ferrocarril en Inglaterra, la lubricación dejó de ser un arte y se empezaron a plantear las primeras formulaciones matemáticas mediante las cuales se buscaba una concordancia con los resultados prácticos de la lubricación de los elementos de máquinas. Hasta esta época el hombre lubricaba las máquinas basado en muchos años de experiencia, la cual se transmitía de una generación a otra, pero que en la práctica a medida que el diseño y la construcción de nuevas máquinas se iba presentando, los lubricantes utilizados hasta entonces no daban los resultados esperados y por prueba y error se debían buscar los lubricantes que verdaderamente sirvieran para esta aplicación en particular. Esta forma de encontrar el lubricante correcto resultaba muy costosa, por lo que era necesario recurrir a metodologías más 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 filosofías de entender y llevar a cabo la lubricación se desarrollaron teorías que eran aplicables perfectamente a mecanismos que operaban bajo condiciones de lubricación fluida, que eran las que se presentaban prácticamente en los mecanismos de todas las máquinas construidas hasta entonces. Con el reemplazo de la madera por el carbón como combustible en las calderas de los ferrocarriles en Inglaterra, surgió la minería y con ella nuevas máquinas cuyas condiciones de operación eran muy diferentes a las conocidas hasta entonces. Los mecanismos de estas nuevas máquinas 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 carbón. Como las teorías aplicables a la lubricación en ese entonces estaban basadas solamente en la lubricación fluida, estos mecanismos se desgastaban, aún cuando se lubricaran, por que los diseñadores de dichas máquinas contrarrestaban el desgaste adhesivo que se presentaba empelando materiales más resistentes al desgaste, pero muy pesados, que conllevaban a elevados consumos de energía, tanto para poderlos mover como por fricción, generando altos costos en los procesos de producción. Solo fue hasta la década de los años 50´s, cuando mediante las investigaciones realizadas por Dowson y Higginson, se pudo llegar a diferenciar exactamente cuáles elementos de máquinas trabajan bajo condiciones de lubricación fluida y cuáles bajo EHL, lo cual conllevó al control del desgaste y a que los mecanismos alcanzaran su vida de diseño.
Lubricación sólida ó límite Una de las condiciones más críticas en la operación de un mecanismo es en el momento en que se pone en marcha ya sea por primera vez (aún más crítica) ó después de que ha permanecido detenido durante un período de tiempo determinado. Cuando la velocidad nominal de operación de un mecanismo (engranajes, rodamientos, cojinetes lisos, cadenas, etc), disminuye, las rugosidades de las dos superficies se acercan y un gran número de ellas interactúan 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 fácil imaginar lo que sucedería 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 más probable es que un buen número de dichos dientes se fracturarían quedando inservibles los dos serruchos. Pues bien, en los mecanismos de las máquinas puede suceder lo mismo cuando se lubrican de una manera inadecuada, se utiliza un lubricante incorrecto ó éste se sigue utilizando, cuando ya se haya oxidado. En el momento de la puesta en marcha de un mecanismo un buen número de las crestas de las rugosidades de las dos superficies se encuentran entrelazadas y su separación dependerá de la untuosidad (lubricidad) ó de los aditivos antidesgaste del lubricante que se esté utilizando; esta propiedad del lubricante se conoce como película sólida ó límite la cual aísla las rugosidades de las dos superficies metálicas, 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 elásticamente debido a las propiedades elásticas del material. Cuando el fabricante del equipo diseña los mecanismos tiene en cuenta que cuando se pongan en marcha, las TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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rugosidades de las superficies metálicas se deformen, para una determina carga, dentro de la zona elástica 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 deformación de la rugosidad puede quedar dentro de la zona plástica de tal manera que cuando dicha rugosidad vuelva a interactuar con otra se fracturará dando lugar al desgaste adhesivo del mecanismo. “Teóricamente” durante la puesta en marcha de un mecanismo no hay desgaste siempre y cuando el lubricante garantice la formación de la película límite y el material tenga la elasticidad adecuada; sin embargo en la práctica cuando se desgasta la película límite 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 situación e impidiendo que continúe el desgaste adhesivo y por lo tanto el desprendimiento de partículas metálicas. La eficiencia de un buen lubricante para evitar el desgaste adhesivo en condiciones de película límite depende de la velocidad de reacción de sus compuestos de untuosidad ó de sus aditivos antidesgaste con las superficies metálicas, del espesor de la película sólida ó límite y del coeficiente de fricción de dicha película sólida. El valor del coeficiente de fricción sólida del lubricante juega un papel muy importante en la reducción del desgaste adhesivo ya que entre más bajo sea su valor, la rata de desgaste de la película sólida será menor y por lo tanto también el número de contactos metal-metal dentro de un período de tiempo determinado. Ver Figura 2.4.
Lubricación 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 operación se presenta una condición intermedia entre lubricación sólida y fluida conocida como lubricación mixta; en este caso solo una parte de la carga es soportada por la acción hidrodinámica y la otra, por la película sólida que recubre las rugosidades que aún interactúan. Una selección incorrecta de la viscosidad del aceite al igual que una disminución de ésta en operación puede dar lugar a que el mecanismo quede funcionando bajo condiciones de lubricación mixta. Una vez que el mecanismo queda operando a su velocidad de régimen y si ésta es lo suficientemente alta, las rugosidades de las dos superficies quedarán completamente aisladas y “flotando” entre sí de manera semejante a como navega un barco sobre la superficie del agua y se tendrán por lo tanto condiciones de lubricación fluida ó hidrodinámica; en este tipo de lubricación es más influyente la velocidad del mecanismo que la viscosidad del aceite. En lubricación fluida las rugosidades de las dos superficies quedan completamente cubiertas por una capa del lubricante y las demás se deslizan entre sí presentándose entre ellas fricción fluida; la intensidad de esta fricción depende del valor del coeficiente de fricción del lubricante utilizado y del espesor de la película lubricante. La lubricación fluida debe tener características de flujo laminar para garantizar que la capa limite que se encuentra adherida a las dos superficies metálicas no se desprenda (velocidad cero) evitando que el desgaste erosivo que se presenta durante la explotación normal del mecanismo sea superior a su valor normal; este tipo de flujo se caracteriza por tener un Número Reynolds menor ó igual a 2000. En la práctica, sin embargo, si se pretendiera garantizar condiciones de flujo laminar permanentemente en la película fluida la viscosidad del aceite debería ser constante con la temperatura, lo cual en la actualidad con la tecnología disponible en lubricación no es factible, por lo que es necesario utilizar lubricantes con un índice de viscosidad (IV) lo más alto posible (mayor de 100) para garantizar que el tipo de flujo de la película lubricante no pase de laminar a turbulento durante los cambios en la temperatura de operación que se presenta como resultado de las fluctuaciones en la temperatura ambiente entre el día y la noche y mucho más en aquellos países donde hay estaciones. En lubricación se considera que la película lubricante es turbulenta a partir de 2000 debido a que las pequeñas burbujas que empiezan a formarse una vez que llegan a la zona de carga “explotan” fatigando las rugosidades y haciendo que finalmente se desprendan pequeñas partículas metálicas las cuales incrementan el desgaste erosivo normal. El Número Reynolds (Re) que define el tipo de flujo se puede calcular de la siguiente ecuación: TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Re v d /
Ecuación No1
Donde: -
Re: Número Reynolds, adimensional. v: Velocidad lineal del mecanismo. d: Diámetro de la tubería, en este caso es igual al espesor de la película lubricante (h o). : Viscosidad cinemática del aceite a la temperatura de operación del mecanismo.
Se puede observar de la Ecuación No1 que el parámetro que más influye en las condiciones de flujo de la película lubricante es la viscosidad del aceite, la cual disminuye a medida que la temperatura de operación aumenta (esta temperatura está influenciada por la temperatura ambiente y por el incremento de temperatura debido a la fricción fluida en la película lubricante), este último parámetro 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 operación (aceite con un bajo índice de viscosidad) las condiciones de flujo de la película lubricante pueden pasar de laminar a turbulento y por lo tanto propiciar un incremento en el desgaste erosivo de las superficies metálicas del elemento lubricado. Los otros parámetros de la ecuación de Reynolds como la velocidad (v) de régimen del mecanismo por ser constante no tiene ninguna incidencia mientras que el espesor de la película lubricante (ho) al variar ligeramente con los cambios en la temperatura de operación puede incidir en la misma proporción 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 lubricación fluida es característica de cada aceite y se puede reducir con aceites de alto índice de viscosidad (IV), por lo regular de tipo sintético, mejorando la limpieza del aceite por encima del valor recomendado por la Norma ISO 4406 y manteniendo la temperatura de operación del mecanismo en un valor igual ó menor a los 50 °C. La teoría de la lubricación hidrodinámica fue descubierta en la década de 1880 por el inglés Beauchamp Tower; este científico realizó 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 tapón en un orificio practicado en la parte superior del cojinete liso, cuando el eje alcanzó su velocidad nominal de operación el tapón fue expulsado suavemente de su alojamiento comprobando de esta manera que bajo estas condiciones de operación el aceite desarrollaba una presión hidráulica que mantenía separadas las dos superficies metálicas. Posteriormente el tapón fue reemplazado por un manómetro y se comprobó que la presión hidráulica de la película lubricante era aproximadamente el doble de la presión mecánica calculada como la relación entre la carga que actuaba sobre el cojinete liso (W), y el área proyectada, que es equivalente al producto de la longitud por el diámetro del cojinete (LD). Con base en los resultados obtenidos se realizaron otros experimentos para determinar la distribución de la presión hidráulica 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 lubricación fluida -
Los factores que inciden en el establecimiento de la lubricación fluida son la velocidad del mecanismo y la viscosidad del aceite que se está utilizando, pero cada uno de ellos influye de una manera específica dependiendo de las circunstancias que se presenten en el mecanismo lubricado. Si el mecanismo opera a altas velocidades, este factor será el más influyente en el logro de la lubricación fluida ó hidrodinámica y para estos casos se utilizan aceites de baja viscosidad y tanto más baja será ésta, cuanto más alta sea la velocidad de funcionamiento; por el contrario, si la velocidad es muy baja, es factible que la lubricación hidrodinámica 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 energía por fricción fluida en el interior de la película lubricante, que será tanto mayor cuanto mayor sea la viscosidad del aceite, dando lugar a que si se quiere lograr una condición de lubricación hidrodinámica mediante el uso de aceites TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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de alta viscosidad, no sea factible desde el punto de vista energético y de las altas temperaturas que se van a presentar en el mecanismo lubricado. En este último caso se considera que la lubricación 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 energía por fricción razonable pero que adicionalmente ayude a formar una película que proteja las superficies lubricadas sin llegar a ser fluida. -
La viscosidad es el factor más importante en el establecimiento de la película hidrodinámica cuando para una velocidad dada se tiene un valor especifico de viscosidad, en este caso, el factor que más impacta la película hidrodinámica es la viscosidad porque es la única variable que hay y si esta se reduce (altas temperaturas, sobrecargas, dilución del aceite por combustible, etc.), la condición de lubricación hidrodinámica 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.
Lubricación elastohidrodinámica ó EHL En la industria hay un buen número de mecanismos como engranajes de hornos cementeros, cojinetes lisos de rodillos laminadores, rodamientos de cilindros secadores en textileras y papeleras, mecanismos de palas eléctricas y mecánicas, 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 acción de bombeo de los mismos mecanismos hacia las zonas sometidas a fricción es mínimo haciendo que las rugosidades de las dos superficies en operación nunca se separen dando lugar a que permanentemente interactúen, requiriéndose por lo tanto la utilización de aceites de alta viscosidad, con aditivos que tengan la capacidad suficiente de formar una película sólida ó límite de una resistencia al desgaste adhesivo mayor que la película límite que se forma en los mecanismos cuyas superficies interactúan solamente en el momento del arranque y que luego se separan, por la acción hidrodinámica del lubricante utilizado. Este tipo de lubricación se denomina Elastohidrodinámica (EHL) y los aditivos utilizados se conocen con el nombre de Extrema Presión (EP), cuya característica más importante es que tienen la capacidad suficiente de soportar altas cargas de compresión y esfuerzos cortantes sin que se rompa la película límite. La lubricación EHL fue descubierta por los profesores británicos Duncan Dowson y Gordon Higginson en la década de los años 50¨s, pero Duncan Dowson fue la persona que más tiempo le dedicó durante su larga carrera ingenieril, al estudio de la Tribología. A continuación se detallan algunos aspectos importantes del desarrollo de Duncan Dowson: -
Duncan Dowson, fue un ingeniero mecánico inglés de la Universidad Británica de Leeds, quien le dedicó más de 40 años al estudio y difusión de la Tribología a nivel mundial y uno de los grandes descubridores de las teorías de la lubricación Elastohidrodinámica, aplicable hoy en día no solo a controlar el desgaste adhesivo en engranajes, rodamientos, cojinetes lisos ó en cualquier tipo de elemento mecánico sometido a altas cargas y a bajas velocidades, sino también en la lubricación de las articulaciones humanas. Duncan Dowson nació en 1918 en un pequeño pueblo llamado Kirkbymoorside en el sur de Inglaterra, era hijo único de un herrero de nombre Wilfred Dowson por quien Duncan siempre mostró una gran admiración y de quien con frecuencia decía: “Mi padre era extremadamente diestro en su profesión hasta tal punto de ser un artista. Diseñaba sus propios herrajes; hacía trabajos para los notables de la sociedad y para la iglesia y participaba en exposiciones. Sentía una gran debilidad por los herrajes ornamentales lo que lo llevó a fabricar un sinnúmero de portones para las haciendas de la época, que aun hoy en día están en pie”. Dowson siempre quiso trabajar con su padre y convertirse en uno de los mejores herreros de la época, sin embargo las recomendaciones insistentes de su madre Hannah lo llevaron por los caminos de la academia, iniciando sus estudios en Ingeniería de Minas en la Universidad de Leeds, pero al poco tiempo de iniciarlos se cambió de carrera y terminó graduándose en Ingeniería Mecánica. Su tesis doctoral la hizo sobre las teorías de la lubricación hidrodinámica aplicadas al movimiento de elementos mecánicos. En ese entonces el comentaba: “En resumen, todos los mecanismos de las máquinas flotan sobre unas delgadas capas de líquidos que obedecen a las leyes de la hidrodinámica; era la aplicación de esas leyes a estos problemas, TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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lo que me intrigaba. Algo en lo que nunca había pensado”. En 1952 Dowson se trasladó a Coventry y se unió a W.G. Armstrong en la compañía de aviación Whiteworth. Un encuentro casual en un tren con su antiguo profesor de la cátedra de lubricación Christophersson le hizo cambiar sus planes de continuar su carrera industrial en Canadá y en cambio aceptó un cargo de docente en la Universidad de Leeds suponiendo que permanecería allí por dos o tres años solamente, sin embargo se quedo allí desde entonces. -
Dowson en la Universidad de Leeds, trabajó con profundidad en los temas de Hidrodinámica y Tribología impulsando el estudio de los problemas de la lubricación y el desgaste tanto en la teoría como en la práctica. En los años 60´s fue el primer profesor en desarrollar y dictar una materia sobre Tribología, lo cual para la época era un gran riesgo dedicarse a esto (aún hoy en día lo es). En ese entonces, decía Dowson: “Cuando la gente habla de lubricación, piensa solo en una lata de aceite y en un trapo sucio, y hay una gran dosis de verdad en ello; por ejemplo, los rodamientos son demasiado sencillos y es fácil desatenderlos. Sin embargo, continuaba diciendo, el tema es económicamente relevante, ya que si el rodamiento soporta el rodillo de laminación del acero en una siderúrgica, su reemplazo puede generar altos costos de mantenimiento y altas pérdidas en la producción de la planta”.
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En 1964 Dowson hizo parte de un grupo de trabajo convocado por el gobierno británico para estudiar la importancia de la lubricación como medida preventiva para reducir el desgaste en los rodamientos; dos años más tarde el gobierno emitió un informe oficial en el cual constataba que prestando mayor atención a la lubricación y al diseño de los rodamientos la industria británica podría ahorrar hasta 500 millones de libras anualmente. Este estudio fue la base de los primeros estudios serios sobre Tribología; palabra que en ese entonces fue creada por un editor del diccionario de ingles de la Universidad de Oxford, partiendo de las raíces griegas Tribos: fricción y logos: tratado. El término Tribología surgió como una necesidad de abarcar en un solo concepto materias tan relegadas como lubricación, rozamiento y desgaste. En los años 90´s como resultado de la necesidad de contar con procesos industriales más productivos la Tribología ha adquirido un nuevo status y la investigación actual se basa en las cuatro décadas de trabajo llevadas a cabo por Dowson y sus colegas.
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Dowson fue el autor del libro Historia de la Tribología, una verdadera joya de la literatura técnica en la cual se hace un recuento histórico del desarrollo tecnológico del hombre desde la edad de piedra (período paleolítico, mesolítico y neolítico), pasando por las culturas de Mesopotamia, India, China, Grecia, Persia y el Imperio Romano hasta llegar a nuestros días. Se analizan con profundidad aspectos tan importantes como el descubrimiento del fuego por el hombre primitivo, su evolución e incidencia definitiva en su desarrollo genético, cultural, político y tecnológico. El diseño y fabricación de las primeras herramientas y armas; la fabricación de la rueda del alfarero, la invención de la rueda maciza y luego la radial, y de los primeros rodamientos de rodillos y radiales. Este libro fue un proyecto de once años que escribió como un tributo a la memoria de su hijo Stephen quien murió de cáncer en los huesos en el año de 1968 a la corta edad de 12 años.
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El verdadero aporte de Dowson a la Tribología esta basado en los trabajos desarrollados conjuntamente con otro docente, Gordon Higginson sobre las teorías Elastohidrodinámicas aplicadas a los engranajes de reductores de velocidad, las cuales permitieron analizar y resolver problemas de desgaste adhesivo en engranajes cuyas causas hasta ese momento eran desconocidas. Gran parte del trabajo se basó en las investigaciones realizadas por Osborne Reynolds, quien en 1886 reconoció que las propiedades de una película lubricante podían ser previstas mediante la mecánica de los fluidos.
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Las primeras soluciones, dadas por Dowson y Higginson, que se basaban en factores tales como la deformación elástica, la reología y el contacto de los dientes de los engranajes, implicaron año y medio de cálculo manual. El resultado final fue el desarrollo de la teoría Elastohidrodinámica que explicaba porqué en la lubricación correcta de los dientes de los engranajes se debía tener en cuenta no solamente la viscosidad del aceite a utilizar sino también el uso de sustancias que ellos denominaron aditivos de Extrema Presión. Esta teoría la publicaron Dowson y Higginson en 1959 en Londres en un Congreso de la Asociación de TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Ingeniería Británica. Dowson comenta dicho acontecimiento de la siguiente manera: “Éramos dos jóvenes académicos de la ingeniería, excitados por lo que estábamos descubriendo. Una vez publicado nuestro trabajo esperábamos reacciones de nuestros colegas pero no pasó nada. Un día recibimos una carta de un veterinario de Australia quien había leído nuestro trabajo. El estaba preocupado porque sus toros de reproducción estaban siendo afectados por un problema de artritis lo cual le generaba grandes pérdidas económicas. El se preguntaba si nuestra teoría de la lubricación Elastohidrodinámica podía dar alguna explicación al problema de la artritis en las articulaciones de los animales. El interrogante de nuestro amigo el veterinario, nos abrió un nuevo camino de investigación y es así como hoy en día hemos llegado a la conclusión de que la lubricación de las articulaciones humanas es netamente de tipo Elastohidrodinámico”. -
Desde 1960, Dowson, conformó un grupo de bioingeniería en la universidad de Leeds para trabajar en articulaciones artificiales junto al famoso cirujano John Chamley, ortopedista británico que desarrolló la primera prótesis completa de cadera que funcionó satisfactoriamente. La gran mayoría de los conceptos de la teoría de la lubricación Elastohidrodinámica, que se utiliza en los componentes de los equipos es aplicable a la lubricación de las articulaciones humanas. Este tema fascinaba a Dowson y se convirtió en su mayor interés.
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Dowson afirmaba que el estudio de la Tribología debe hacerse simultáneamente entre la industria y la universidad de tal forma que se puedan implementar a nivel práctico los conceptos teóricos que se hagan en los laboratorios de investigación, de lo contrario será muy difícil contar con nuevos desarrollos que permitan resolver los graves problemas de desgaste adhesivo que se presentan a diario en un buen número de equipos industriales. La frase famosa de Dowson era: “Amo el enseñar, amo ver a los estudiantes hacer progresos y asimilar conceptos, amo la comunicación y la investigación”.
Antes del desarrollo de las teorías de la lubricación EHL, se creía que todos los mecanismos diseñados hasta ese momento, independientemente de las condiciones operacionales, trabajaban bajo condiciones de lubricación fluida y que para obtenerla era suficiente con aplicar un aceite (ó una grasa ) de una determinada viscosidad, sin embargo en la práctica se presentaban problemas de desgaste adhesivo en aquellos mecanismos que funcionaban bajo condiciones de altas cargas y bajas velocidades, siendo más crítico, cuando el movimiento era oscilatorio, ó los períodos de operación eran muy cortos. El análisis de estos problemas de desgaste adhesivo condujo al desarrollo de las teorías de la lubricación EHL, fundamentadas en sus comienzos más en la experiencia y en la práctica de la lubricación diaria que en procesos de cálculos matemáticos; sin embargo desde su descubrimiento hasta los tiempos actuales se han desarrollado planteamientos matemáticos que permiten establecer con mucha precisión cuales mecanismos en realidad trabajan bajo condiciones de lubricación EHL y en cuales dicha lubricación es hidrodinámica. En la lubricación EHL, las rugosidades de las superficies de fricción trabajan siempre interactuando entre sí, y nunca llegan a separarse a la velocidad nominal de operación, en este caso las crestas de las rugosidades permanentemente se están deformando elásticamente y el control del desgaste adhesivo y el consumo de energía dependerán de las características de la película límite adherida a las rugosidades y de la forma geométrica que tengan éstas. La película lubricante que forman los aditivos EP se puede denominar como sólida ó límite pero de unas características de soporte de carga y de resistencia al desgaste adhesivo mucho más resistentes que la que forman los aditivos antidesgaste en el caso de la lubricación hidrodinámica. En la lubricación EHL las condiciones de película límite son permanentes, ó sea que hay mucha similitud entre las condiciones de la puesta en marcha del mecanismo y cuando éste alcanza la velocidad de régimen ó nominal. La lubricación Elastohidrodinámica se divide en dos conceptos fundamentales en los cuales Elasto significa elasticidad, ó sea que las crestas de la rugosidad de una de las superficies del mecanismo en el momento de la interacción con las de la otra superficie se deforman elásticamente sin llegar al punto de fluencia del material bajo unas condiciones determinadas de carga y temperatura y luego una vez que termina de actuar la carga regresan a su posición original; Hidrodinámica significa que a pesar de que la velocidad de funcionamiento del mecanismo no es la óptima para que se desarrolle una película hidrodinámica, no obstante, ésta se forma a un nivel más microscópico debido a que el aceite que queda atrapado entre las dos crestas deformadas TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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elásticamente ejerce una presión hidráulica entre ellas formando una película fluida de un espesor mucho menor que el que tendría la que se forma en un mecanismo que funciona bajo condiciones de lubricación fluida. El aumento de la viscosidad del aceite debido a la presión y la deformación elástica de las crestas de las superficies se combinan para atrapar el lubricante en el momento en que éste penetra en la zona de contacto; la viscosidad del aceite puede llegar a ser hasta cinco veces mayor que la viscosidad que tiene a la entrada de las rugosidades y la película lubricante puede desarrollar presiones hasta de 350.000 psi. En la lubricación hidrodinámica el espesor de la película lubricante puede ser del orden de los 5 m en adelante, mientras que en la lubricación EHL de 2 m ó menos. Estos espesores de película lubricante tan pequeños hacen más susceptibles al desgaste erosivo y abrasivo los mecanismos que funcionan bajo condiciones de lubricación EHL, siendo necesario por lo tanto mantener los aceites que se utilizan en su lubricación dentro de códigos ISO 4406 de limpieza más rigurosos.
Lubricación fluida ó EHL Para determinar si un mecanismo trabaja bajo condiciones de lubricación fluida ó EHL, se calcula el factor de “seguridad de la película lubricante” (lambda), el cual se halla de la relación del espesor de la película lubricante (ho) y la rugosidad promedio ( ) de las dos superficies del mecanismo lubricado. Si el valor del parámetro es menor de 1, teóricamente las condiciones de lubricación son EHL y si es igual ó mayor a este valor es fluida. Sin embargo, si se considera que a partir de 1 la película lubricante es fluida se estará trabajando bajo condiciones de alto riesgo ya que si la temperatura ó la carga aumentan ligeramente, el espesor de la película lubricante disminuirá y por lo tanto será menor de 1 cambiando las condiciones de lubricación fluida a EHL sin que el lubricante tenga los aditivos EP requeridos para esta nueva condición operacional debido a que la lubricación inicialmente era fluida y por lo tanto el aceite utilizado no tenía aditivos EP, presentándose por lo tanto el desgaste adhesivo de los elementos lubricados. Para evitar estos problemas se han establecidos valores de , mucho más conservativos, para los diferentes mecanismos lubricados a partir de los cuales la lubricación es EHL ó fluida, ver Tabla No3. Tabla No3 Tipo de lubricación de acuerdo con el valor de Valor de No
Mecanismo
Tipo de lubricación < 2.50
01
Rodamientos
< 2.00
02
Cojinetes lisos
< 1.50
03
Engranajes
< 2.50
2.50 2.00 1.50 2.50
Para cada mecanismo hay un método de cálculo del valor de , los cuales se especifican en Numeral 10 “Selección del tipo de aditivo EP”.
Rango de la lubricación fluida Por encima del valor de que especifica las condiciones de lubricación fluida, es muy importante tener en cuenta el valor máximo permisible de este parámetro, ya que si es muy alto, el consumo de energía por fricción en el interior de la película lubricante se incrementará dando como resultado mayores temperaturas de operación, oxidación más acelerada del aceite y mayores costos por consumo de energía. En la Tabla No4, se especifica, con base en el parámetro , el rango de la lubricación fluida, con sus respectivos valores mínimo y máximo, los cuales hasta donde sea posible se deben tener en cuenta. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Tabla No4 Rango de la lubricación fluida No
Mecanismo
Rango
01
Rodamientos
2.50 4.00
02
Cojinetes lisos
2.00 4.00
03
Engranajes
1.50 3.00
Criticidad de la lubricación EHL La criticidad de la lubricación EHL depende del valor del factor de seguridad de la película lubricante (lambda), es mayor en la medida que sea mucho menor del valor que la define como lubricación EHL, y de la forma como interactúen las rugosidades de las dos superficies metálicas, así si “deslizan” en situaciones de mecanismos como cojinetes lisos y engranajes sinfín-corona es más crítica que cuando “engranan” y “desengranan” como en el caso de rodamientos y engranajes de dientes rectos y helicoidales (en el diámetro de paso) entre otros. Dependiendo del valor de , el aceite debe tener aditivos de EP, de 1ra, 2da ó de 3ra generación. Ver Tabla No5.
Tabla No5 Tipo de aditivos de EP de acuerdo con el valor de Tipo de aditivo EP Valor de No
Mecanismo
01
Rodamientos
0.5 ≤ < 2.5
0.1 ≤ < 0.5
0.05 < 0.1
Lubricación Hidrostática ó similar No existe
02
Cojinetes lisos
0.5 ≤ < 2.0
0.1 ≤ < 0.5
0.05 < 0.1
< 0.05
03
Engranajes
0.5 ≤ < 1.5
0.1 ≤ < 0.5
0.05 < 0.1
No existe
1ra generación
2da generación
3ra generación
Lubricación hidrostática Consiste en bombear aceite entre dos superficies estacionarias (normalmente un eje y un cojinete liso) altamente cargadas con el fin de separarlas evitando así que se presente el desgaste adhesivo en el momento en que una de ellas (ó las dos) se ponga en movimiento. Este tipo de lubricación se puede considerar como una lubricación hidrodinámica artificial a baja velocidad en la cual el aceite utilizado no requiere aditivos de Extrema Presión; es poco común y se utiliza casi exclusivamente en cojinetes lisos sobrecargados en el momento de la puesta en marcha como es el caso de los cojinetes de empuje verticales de generadores accionados por turbinas hidráulicas del tipo pelton, cojinetes lisos de molinos de bolas en la industria del cobre y del oro, etc. Estos cojinetes reciben el nombre de cojinetes hidrostáticos. Una vez que el mecanismo alcanza su velocidad nominal de operación la bomba sigue suministrando el flujo de aceite requerido para mantener separadas las dos superficies. Este tipo de lubricación requiere que el sistema de lubricación, cuente con una bomba auxiliar, ya que si la bomba que está trabajando sale de servicio, y no se cuenta con bomba auxiliar, el cojinete hidrostático fallaría catastróficamente. Adicionalmente, la mayoría de estos sistemas, tienen un depósito de TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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aceite elevado, a una determinada altura, y con un gas (por lo regular N 2), a una determinada presión, para que en caso de que falle la bomba auxiliar, garantice el suministro de aceite durante el tiempo de parada del eje. En los cojinetes lisos lubricados hidrostáticamente y que soportan ejes horizontales el aceite es atomizado a una presión mayor que la que desarrolla la carga sobre el área de trabajo a través de un bolsillo ubicado en la parte inferior de la superficie de fricción del cojinete liso. En los cojinetes de empuje verticales el bolsillo está ubicado en el eje que gira.
TIPOS DE LUBRICANTES Cuando se selecciona el lubricante para un mecanismo lubricado es necesario tener en cuenta si la lubricación es fluida ó EHL y en el último caso cual es el nivel de criticidad, de acuerdo con el valor de , ya que esto definirá la generación de aditivos Extrema Presión, que será necesario utilizar. Un buen número de los problemas de desgaste adhesivo que se presentan en los mecanismos se deben a que los lubricantes utilizados no poseen las características adecuadas para el tipo de película lubricante bajo la cual trabajan; por ejemplo, el caso más crítico es cuando se tienen condiciones de lubricación EHL y se utilizan lubricantes sin aditivos de EP; en el caso contrario, ó sea cuando la lubricación es fluida y se emplean lubricantes con aditivos EP, es menos crítica aunque inconveniente, ya que se pueden presentar problemas de desgaste corrosivo en los mecanismos lubricados. Otro caso no menos común, es dentro de la misma lubricación EHL, en la cual se utilizan aceites con aditivos EP, pero de una generación diferente a la que se sería obligatorio su uso.
Para lubricación límite El desempeño de un lubricante para condiciones de lubricación límite en el momento de la puesta en marcha de un mecanismo, ó cuando esta condición es permanente, depende muy poco de la viscosidad, pero si en un alto grado de la untuosidad ó de la afinidad química que éste tenga con respecto a las superficies metálicas. Los compuestos para lubricación límite son sustancias que tienen una fuerte afinidad por las superficies metálicas y cuando se encuentran adheridas a ellas resisten el esfuerzo cortante al interactuar las rugosidades de las dos superficies. Las características más importantes de estos compuestos deben ser una alta estabilidad química a elevadas temperaturas, alta velocidad de reacción con las superficies metálicas, bajo coeficiente de fricción sólida, baja toxicidad por efecto de los vapores ó por contacto con la piel al manipular los lubricantes y compatibilidad con las bases lubricantes y demás aditivos de los aceites y las grasas a los cuales se les añaden. El agua aunque tiene una buena viscosidad no se puede utilizar para condiciones de régimen límite porque carece de untuosidad y de afinidad química hacia las superficies metálicas, propiciando de manera inmediata el desgaste adhesivo y corrosivo. Los productos que comúnmente se emplean para condiciones de película límite y que finalmente puede llegar a ser fluida ó EHL, son: -
Acidos grasos. El ditiosfosfato de zinc, cuando la condición final de lubricación es fluida. Esteres clorados y tricresil-fosfato para condiciones de lubricación EHL. Tetracloruro de carbono. Parafinas cloradas.
Los ácidos grasos tienen características de untuosidad y se encuentran presentes en todos los aceites de origen vegetal, animal y de pescado; siendo los más importantes, el aceite esteárico (manteca de cerdo y sebo de carnero y de vaca), el palmítico (semilla de algodón y de palma) y el oleico (de origen vegetal y animal). Sus propiedades de untuosidad son de tipo molecular y se deben a la cadena hidrocarbonada de los grupos carboxílicos OH-O, en los cuales el extremo activo de la molécula se fija químicamente a la superficie metálica; la velocidad de reacción depende de la naturaleza del metal, de la carga y de la velocidad de deslizamiento; TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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cuanto más larga sea la cadena hidrocarbonada y mayor el número de átomos de carbono más eficiente será la separación de las superficies metálicas y menor el coeficiente de fricción. Los aceites minerales de bases parafínicas puras carecen de grupos carboxílicos OH-O (son de carácter no polar y químicamente inactivos) por lo que son poco eficientes para condiciones de película límite, mientras que los asfálticos si los tienen lo cual los hace aptos para este tipo de lubricación, pero presentan como contraposición elevados coeficientes de fricción sólida. La utilización en la formulación de un aceite de los compuestos de untuosidad ó de los que reaccionan químicamente con las superficies metálicas depende de su compatibilidad con los demás aditivos del aceite, de las condiciones de operación del mecanismo y de los contaminantes a los cuales va a estar expuesto el aceite durante su vida de servicio. Por ejemplo, el ditiosfosfato de zinc no se puede utilizar donde hay presencia de agua como en el caso de los aceites para turbinas de vapor porque genera problemas de herrumbre en los elementos lubricados.
Para lubricación hidrodinámica Para condiciones de lubricación hidrodinámica, la película lubricante debe tener una baja resistencia a la cizalladura (bajo coeficiente de fricción fluida) entre las diferentes capas que la constituyen de tal manera que permita reducir la cantidad de energía necesaria para hacer que la superficie móvil se desplace fácilmente sobre la estacionaria, un alto índice de viscosidad, alta resistencia a la oxidación y una mínima formación de carbón, lacas y gomas cuando el aceite se oxide. Se utilizan aceites de bajo y medio grado ISO. Los comúnmente utilizados son: -
Lubricantes minerales, son os más utilizados. Lubricantes sintéticos, se caracterizan por tener coeficientes de fricción fluida en promedio entre un 5 y un 20% por debajo de los aceites minerales, índices de viscosidad mayores de 150 (excepto los ésteres) y resistencia a la oxidación que permite intervalos de cambio con respecto a los minerales en promedio desde 5:1, hasta 20: 1, dependiendo del tipo de base sintética.
Para lubricación Elastohidrodinámica ó EHL Los aceites que se utilizan para lubricación EHL son de un grado ISO 68 en adelante, aunque son más comunes a partir de un grado ISO 150 para que la viscosidad ayude a formar la película fluida ó hidrodinámica que se presenta entre las crestas de las rugosidades cuando se deforman elásticamente en el momento de actuar la carga. Estos lubricantes deben tener aditivos de EP con una capacidad de carga mayor que el esfuerzo a la cizalladura que tiene lugar en el momento que las crestas entran en contacto y se deslizan entre sí, con el fin de evitar que se presente el contacto metal-metal y por lo tanto el desgaste adhesivo. La eficiencia de los aditivos EP, ya sean del tipo de untuosidad ó químico, depende de la velocidad con que reaccionen (reactividad) con las superficies metálicas, sin embargo si es muy reactivo en una aplicación donde no se necesita, es perjudicial, ya que se presentará una elevada corrosión química sobre las superficies metálicas. Los lubricantes para lubricación EHL pueden ser de 1ra, 2da ó 3ra generación según los aditivos que contengan y la utilización de uno u otro tipo, es obligatoria de acuerdo con la magnitud de la carga que actúa sobre el mecanismo lubricado, ó en otros casos, depende de los resultados que se quieran obtener, siendo los más importantes, la disminución del consumo de energía por menor fricción EHL, reducción del desgaste adhesivo en los mecanismos lubricados ó frecuencias más amplias entre cambios de aceite.
CASO HISTORICO DE LUBRICACION EHL TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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En una planta cementera después de haber alineado los rodillos de soporte de las llantas del Horno Rotatorio para la producción de clinker, la temperatura de operación de trabajo de la carcasa (Topcarcasa) de cada uno de los dos cojinetes lisos que soportan el rodillo No 1 (en total el Horno Rotatorio tiene 8 rodillos) subió de 30° a 50°C, con tendencia a seguir aumentando. El aceite utilizado era el Cylesso TK 460 (tipo Compound ó compuesto) de la Esso. Se analizó la causa del problema y se llegó a la conclusión que el incremento en la Topcarcasa se estaba presentando debido a que los pernos de anclaje de una de las carcasas de los cojinetes lisos se aflojaron dando lugar a que el rodillo se desalineara con respecto a la llanta del Horno Rotatorio y por lo tanto generara cargas adicionales sobre los cojinetes lisos que daban lugar al incremento en la Topcarcasa, disminución de la viscosidad del aceite, desprendimiento de los ácidos grasos del aceite compuesto y por lo tanto que se presentará el contacto metal-metal entre la superficie del eje y el casquete del cojinete liso. Para compensar la pérdida de viscosidad, y evitar la falla catastrófica de los cojinetes lisos se recomendó utilizar el aceite Cylesso TK 1000 de la Esso, que es un aceite de mayor viscosidad y de las mismas características que el aceite original. No obstante, aun implementando este nuevo aceite, la Topcarcasa siguió aumentando, por lo que se sugirió como una mejor alternativa emplear el aceite Meropa 1000 de Texaco; con este aceite, la Topcarcasa en los cojinetes lisos se estabilizó por un período de dos horas entre 80º-90°C, sin embargo intempestivamente subió a 150°C y los ejes se agarrotaron en los casquetes presentándose la falla catastrófica de los cojinetes lisos. Se cambiaron los cojinetes lisos, se alinearon y se les aplicó de nuevo el aceite Cylesso TK460 normalizándose la situación.
Criticidad de la lubricación EHL Los cojinetes lisos de los rodillos que soportan las ruedas de un Horno Rotatorio para la producción de clinker son quizás uno de los casos más representativos de lubricación EHL, porque están sometidos a elevadas cargas y los ejes giran a velocidades muy bajas, dando lugar a valores de muy pequeños. La criticidad de la lubricación EHL en este caso se determina hallando el valor de , para lo cual es necesario calcular primero el valor del parámetro de Hersey (ns/P) y luego dividirlo por la constante 639,9. Datos técnicos de cada cojinete liso para condiciones normales de operación: -
Aceite: Cylesso TK 460 Velocidad del eje (ns): 30 rpm Carga (W): 16.000 kgf. Longitud del cojinete liso (L): 30 cm Diámetro del cojinete liso (D): 30 cm Temperatura de la película lubricante (T optrabajo): 50 °C Temperatura de la carcasa (Topcarcasa): 30 °C
Con los datos del cojinete liso, se calcula el parámetro de Hersey: ns/P = 200 Cps x 30 rpm / 17.77 kgf/cm = 337.64 ns/P = 337.64 Cps x rpm x cm2 / kgf. 2
Donde:
= 200 Cps (Centipoises), del Gráfico 3.1 (Capítulo 3) con el grado ISO 460 (aceite Cylesso TK460) y la Toptrabajo de 50°C; ns = 30 rpm; P = W/LD = 17,77 kgf/cm2, donde L = 30 cm, D = 30 cm y W = 16.000 kgf. El coeficiente de seguridad de la película lubricante es igual a: = ns/P/639.9 = 337.64/639.9 = 0,52 = 0,52 TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Por lo tanto las condiciones de lubricación de los cojinetes lisos son del tipo EHL, y los aditivos EP del aceite deben ser del tipo compuesto de 1ra generación, debido a que el valor hallado de es de 0,52, (ver Tabla No3) y la Topcarcasa es de 30ºC ( 50ºC). Este cálculo coincide con el aceite utilizado, ya que el aceite Cylesso TK460 cuenta aditivos EP a base de ácidos grasos ó compuestos y es de 1ra generación. Análisis del problema -
-
-
El desalineamiento del rodillo con respecto a la llanta del Horno Rotatorio, dio lugar a una sobrecarga que elevó la Toptrabajo de los cojinetes lisos de apoyo del rodillo No1 del Horno Rotatorio. El incremento en la Topcarcasa del cojinete liso de 20ºC (pasó de 30º a 50ºC), se debió a que el cojinete liso sufrió el mismo incremento en la Toptrabajo, lo que significa que esta temperatura subió de 50ºC a 70ºC, ocasionando el desprendimiento de los ácidos grasos del aceite Cylesso TK460 de las rugosidades de las superficies metálicas del eje y del casquete, y consecuentemente que se presentara el desgaste adhesivo. La recomendación de utilizar el aceite Cylesso TK1000 para resolver el problema ó quizás para mantener una condición “estable” que permitiera programar la parada del Horno Rotatorio fue equivocada, ya que este aceite tiene el mismo tipo de aditivos EP a base de ácidos grasos que el aceite Cylesso TK460, y por lo tanto no reaccionan por encima de los 50ºC con las superficies metálicas. Posiblemente se utilizó este aceite para compensar la pérdida de viscosidad del aceite Cylesso TK460, con el incremento en la Toptraqbajo, pero realmente lo que se debió haber hecho fue utilizar un aceite, inclusive de la misma viscosidad que el Cylesso TK460, cuyos aditivos EP reaccionaran a la nueva T optrabajo con las superficies metálicas para evitar el contacto metal-metal. La decisión que se tomó posteriormente de utilizar el aceite Meropa 1000 con aditivos de EP del tipo químico, hubiera sido muy acertada cuando inicialmente la T optrabajo superó los 50ºC, sin embargo al utilizarlo reaccionaron con las rugosidades de las superficies metálicas del eje y los casquetes restableciendo la película EHL y estabilizando la T opcarcasa entre 80 - 90°C. Posiblemente el desgaste adhesivo que sufrió el eje y el casquete de cada cojinete liso fue crítico, dando lugar a la pérdida de un buen porcentaje de área de soporte de carga lo que conllevó a que definitivamente, aún utilizando el aceite Merota 1000, el daño fuera irreversible y se presentará finalmente la falla catastrófica de los cojinetes lisos.
CONCLUSIONES -
-
El deterioro de los cojinetes lisos se hubiera podido evitar si se empieza a utilizar el aceite Meropa 1000 desde el momento en que se incrementó la T opcarcasa de los cojinetes lisos; con este aceite se hubiera estabilizado el funcionamiento de los cojinetes lisos y se hubiera podido programar la parada del Horno Rotatorio. Otra alternativa, para mantener una condición “estable” cuando la T optrabajo llegó a los 70ºC, hubiera podido ser la de haber utilizado un aceite con aditivos EP de 3ra generación. Posibilidades de accidentes ante el peligro de roturas de componentes de máquinas.
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Capítulo 5. SELECCIÓN DEL TIPO DE ADITIVO EXTREMA PRESION - EP
INTRODUCCION En la práctica, cuando se tienen condiciones de lubricación Elastohidrodinámica (EHL), en los mecanismos lubricados de los equipos rotativos, con no poca frecuencia se presenta el caso de que el personal de mantenimiento no tiene claro qué tipo de aditivo EP debe contener el lubricante que está ó va a utilizar, y puede terminar aplicando un lubricante con aditivos EP, que no le van garantizar una película límite con la suficiente capacidad de soporte de carga, produciéndose por lo tanto el contacto metal-metal entre las superficies lubricadas y consecuentemente el desgaste adhesivo de las mismas. En estos casos lo primero que se debe hacer es consultar la recomendación de lubricación del fabricante del equipo e interpretarla correctamente y si no es factible acceder a ella ó se presentan dudas con le que recomienda el fabricante, se debe recalcular la condición de lubricación del mecanismo lubricado. Los mecanismos de un equipo solo pueden trabajar bajo condiciones de lubricación fluida ó EHL, y para hallar cuál de las dos es la que se está presentando, es necesario calcular primero el parámetro que define el tipo de película lubricante y de acuerdo con este valor, si es EHL, se define cuál es la criticidad de la misma y por lo tanto el tipo de aditivo EP que se debe utilizar. En el caso de la lubricación EHL, el valor del parámetro determina si el lubricante debe tener aditivos de 1ra, 2da ó de 3ra generación, y mediante la Prueba de 4 bolas ASTM D2783, se comprueba si el lubricante que se va a utilizar si contiene el tipo de aditivos EP requeridos. Si no se tienen en cuenta estos dos aspectos, puede ocurrir que se presenten problemas de desgaste adhesivo en los mecanismos lubricados.
TIPOS DE LUBRICACION Lubricación Hidrodinámica Se presenta cuando las rugosidades en movimiento relativo de las superficies metálicas de los mecanismos lubricados, están completamente separadas por una serie de capas de aceite, evitando el contacto metal-metal y el desgaste adhesivo de las mismas. En este tipo de lubricación el consumo de energía por fricción depende de la resistencia a la cizalladura de la película fluida y el desgaste erosivo que se presenta es causado tanto por la presencia de partículas sólidas en el lubricante de un tamaño menor que el espesor de la película lubricante, como por la inestabilidad de la película límite debido a los cambios de temperatura (IV).
Lubricación Elastohidrodinámica (EHL) La lubricación EHL se presenta en mecanismos en los cuales las rugosidades de las superficies en movimiento relativo trabajan siempre entrelazadas y las crestas permanentemente se están deformando elásticamente. Bajo estas condiciones de operación, el control del desgaste adhesivo y el consumo de energía por fricción dependen de la película límite adherida a las rugosidades y de las capas de aceite de la película hidrodinámica que se forma cuando el lubricante es sometido a elevadas presiones, en el momento de la deformación elástica de las crestas.
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CALCULO DEL TIPO DE LUBRICACION En la práctica, para determinar si el tipo de lubricación en un mecanismo es fluida ó EHL, es necesario calcular el parámetro de la película lubricante, el cual depende del mecanismo lubricado. En el caso de la lubricación EHL, el valor de define adicionalmente el tipo de generación de lubricantes EP que se debe utilizar en el mecanismo lubricado. A continuación se especifican los métodos de cálculo de , para rodamientos, cojinetes lisos y engranajes, que son los mecanismos más comunes en los equipos rotativos. - Cálculo de para rodamientos Para rodamientos el factor de seguridad de la película lubricante se calcula de la siguiente ecuación:
= ho / , adimensional Ecuación No1 Donde: ho : espesor de la película lubricante, m (pulg). Se calcula de: -
Para rodamientos de bolas y de rodillos cargados radialmente: ho = CD(Ln)0,74 , m (x10-6 m), pulg (x10 –6 pulg). Ecuación No2 Para rodamientos axiales de bolas y de rodillos: ho = 0,00389 (RB 0,74 R R 0,26) (Ln)0,74 , m (x10-6 m), pulg (x10 –6 pulg). Ecuación No3
Donde: C: Factor geométrico del rodamiento. Se selecciona de la Tabla No6, de acuerdo con el tipo de rodamiento. Tabla No6 Factor geométrico C No 01 02 03
Tipo de rodamiento De bolas De rodillos cilíndricos De rodillos cónicos y de agujas
Anillo que gira Interior 8,65 x 10-4 8,37 x 10-4 8,01 x 10-4
Exterior 9,43 x 10-4 8,99 x 10-4
D: Diámetro exterior del rodamiento, m (pulg). L: Parámetro del lubricante, seg. Se determina del Gráfico No1, en función del grado ISO del aceite y de la temperatura de operación del rodamiento. L también se pude calcular a partir de la ecuación: 11 2 2 L = x 10 seg, donde es un lubricante de presión-viscosidad en m /N (pulg /lb) y es la viscosidad 2 2 del aceite a la temperatura de operación en Nxs/m (lbxs/pulg ). n: velocidad del rodamiento, rpm. Si ambas pistas giran n es la diferencia de velocidades entre el aro interior y el exterior. RB : Radio de paso entre los elementos rodantes del rodamiento, m (pulg). RR: Radio de la esfera ó del rodillo en su longitud media, m (pulg). : Promedio geométrico de las rugosidades de los elementos rodantes y de las pistas de rodadura. Se calcula de la siguiente ecuación:
( 12 + 22)1/2, m (x10-6m), pulg (x10-6pulg)
Ecuación No4
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Donde: 1: Rugosidad promedio de la superficie del elemento rodante, m. 2 Rugosidad promedio del camino de rodadura ó de la pista sobre la cual se desplaza elemento rodante, m. El valor de se determina de la Tabla No7, de acuerdo con el tipo de rodamiento. Gráfico No1
Tabla No7 Valores típicos de para diferentes tipos de rodamientos No
Tipo de rodamiento
Valor de
m
pulg 01 De bolas. 0,059 2,33 02 De rodillos cilíndricos. 0,118 4,66 TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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03
De rodillos cónicos y de agujas.
0,076
2,99
- Cálculo de para cojinetes lisos Para cojinetes lisos el factor de seguridad de la película lubricante se calcula de la siguiente ecuación:
= (ns /P) /639,9, adimensional Ecuación No5 Donde: : viscosidad absoluta del aceite a la temperatura de operación, centipoises (Cps). ns: velocidad de giro del eje, rpm. P: presión unitaria debida a la carga que soporta el cojinete liso, Kgf/cm2 (Lbf/pulg2). 639,9: es el valor numérico límite entre condiciones de lubricación EHL y fluida. Ver Gráfico No2 Gráfico No2 Condiciones de lubricación EHL y fluida en cojinetes lisos
- Cálculo de para engranajes Para engranajes el factor de seguridad de la película lubricante se determina del Gráfico No3 conociendo el valor de la velocidad lineal v en m/s (pulg/s), en el círculo primitivo de los engranajes. Si el reductor de velocidad tiene más de un par de engranajes, se considera los engranajes donde la velocidad lineal sea menor. En el Gráfico No3, se localiza el valor de v en la escala horizontal inferior, en m/s ó en pulg/s, y se traza una línea vertical hasta que corte la curva, y por el punto de intersección se traza una línea horizontal hasta la escala vertical de la izquierda y se lee el valor de . Gráfico No3 Cálculo del para engranajes
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Selección del tipo de lubricante EP Una vez que se ha calculado el factor de seguridad de la película lubricante se procede de la siguiente manera: -
-
Con el valor calculado de se va a la Tabla No8 y se determina si las condiciones de lubricación del mecanismo lubricado son del tipo EHL ó fluida. Si las condiciones de lubricación son del tipo EHL, es necesario tener en cuenta si los aditivos EP que debe contener el lubricante son de 1ra, 2da ó de 3ra generación. Esto lo define el valor de calculado, al compararlo con el valor de que define cada generación de lubricantes. Si las condiciones de lubricación son del tipo fluida, el lubricante no requiere aditivos de EP.
Tabla No8 Tipo de película lubricante dependiendo del valor de
No
Mecanismo
01 Rodamiento 02 Cojinete liso 03 Engranajes
Lubricación Hidrodinámica (HD) – AW 2,5 ≤ ≤ 4,0 2,0 ≤ ≤ 4,0 1,5 ≤ ≤ 3,0
Tipo de película lubricante Lubricación Elastohidrodinámica (EHL) - EP 1ra generación EP1 0,5 ≤ < 2,5 0,5 ≤ < 2,0 0,5 ≤ < 1,5
2da generación EP2 0,1 ≤ < 0,5 0,1 ≤ < 0,5 0,1 ≤ < 0,5
3ra generación EP3 0,05 < 0,1 0,05 < 0,1 0,05 < 0,1
Lubricación Hidrostática No existe < 0,05 No existe
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Nota: (1) En el caso de cojinetes lisos, cuando se tienen valores del factor de seguridad de la película lubricante menores de 0,05, el tipo de lubricación, necesariamente debe ser hidrostática. (2) En el caso de rodamientos y engranajes, cuando se tienen valores del factor de seguridad de la película lubricante menores de 0,05, no hay lubricantes con aditivos EP disponibles en el mercado que soporten esta condición de lubricación, por lo que es necesario contar con rodamientos y engranajes con mayor capacidad de carga, o rediseñar el sistema. (3) AW o Anti Desgaste, quiere decir que el aceite debe tener aditivos metálicos antidesgaste, por lo regular a base de Ditiosfosfato de Zinc (ZnDP). (4) EP o Extrema Presión, quiere decir que el aceite debe tener aditivos metálicos de Extrema Presión. El tipo de componente EP depende de la generación del lubricante.
Verificación del tipo de lubricante EP Una vez que se ha determinado bajo qué condiciones de lubricación trabaja el mecanismos se selecciona el tipo de lubricante. Si el tipo de lubricación es EHL, se debe verificar que el lubricante que se va a utilizar tenga los aditivos EP de acuerdo a la generación requerida, lo cual se hace verificando en la Prueba de desgaste de 4 bolas según el método ASTM 2783, cuál es la capacidad de carga, en kgf, del aditivo EP que contiene el lubricante. Este dato se consulta en la ficha técnica del lubricante que aparece en el catálogo del fabricante del lubricante. La capacidad de carga del lubricante, de acuerdo con la generación de aditivos EP que contenga es igual a: -
1ra generación: hasta 350 kgf. 2da generación: mayor de 350 kgf y hasta 750 kgf. 3ra generación: mayor de 750 kgf y hasta 1350 kgf.
CARACTERÍSTICAS DE LOS LUBRICANTES CON ADITIVOS EP - Lubricantes EP de 1ra generación (EP1) El desempeño de estos lubricantes es bueno, pero su coeficiente de fricción combinado fc (fricción sólida y fluida) es alto y dan lugar a un área de soporte de carga equivalente a un 25% del área aparente del mecanismo. De este tipo de lubricantes se tienen dos grupos generales: -
-
-
Compuestos ó “Compound” que son una mezcla de un 95-97% de aceite mineral ó sintético y un 3-5% de ácidos grasos; reaccionan con las superficies metálicas a temperaturas menores ó iguales a los 80°C en el punto de contacto, y por encima de este valor se desprenden dando lugar al contacto metalmetal y por lo tanto al desgaste del mecanismo. Compuestos de tipo químico como los esteres clorados, la manteca de cerdo sulfurada y el tricresilfosfato. Estos aditivos reaccionan químicamente con las superficies metálicas por encima de los 80°C en el punto de contacto; por debajo de esta temperatura su velocidad de reacción es muy baja ó no reaccionan. Cuando la temperatura de las rugosidades de un mecanismo que funciona bajo condiciones de lubricación EHL es fluctuante y puede variar entre menos y más 80°C se deben utilizar lubricantes que tengan aditivos a base de ácidos grasos y de tipo químico. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Como en la práctica es difícil cuantificar en forma precisa la temperatura de 80°C en el punto de contacto, se toma como referencia para utilizar uno u otro tipo de aditivos EP una temperatura de 50°C en la superficie de la carcasa en la cual se encuentra alojado el mecanismo.
Lubricantes EP de 2da generación (EP2) Estos lubricantes se caracterizan porque son una mezcla de un 95-97% de aceite mineral ó sintético y un 3-5% de un lubricante de película sólida como el bisulfuro de molibdeno, grafito, tungsteno, Teflón ó boratos. El más utilizado en la actualidad es el bisulfuro de molibdeno. Este lubricante se caracteriza porque además de recubrir totalmente el perfil de las rugosidades de las dos superficies, rellena parte de los valles de las mismas, incrementando el área de soporte de carga a un 40% del área total del mecanismo. El coeficiente de fricción combinado de estos lubricantes es menor que el de los de 1ra generación.
Lubricantes EP de 3ra generación (EP3) Estos lubricantes poseen aditivos de base órgano-metálica, a base de cloro y de fósforo, los cuales cuando las superficies de fricción están sometidas a elevadas presiones liberan átomos metálicos que eutécticamente bajan el punto de fusión de las crestas más sobresalientes, haciendo que se deformen plásticamente llenando los valles de las irregularidades de las superficies. El área de soporte de carga llega a ser hasta un 75% del área total del mecanismo. Estos lubricantes presentan los coeficientes de fricción combinados más bajos dentro del grupo de lubricantes EP. Las ventajas más importantes de los lubricantes de 3ra generación son el menor consumo de energía, menor fatiga de las piezas lubricadas al aumentar el área de soporte de carga, corrección de fallas como pitting incipiente ó descostrado en dientes de engranajes, reducción de la temperatura de operación, del nivel del ruido y las vibraciones. Son de obligatoria utilización si el factor de seguridad de la película lubricante , es menor de 0,07, independientemente del tipo de mecanismo lubricado.
Ejemplo No1 Pregunta: Se tiene un reductor de velocidad con un par de engranajes cilíndricos de dientes rectos, en el cual el piñón tiene un diámetro de paso de 20 cm, gira a 1800 rpm, y está soportado en dos rodamientos de bolas, cuyo diámetro exterior es de 14 cm. El engranaje gira a 300 rpm, está apoyado en dos cojinetes lisos ó “chumaceras”, y sobre cada una de ellas actúa una carga de 1000 kgf, el diámetro y la longitud del cojinete liso es de 8 cm. El aceite que se está utilizando en la lubricación del reductor de velocidad es de un grado ISO 220 y la temperatura de operación de 60°C. Se requiere calcular la condición de lubricación de cada mecanismo del reductor de velocidad y si son del tipo EHL, determinar la generación del tipo de aditivo EP que se debe utilizar. Respuesta: - Para los rodamientos: De la Ecuación No1 ( = ho / ), se tiene que el valor de es igual a 14,09; donde: -
ho es igual a 1,17 m, se calculó de la ecuación No2, con C = 8,65x10-4; D = 0,14 m; L = 135 (del gráfico No1, con la Top = 60°C y un aceite de un grado ISO 220); n = 1800 rpm. es igual a 0,083, se cálculo de la ecuación No4, con 1 = 2 = 0,059 m de la Tabla No1 para rodamientos de bolas.
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Para = 14,09 se tiene de la Tabla No3, que las condiciones de lubricación de los rodamientos son de película fluida. - Para los cojinetes lisos: De la Ecuación No5 ( = (ns /P) /639,9) se tiene que el valor de es igual a 1,74; donde: -
es igual a 58 Cps, se determinó del Gráfico 3.1 (libro Tribología y Lubricación Industrial y Automotriz,
-
Tomo I, 2da edición), para un aceite de grado ISO 220 y una Top de 60°C. ns es igual a 300 rpm. P es igual a 15,62 kgf/cm2 , se calculó de 1000 kgf/ (8cm x 8cm).
Para 1,74 se tiene de la Tabla No3, que las condiciones de lubricación de los cojinetes lisos son de película EHL. - Para los engranajes: Del Gráfico No3, se tiene que el valor de es igual a 0,67; donde: -
-
v dpns y es igual a 3,14 m/s. Se localiza este valor en la escala horizontal inferior del Gráfico No3 y se traza una línea vertical hasta que corte la curva, por el punto de intersección se traza una línea horizontal y se tiene que el valor de es igual a 0,67. Para λ = 0,67 se tiene de la Tabla No3, que las condiciones de lubricación de los engranajes son de película EHL, y el tipo de aditivos que debe contener el aceite son de 2da generación (EP 2). El aceite con que se debe lubricar este reductor de velocidad debe ser de un grado ISO 220 con aditivos EP de 2da generación (EP2).
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Capítulo 6. SELECCION CORRECTA DE UN ACEITE INDUSTRIAL
INTRODUCCIÓN La correcta lubricación de los mecanismos de un equipo permite que estos alcancen su vida de diseño y que garanticen permanentemente la disponibilidad del equipo, reduciendo al máximo los costos de lubricación, de mantenimiento y las pérdidas por lucro cesante. Es muy importante, por lo tanto que el personal encargado de la lubricación de los equipos y quienes están a cargo de la administración y actualización de los programas de lubricación estén en capacidad de seleccionar correctamente el aceite ó la grasa, partiendo de las recomendaciones del fabricante del equipo, ó si estas no se conocen, calcular el lubricante correcto partiendo de los parámetros de diseño del mecanismo como cargas, velocidades, temperaturas, medio ambiente en el cual trabaja el equipo, etc.
SELECCIÓN DE UN ACEITE INDUSTRIAL Toda planta industrial, cualquiera que sea su magnitud debe utilizar lubricantes industriales. En equipos industriales al emplear lubricantes de tipo automotor no quiere decir necesariamente que se vaya a producir una falla catastrófica de los mismos, pero si puede dar lugar a una disminución considerable de su vida de servicio ó a que se presenten problemas que hacen inoperable la máquina como es el caso, por ejemplo, de utilizar aceites para motores de combustión interna (que cuentan con aditivos detergentes - dispersantes) en compresores alternativos de dos ó más etapas en los cuales la presencia de agua puede llegar a ser crítica dando lugar al emulsionamiento del aceite automotor ó en equipos rotativos donde en lugar de utilizar un aceite industrial, por ejemplo, de un grado ISO 100 se utiliza un SAE 90 ó un 140. En este último caso el exceso de viscosidad dará lugar a un incremento considerable en las pérdidas de energía por fricción fluida, a elevación de la temperatura de operación que acelerará la oxidación del aceite y la dilatación de los retenedores del equipo haciendo que se presenten fugas de aceite. Adicionalmente se tiene el sobre costo en la lubricación de los equipos rotativos de la planta porque los aceites automotores son entre 1,5 y 2 veces más costosos que los de tipo industrial. Por consiguiente, si una máquina industrial se está lubricando, ó se especifica en su lubricación un aceite de clasificación SAE, es recomendable hallar, de la Tabla No10, su equivalente en el sistema ISO e implementar su utilización.
SISTEMA ISO La Organización Internacional para la Estandarización (ISO) estableció desde 1975 el sistema ISO para especificar la viscosidad de los aceites industriales, pero solo hasta 1979 fue puesta en práctica por la mayoría de los fabricantes de lubricantes. El sistema ISO clasifica la viscosidad de los aceites industriales en cSt a 40°C, mediante un número estándar que se coloca al final del nombre del aceite industrial. Este sistema reduce las posibilidades de que el usuario se equivoque en la selección del aceite a utilizar ó que mezcle lubricantes de diferentes viscosidades; facilita además hallar de manera inmediata el equivalente en viscosidad de un aceite con otro puesto que el nombre del aceite debe traer al final el grado ISO correspondiente. El Gráfico No4 permite pasar de un sistema de unidades de viscosidad a otro.
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Así por ejemplo, si se tiene el aceite Tellus 68 de marca Shell y se sabe que este fabricante está utilizando la clasificación ISO en sus aceites industriales, entonces el número 68 del aceite Tellus indica que tiene una viscosidad de 68 cSt a 40°C. Para saber si el número que acompaña el nombre del aceite es un grado ISO es necesario conocer la clasificación ISO, ya que se puede presentar el caso de aceites que al final del nombre traen un número y sin embargo este no corresponde a un grado ISO como podría ser el caso de aceites como el Tellus 41, Teresso 72, Macoma 45, DTE 26, etc.; estos aceites se colocan a manera de ejemplo, ya que en hoy en día se especifican de acuerdo a la clasificación ISO. En la Tabla No9 se especifican los diferentes grados de viscosidad en el sistema ISO; los grados básicos de viscosidad están comprendidos entre el 2 y el 68, los siguientes grados ISO después del 68 se obtienen añadiendo uno ó dos ceros a partir del 10 hasta llegar al 1500. El límite mínimo y máximo de un grado ISO es el 10% de dicho grado. Tabla No9 Clasificación ISO para los Aceites industriales Grado ISO 2 3 5 7 10 15 22 32 46 68 100 150 220 320 460 680 1000 1500
cSt/40ºC Mínimo Máximo 1,98 2,42 2,88 3,52 4,14 5,06 6,12 7,48 9,00 11,00 13,50 16,50 19,80 24,20 28,80 35,20 41,40 50,60 61,20 74,80 90,00 110,00 135,00 165,00 198,00 242,00 288,00 352,00 414,00 506,00 612,00 748,00 900,00 1100,00 1350,00 1650,00
Límites de viscosidad cSt/100ºC SSU/100ºF Mínimo Máximo Mínimo Máximo 32,8 34,4 36,0 38,2 40,4 43,5 47,2 52,0 57,6 65,3 75,8 89,1 105,0 126,0 149,0 182,0 214,0 262,0 317,0 389,0 469,0 575,0 709,0 871,0 1047,0 1283,0 1533,0 1881,0 2214,0 2719,0 3298,0 4048,0 4864,0 5975,0 7865,0 9079,0
SSU/210ºF Mínimo Máximo 34,6 35,7 37,0 38,3 39,7 41,4 43,0 45,0 47,1 49,9 52,9 56,9 61,2 66,9 73,8 81,9 90,4 101,0 112,0 126,0 139,0 158,0 178,0 202,0 226,0 256,0 291,0 331,0
Características del sistema ISO Algunos aspectos importantes que es necesario tener en cuenta con la clasificación ISO son: -
Únicamente clasifica la viscosidad de los aceites industriales. Estandariza la viscosidad del aceite en cSt a 40°C. Sólo se relaciona con la viscosidad del aceite industrial y no tiene nada que ver con su calidad. El grado ISO aparece al final del nombre del aceite industrial, cualquiera que sea su marca. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Curvas características de los aceites industriales El Gráfico No5, ASTM D341, permite obtener la curva característica de viscosidad - temperatura para cualquier aceite industrial derivado del petróleo, entre un grado ISO 10 y 1500, con un índice de viscosidad (IV) entre 80 y 95. En la escala vertical de la izquierda se da la viscosidad del aceite en cSt (ó en mm2/s) y en la escala horizontal inferior, la temperatura en °C y en °F respectivamente. Para hallar el grado ISO correspondiente a un aceite industrial se ubica la viscosidad del aceite en cSt en la escala vertical de la izquierda y se traza una horizontal hasta que corte la vertical correspondiente a la temperatura dada; el punto de intersección de las líneas trazadas puede coincidir con alguna de las curvas que aparecen En el Gráfico No4, en cuyo caso, el número que la identifica sería el grado ISO del aceite industrial correspondiente; en caso contrario, se selecciona la curva más cercana al punto. Si el punto de intersección queda ubicado en la mitad de dos curvas se selecciona la curva del mayor grado ISO; en este caso es posible que se incremente ligeramente el desgaste erosivo del elemento lubricado debido al exceso de fricción fluida, pero no el desgaste adhesivo como podría ocurrir si se seleccionara la curva del aceite de menor grado ISO. La elevación de temperatura y el incremento en el consumo de energía, en caso que se seleccione el mayor grado ISO, no son críticos, ya que el exceso de viscosidad no es lo suficientemente alto como para que esto llegue a ser significativo. Las curvas graficadas se pueden prolongar dentro de un rango comprendido cerca del punto de fluidez hasta el punto de inflamación del aceite. En el Gráfico No6, se puede graficar la curva de cualquier aceite conociendo dos valores de la viscosidad a sus respectivas temperaturas de referencia.
Pasos que se deben tener en cuenta en la selección del aceite industrial Siempre que se vaya a seleccionar el aceite para un equipo industrial se debe tener presente que se debe utilizar un aceite de especificación ISO y que cualquier recomendación que se dé, se debe llevar a este sistema. Los siguientes son los pasos que es necesario tener en cuenta en la selección del aceite para un equipo industrial: -
Consultar en el catálogo del fabricante del equipo, las recomendaciones del aceite que se debe utilizar. Seleccionar el grado ISO del aceite requerido a la temperatura de operación en los mecanismos lubricados, teniendo en cuenta la temperatura ambiente. Seleccionar un aceite industrial, en la misma marca que el lubricante que se está utilizando en la empresa. Aplicarle el aceite al equipo rotativo, teniendo en cuenta los procedimientos establecidos.
Forma correcta de recomendar el aceite Las siguientes son las formas como pueden aparecer en el catálogo del fabricante del equipo rotativo las especificaciones del aceite y el procedimiento que se debe seguir en cada caso para seleccionar correctamente el aceite. En cualquiera de ellas el fabricante debe especificar el rango de la temperatura de operación y el de la temperatura ambiente. Es muy importante que el fabricante sea claro al especificar el aceite, de lo contrario, el usuario del equipo rotativo se debe poner en contacto con él con el fin de que le aclare las dudas que pueda tener. Método No1: Dos valores de la viscosidad del aceite, en cualquier sistema de unidades de medida, a sus respectivas temperaturas de referencia, el rango de la temperatura de operación y el de la temperatura ambiente. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Los pasos que se deben seguir en este caso son:
Si las unidades de la viscosidad no están dadas en cSt, se pasan a este sistema mediante el Gráfico No1. En el Grafico No3, se traza la curva del aceite recomendado, con los dos valores de la viscosidad en cSt a sus respectivas temperaturas de referencia, en ºC ó en ºF. Por la curva hallada del aceite se sube hasta que corte la línea vertical correspondiente a 40ºC y por el punto de intersección se traza una línea horizontal y en la escala vertical de la izquierda se leen el número de cSt del aceite a 40 ºC. Luego por medio de la Tabla No1 se estandariza dicha viscosidad y se halla el grado ISO correspondiente. Se analiza si la temperatura de operación y la temperatura ambiente a la cual van a trabajar los mecanismos lubricados están dentro del rango especificado por el fabricante con respecto al aceite recomendado, si es así, el grado ISO del aceite hallado es el correcto, de lo contrario, es necesario hallar el nuevo grado ISO del aceite mediante la metodología expuesta en el tema Modificación del grado ISO de acuerdo con la temperatura de operación y ambiente. Con base en el Grado ISO del aceite seleccionado y teniendo en cuenta las propiedades físicoquímicas del aceite recomendado, se selecciona el aceite a utilizar en la misma marca de los lubricantes utilizados en la empresa.
Método No2: Un valor de la viscosidad del aceite, en cualquier sistema de unidades de medida, a su respectiva temperatura de referencia, el índice de viscosidad, el rango de la temperatura de operación y el de la temperatura ambiente. Los pasos que se deben seguir en este caso son:
Si las unidades de la viscosidad no están dadas en cSt, se pasan a este sistema mediante el Gráfico No1. En el Gráfico No4(a) ó 4(b), según el caso, con el valor de la viscosidad recomendada en cSt a 40ºC ó a 100ºC y el índice de viscosidad del aceite, se halla el otro valor de la viscosidad en cSt, a 40ºC ó a 100 ºC, según el caso. Los demás pasos son los mismos que los del caso anterior.
Método No3 Un valor de la viscosidad del aceite, en cualquier sistema de unidades de medida, a su respectiva temperatura de referencia, sin especificar el índice de viscosidad, el rango de la temperatura de operación ni el de temperatura ambiente. Este caso es quizás el más frecuente que se encuentra en la práctica y el que más conduce a problemas a corto ó a mediano plazo en los mecanismos lubricados. Lo más recomendable en este caso es ponerse en contacto con el fabricante del equipo rotativo y pedirle la información que falta para poder seleccionar correctamente el aceite. En caso tal de que esto no sea factible, se deben seguir los siguientes pasos: -
En el Gráfico No5, en la escala vertical de la izquierda se halla la viscosidad dada del aceite en cSt y se traza una línea horizontal por este valor. Si la viscosidad no está dada en cSt, se pasa a este sistema de unidades mediante el Gráfico No1. Luego en la escala horizontal inferior se localiza el valor de la temperatura de referencia en ºC ó en ºF, y por este valor se traza una línea vertical hasta que corte la línea horizontal de la viscosidad en cSt. Se localiza el punto de intersección y se selecciona la curva del aceite más cercano a este punto con su correspondiente grado ISO. El IV del aceite seleccionado debe ser de 95, debido a que las curvas de los aceites especificados en este gráfico se hicieron con base en este IV. Si el punto de intersección da exactamente en la mitad de dos curvas se selecciona la del grado ISO mayor, en este caso es posible que se incremente ligeramente el desgaste erosivo del elemento lubricado debido al exceso de fricción fluida, pero no se presentará desgaste adhesivo como podría ocurrir si se seleccionara la curva del aceite de
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menor grado ISO. La elevación de temperatura y el incremento en el consumo de energía al seleccionar el aceite de mayor viscosidad no serán críticos, ya que el exceso de viscosidad no es lo suficientemente alto como para que esto llegue a ser significativo. Es necesario tener en cuenta que la curva del aceite seleccionado, en la práctica puede diferir de la curva real que el fabricante del equipo rotativo halló para calcular el grado ISO del aceite. Los pasos siguientes son los mismos que se tuvieron en cuenta en los dos casos anteriores, pero teniendo en cuenta que se va a asumir que la temperatura de operación del mecanismo y la temperatura ambiente en la cual va a trabajar el equipo rotativo están en concordancia con las que tuvo en cuenta el fabricante cuando calculó el grado ISO del aceite a utilizar en los mecanismos lubricados.
Método No4 Otras formas como el fabricante del equipo rotativo puede dar las recomendaciones de lubricación son las siguientes: El nombre y la marca del aceite a utilizar y las equivalencias en otras marcas de lubricantes. El grado ISO del aceite y las demás propiedades físico-químicas, como índice de viscosidad, punto de inflamación, punto de fluidez, etc. La viscosidad del aceite en el sistema AGMA ó en el SAE. Estas recomendaciones son iguales al tercer caso analizado y se deben analizar como tal. La única diferencia es que el fabricante ya está recomendando el nombre y marca del aceite ó el grado ISO del aceite a utilizar. En el caso del grado AGMA y SAE, se halla su equivalencia en el sistema ISO por medio de la Tabla No10. Ejemplo No1 El fabricante de un compresor alternativo de pistones de simple efecto y de una etapa que comprime aire, recomienda para lubricar el cárter y el cilindro (la superficie del cilindro y los anillos del pistón se lubrican con el aceite salpicado por la cabeza de biela del cigüeñal) un aceite cuyas propiedades físico-químicas deben ser: -
Gravedad específica, 0,875 gr/cm3, ASTM D-287. Viscosidad 330 SSU/100°F, ASTM D-445. Punto de inflamación, 221°C, ASTM D-92. Punto de Fluidez, -12°C, ASTM D-97.
En la planta donde va a funcionar el compresor se cuenta con el aceite Turbine 100 de marca Shell, Se requiere determinar si este aceite es ó no equivalente al recomendado por el fabricante del compresor, con el fin de utilizarlo en su lubricación. Solución: Los datos especificados por el fabricante del compresor en su recomendación de lubricación están incompletos, ya que solo da un valor de la viscosidad y no especifica el rango de la temperatura de operación y ambiente para los cuales se recomienda este aceite. Por lo tanto el aceite que se seleccione en este caso puede diferir del que realmente se debe utilizar. En este caso el procedimiento para seleccionar el aceite correcto para lubricar el compresor alternativo de pistones corresponde a la metodología “Un valor de la viscosidad del aceite, en cualquier sistema de unidades de medida, a su respectiva temperatura de referencia, sin especificar el índice de viscosidad, el rango de la temperatura de operación ni el de temperatura ambiente”. -
En el Gráfico No4 se localizan en la escala de la viscosidad en Segundos Saybolt Universal, 330 SSU y por este punto se traza una línea horizontal hasta que corte la escala de la viscosidad cinemática y se leen 81 cSt a 100°F. En el Gráfico No5 se localizan los 81cSt en la escala vertical
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de la izquierda y por este punto se traza una línea horizontal hasta que corte la línea vertical que se trazó con la temperatura de referencia de 100°F. Se localiza el punto de intersección y se tiene que queda más cerca del grado ISO 68, por lo tanto, se selecciona éste. Con el grado ISO 68 y con las demás propiedades físico-químicas del aceite y con el tipo de máquina a lubricar, en este caso un compresor alternativo de pistones que comprime aire se va a los catálogos de los fabricantes de lubricantes y se selecciona el que cumpla con todas las especificaciones dadas. El aceite Turbina 100 que se tiene disponible es más viscoso que el requerido, por lo tanto no se puede utilizar. Es necesario tener en cuenta que se debe seleccionar, hasta donde sea posible, la misma marca de lubricantes empleada en los demás equipos rotativos de la empresa. En este caso algunos aceites de diferentes marcas que podrían servir son: Turbine 68 (Shell), Nuto 68 (Esso), Regal 68 (Texaco), DTE Heavy Médium (Mobil), Turbina 68 (Terpel).
Ejemplo No2 En una empresa se adquiere un compresor de tornillo de cámara de compresión húmeda y las especificaciones del fabricante con respecto al aceite que se debe utilizar son: -
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Viscosidad, 356 SSU/100ºF, ASTM D445. Viscosidad, 55 SSU/210ºF, ASTM D445. Índice de Viscosidad, 97, ASTM D97. Punto de inflamación, 445ºF, ASTM D92. Punto de fluidez, 0ºF, ASTM D97. Corrosión en lámina de cobre, 1b, 3 hr a 212ºF, ASTM D130. Prueba de espuma, 30/0, 10 y 0 ml de espuma, secuencia II, en 5 y 10 minutos, ASTM D892. La temperatura de operación en los rodamientos de apoyo de los rotores del compresor oscila entre 50ºC y 58ºC, y las propiedades físico-químicas del aceite recomendado son para un rango de temperatura ambiente entre 15ºC y 23ºC. La temperatura ambiente en la cual va a operar el compresor de tornillo es de 20ºC.
Solución: En este caso el procedimiento para seleccionar el aceite correcto para lubricar el compresor de tornillo de cámara de compresión húmeda, corresponde a la metodología “Dos valores de la viscosidad del aceite, en cualquier sistema de unidades de medida, a sus respectivas temperaturas de referencia, el rango de la temperatura de operación y el de la temperatura ambiente”. Los pasos que se deben seguir son los siguientes: -
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Como los valores dados de la viscosidad del aceite no están en cSt, se pasan a estas unidades por medio del Gráfico No4 y se tiene que: 356 SSU/100ºF es igual 78 cSt/100ºF y 55 SSU/210 ºF es igual a 8,8 cSt/210ºF. Con los valores hallados de la viscosidad del aceite en cSt a 100ºF y 210ºF, se traza la curva del aceite en el Gráfico No6. En la escala horizontal inferior, se traza una línea vertical por 40 ºC hasta que corte la curva trazada, y por el punto de intersección se traza una línea horizontal hasta la escala vertical de la izquierda y se leen en dicha escala 68 cSt. La viscosidad de 68 cSt/40 ºC se estandariza en la Tabla No9 y se tiene que la viscosidad del aceite requerido corresponde a un grado ISO 68. Como la temperatura ambiente en la cual va a trabajar el compresor de tornillo es de 20ºC y está dentro del rango especificado por el fabricante de 15ºC y 23ºC, el grado ISO 68 del aceite hallado no es necesario modificarlo. Con el grado ISO del aceite hallado, se va al catalogo del fabricante de los lubricantes utilizados en la empresa, y se halla el aceite que sirva para lubricar compresores de cámara de compresión
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húmeda y que sea de un grado ISO 68. Además el aceite seleccionado debe cumplir con las demás propiedades físico-químicas especificadas por el fabricante del compresor. Por el valor del IV de 95, se puede concluir que se trata de un aceite mineral ó derivado del petróleo, ó sintético del tipo diéster. Si se quisiera utilizar un aceite sintético para lubricar este compresor de tornillo es necesario tener en cuenta la metodología respectiva para seleccionar correctamente el aceite sintético.
Modificación del grado ISO del aceite de acuerdo con al temperatura ambiente Cuando la temperatura de operación ó la temperatura ambiente en la cual va a trabajar el equipo rotativo es diferente al rango especificado por el fabricante, es necesario modificar el grado ISO del aceite requerido, ya que de lo contrario se presentarán los siguientes problemas en los mecanismos lubricados: -
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Si la temperatura ambiente real es menor que la que tuvo en cuenta el fabricante del equipo rotativo en sus cálculos, la viscosidad del aceite seleccionado aumentará por encima del valor requerido, dando lugar a problemas de desgaste erosivo, altas temperaturas de operación, y mayor consumo de energía por exceso de fricción fluida en los mecanismos lubricados. Si la temperatura ambiente real es mayor que la que tuvo en cuenta el fabricante del equipo rotativo en sus cálculos, la viscosidad del aceite seleccionado disminuirá por debajo del valor requerido, dando lugar a problemas desgaste adhesivo, altas temperaturas de operación, y mayor consumo de energía por fricción sólida en los mecanismos lubricados.
Los siguientes son los pasos que es necesario tener en cuenta para modificar el grado ISO del aceite requerido: En el Gráfico No6 se traza la curva del aceite recomendado. En la escala horizontal inferior del Gráfico No6, se localiza el rango de la temperatura de operación y por dichos valores se trazan dos líneas verticales hasta que corte la curva del aceite recomendado, por los puntos de intersección se trazan dos líneas horizontales, las cuales definen el rango de la viscosidad de trabajo, en cSt. En la escala horizontal inferior del Gráfico No6, se localiza la temperatura de operación real del equipo rotativo, y se procede de la siguiente manera: - Si es menor que el valor del rango mínimo especificado por el fabricante del equipo rotativo, con el valor conocido de dicha temperatura de operación, se traza desde la escala horizontal inferior, una línea vertical hasta que corte la línea horizontal correspondiente a la viscosidad mínima requerida, por el punto de intersección se traza una curva (línea) paralela a la del aceite seleccionado y se lee la viscosidad del aceite en cSt a 40ºC, luego se estandariza el grado ISO del aceite hallado, mediante la Tabla No9. En este caso el grado ISO del aceite que se seleccione es menor que el del aceite recomendado por el fabricante del equipo rotativo. - Si es mayor que el valor del rango máximo especificado por el fabricante del equipo rotativo, se procede de la misma manera que el caso anterior, pero con el valor conocido de la temperatura operación real. En este caso el grado ISO del aceite que se seleccione es mayor que el del aceite recomendado por el fabricante del equipo rotativo.
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La temperatura de operación (T op) de un mecanismo se define como: Top Ta Tf, ºC(ºF)
Ecuación No1
Donde: Top: Temperatura de operación, ºC (ºF). Ta: Temperatura ambiente, ºC (ºF). Tf: Incremento de temperatura por fricción, adimensional. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Ejemplo No3 El fabricante del reductor sinfín-corona que acciona el eje vertical de una llenadora de botellas de cerveza, recomienda para su lubricación un aceite que debe tener una viscosidad de 230 cSt/40°C y 15 cSt/100°C. El aceite especificado es para un rango de temperatura ambiente entre 15° y 22°C y una temperatura de operación entre 38° y 45°C. Se requiere hallar lo siguiente: -
La nueva temperatura de operación, si el lugar donde va a funcionar el reductor sinfín-corona es de 32°C. El grado ISO del aceite requerido, teniendo en cuenta la nueva temperatura de operación.
Solución: - Temperatura de operación para una temperatura ambiente de 32ºC. Los pasos que se deben seguir son los siguientes: -
De la Ecuación No1, Top Ta Tf, ºC, se tiene el Tf, para la condiciones dadas inicialmente es igual a: Tf 38°-15°C 23°C ó también es igual a Tf 45°-22°C 23°C. Para la nueva condición de Ta, se tiene que la nueva Top 32° + 23°C 55°C, ó sea Top 55°C.
- Grado ISO del aceite requerido para una T op de 55ºC. Los pasos que se deben seguir son los siguientes: -
Con los valores dados de la viscosidad del aceite de 230 cSt/40°C y de 15 cSt/100°C, se traza la curva del aceite, en el Gráfico No6.
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En la escala horizontal inferior, con los valores de la T op de 38º y 45ºC, correspondientes a T a de 15° y 22°C, respectivamente, se trazan líneas verticales hasta que corten la curva del aceite recomendado y por los puntos de intersección se trazan líneas horizontales, las cuales demarcan el rango de la viscosidad en el cual se puede utilizar el mismo grado ISO del aceite recomendado.
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Como la nueva Ta de 32ºC da lugar a una Top de 55ºC, y ésta está por fuera del rango máximo permisible de 45ºC, es necesario hallar el nuevo grado ISO del aceite requerido.
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En la escala horizontal inferior del Gráfico No6, se localiza el valor de la nueva T op de 55°C, y se traza una línea vertical hasta que corte la línea horizontal que define el valor máximo del rango de variación de la viscosidad.
-
Por el punto de intersección se traza una línea paralela a la “curva” del aceite y sobre esta nueva “curva” se lee la viscosidad en cSt a 40°C del aceite requerido. En este caso la viscosidad del aceite requerido es de 460 cSt/40°C, ó sea que el aceite debe ser de un grado ISO 460.
EQUIVALENCIAS ENTRE DIFERENTES SISTEMAS DE CLASIFICACION DE LA VISCOSIDAD Muchos fabricantes de maquinaria industrial acostumbran a dar sus especificaciones de lubricación en otros sistemas de clasificación de la viscosidad diferente al ISO y ello obliga, por lo tanto a hallar el grado de la viscosidad equivalente en este sistema. En la Tabla No10 se dan las equivalencias entre el sistema ISO, ASTM, AGMA y SAE (de motor y engranajes).
Tabla No10 TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Equivalencias entre los diferentes sistemas de clasificación de la viscosidad Grado AGMA
Grado SAE Motor Engranajes Unígrado Multígrado Unígrado Multígrado
Grado ISO
Grado ASTM
10 15 22 32 46 68,68EP 100,100EP
75 105 150 215 315 465
1 2, 2EP 3,3EP
0w, 5w 10w 10,15w 20w,20 25w,30
150,150EP
700
4,4EP
40
220,220EP 320,320EP 460,460EP,460C 680,680EP,680C 1000,1000EP,1000C 1500,1500EP,1500C
1000 1500 2150 3150 4650 7000
5,5EP 6,6EP 7,7EP,7C 8,8EP,8C 9,9EP,9C 10,10EP,10C
50
75W
10w30,20w20 5w50, 15w40 15w50, 20w40
80,80w
90
85w90 85w140
140
250
Notas: (1) Cuando se halla el grado ISO equivalente de un aceite unigrado para motores de combustión interna su IV puede ser menor ó igual a 95; si es de especificación w debe ser mayor de 95 y si es multigrado, debe estar por encima de 110. Cuando se trate de aceites para engranajes se procede de la misma manera. (2) La C en los aceites especificados en el sistema ISO ó AGMA significa Compuesto ó aceites con aditivos a base de ácidos grasos para condiciones de lubricación EHL donde la temperatura de la carcasa del componente es menor ó igual a 50°C. (3) Cuando el fabricante recomienda el tipo de aceite a utilizar en cualquier sistema de unidades de viscosidad, referenciados a una temperatura especifica, es necesario hallar el grado ISO correspondiente (recuérdese que el grado ISO de un aceite está dado en cSt a 40°C) para lo cual es necesario, en primer lugar, convertir las unidades de viscosidad dadas a cSt (si éstas se dan en unidades diferentes a cSt), utilizando el Gráfico No1 y, en segundo lugar, con las unidades de viscosidad en cSt a cualquier temperatura, se halla el grado ISO correspondiente del Gráfico No2.
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Gráfico No4 Carta de conversión de la viscosidad a cualquier temperatura
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Gráfico No5 Gráfico Viscosidad-temperatura para hallar el Grado ISO del aceite
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Gráfico No6 Gráfico Viscosidad-temperatura para trazar la curva de un aceite industrial
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Gráfico No7 (a) Gráfico para hallar el índice de viscosidad (IV) en función de la viscosidad del aceite en cSt a 40ºC y a 100ºC.
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Gráfico No7 (b) Gráfico para hallar el índice de viscosidad (IV) en función de la viscosidad del aceite en cSt a 40ºC y a 100ºC.
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Capítulo 7. SELECCION CORRECTA DE UN ACEITE AUTOMOTRIZ El vehículo es uno de los inventos más revolucionarios hechos por el hombre en los últimos tiempos, el cual le ha permitido tener un mayor nivel de comodidad, optimizar el tiempo y bajar los costos de su supervivencia en la tierra, además de que lo ha llevado al diseño de otras máquinas, aunque quizás no mejores en su esencia, por lo menos si en los medios de transporte, como el tren, avión, etc.
MOTOR DEL VEHICULO El motor es el componente más importante de su vehículo y tiene una serie de elementos sometidos a fricción que incentivan el desgaste, el cual si no se controla puede dar lugar rápidamente a que el motor no funcione correctamente, sea costosa su operación y conlleve a su reparación antes de tiempo, implicando con esto el desembolso de grandes sumas de dinero, además de que no se puede disponer del vehículo. Los motores de los vehículos pueden ser a gasolina, Diesel o gas, siendo éste último, mecánicamente igual al de gasolina, pero que utiliza como combustible gas. El motor a gasolina fue inventado, diseñado y fabricado por el ingeniero alemán Nikolaus Otto en 1877 y el motor a compresión o Diesel por el ingeniero alemán Rudolf Diesel (en 1892. Estos inventos tuvieron como modelo el motor a vapor, perfeccionado por el inglés Watt en 1820. Estos dos motores se denominan de combustión interna (MCI) porque la generación de energía se lleva a cabo dentro de los cilindros del motor, mediante la combustión de un combustible derivado del petróleo, el cual puede ser gasolina o ACPM. Los motores de los vehículos pueden ser de dos o cuatro tiempos, dependiendo de si el proceso de combustión se lleva a cabo en una o dos vueltas del cigüeñal respectivamente. En este caso el programa AUTOLUB, va a estar orientado al cambio del aceite a tiempo en los motores de 4 tiempos, sean a gasolina, gas o Diesel.
Ciclos del motor de 4 tiempos Los ciclos del motor a gasolina de 4 tiempos son: -
-
-
-
Admisión: succiona aire del ambiente, jugando un papel muy importante el filtro del aire. El aire se mezcla en el carburador o en el sistema de inyección con la gasolina, antes de entrar al cilindro. Se lleva a cabo durante media vuelta del cigüeñal (180º), y el pistón se mueve del Punto Muerto Superior (PMS) al Punto Muerto Inferior (PMI) en el cilindro. Compresión: comprime el aire desde el PMI al PMS, y antes de llegar a éste, la bujía produce la chispa haciendo que explote la mezcla de aire y gasolina. Este proceso se lleva a cabo durante media vuelta del cigüeñal (180º). Explosión: Al explotar la mezcla de aire y gasolina, el pistón es empujado violentamente del PMS al PMI y se produce la carrera de trabajo, haciendo que el cigüeñal gire y que el vehículo se mueva. Este proceso se lleva a cabo durante media vuelta del cigüeñal (180º). Escape: Los gases producidos durante la explosión del combustible, son evacuados al ambiente, cuando el pistón sube del PMI al PMS. Este proceso se lleva a cabo durante media vuelta del cigüeñal (180º).
Los ciclos del motor Diesel de 4 tiempos son los mismos del motor a gasolina de 4 tiempos, excepto que en el proceso de admisión solo succiona aire y lo comprime sin mezclarse con el combustible, y al final de la carrera de compresión se inyecta el gasóleo (gasoil) o también llamado comúnmente ACPM, produciéndose la explosión y posteriormente la carrera de trabajo.
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Partes del motor de 4 tiempos Las partes más importantes del motor de 4 tiempos son: -
-
Culata: parte superior del motor, sirve de tapa para los balancines. Bloque: es el elemento más importante y en éste van alojados los cilindros. Carter: parte inferior del motor, sirve de depósito al aceite. Cilindro: parte donde desliza el pistón. Pistón: elemento que permite comprimir el aire (motor Diesel) o la mezcla de aire y gasolina (motor a gasolina). Anillos: elementos de desgaste montados en los pistones que permiten que el pistón se deslice en el cilindro y garantizan la estanqueidad del aire (motor Diesel) o la del aire y el combustible (motor a gasolina) en el cilindro del motor. Biela: elemento que une el pistón con el cigüeñal. Bulón: elemento que une el pistón con la biela. Cigüeñal: parte donde van montadas las bielas y que trasmite la potencia generada por la explosión del combustible al sistema de trasmisión del vehículo. Casquetes: elementos de desgaste que permiten que las bielas y el cigüeñal giren. Válvulas de admisión y de descarga: permiten la entrada de aire al cilindro y la salida de los gases de la combustión del combustible al ambiente. Balancines: permiten la apertura y cierre de las válvulas de admisión y de descarga. Arbol de levas: hace subir y bajar los balancines. Bomba de engranajes: permite la lubricación de los diferentes componentes del motor sometidos a fricción. Filtro del aire: retiene al máximo las partículas contaminantes presentes en el aire. Filtro de aceite: elimina al máximo las partículas de hollín y metálicas presentes en el aceite. Filtro de combustible: elimina al máximo las partículas contaminantes presentes en el combustible. Sistema de inyección: atomiza el combustible dentro del aire bajo unas determinadas condiciones de volumen y de presión.
Lubricación del motor de 4 tiempos El motor de 4 tiempos se lubrica por medio de una bomba de engranajes accionada por el árbol de levas, la cual succiona el aceite del carter del motor y lo hace fluir hasta el filtro de aceite y de allí a los casquetes principales de apoyo del cigüeñal. Una vez que el aceite los ha lubricado, una parte retorna al carter y la otra fluye por unos conductos internos hasta el casquete de cabeza de biela y de allí es salpicado por la fuerza centrifuga, originada por el giro del cigüeñal, hasta el cilindro, donde los anillos de compresión lo distribuyen a lo largo del cilindro y luego el anillo rascador de aceite localizado en la parte inferior del pistón, barre de nuevo el aceite obligándolo a que retorne al carter del motor. El aceite cuando fluye a la parte superior del pistón, por medio de los aditivos detergentes-dispersantes que posee, lava el hollín, gomas, lacas y partículas carbonosas que se forman como resultado del proceso de combustión del combustible y que se adhieren a la cabeza del pistón y se introducen dentro de las ranuras del pistón y los anillos. Estos contaminantes son obligados a fluir con el aceite al carter del motor y de allí por medio de la bomba de engranajes quedan retenidos en el filtro de aceite. El espacio entre las ranuras de los pistones y los anillos deben estar lo más limpios posibles, con el fin de que los gases de la combustión fluyan a través del laberinto que se forma y de esta manera dichos gases pierdan presión y no fluyan hasta el carter del motor, manteniendo la presión del motor.
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Sistema de lubricación del motor de combustión interna Un aceite de motor de mala calidad o con un paquete de aditivos detergentes-dispersantes inadecuado no mantendrá limpio el espacio entre anillos y ranuras del pistón dando lugar a pérdidas de potencia del motor, mayor consumo de combustible, desgaste prematuro de las diferentes partes del motor, elevando considerablemente los costos de mantenimiento.
PROCESO DE COMBUSTION DEL COMBUSTIBLE EN EL MOTOR Cuando la gasolina se quema en un motor se generan una gran cantidad de productos que se pueden catalogar como inofensivos, contaminantes y residuos carbonosos.
Inofensivos: -
-
Nitrógeno: es un gas inerte, que con las altas temperaturas en el motor, forma pequeñas cantidades de óxido de nitrógeno. Oxígeno: si su mezcla con el combustible es demasiado rica o pobre, no podrá oxidar todos los enlaces de hidrocarburos y será expulsado con el resto de los gases de escape. Dióxido de carbono: no resulta nocivo para los seres vivos y constituye una fuente de alimentación para las plantas verdes (fotosíntesis). Sin embargo, si su concentración en la atmósfera es alta puede producir variaciones climáticas a gran escala (efecto invernadero). Vapor de agua: se produce por la oxidación del hidrógeno. Hidrógeno.
Contaminantes: -
-
Monóxido de carbono: en concentraciones superiores al 0,3% por volumen y tiempos de exposición altos puede provocar en la sangre la transformación irreversible de la hemoglobina (molécula encargada de transportar el oxígeno desde los pulmones a las células del organismo), en carboxihemoglobina, incapaz de cumplir esa función. La falta de oxígeno en la combustión puede conllevar a la formación monóxido de carbono en lugar de dióxido de carbono. Benceno (hidrocarburos): es venenoso y provoca irritaciones de piel, ojos y conductos respiratorios; si la concentración es alta, provocará mareos, dolores de cabeza y náuseas. Oxido de nitrógeno: irritan la mucosa y en combinación con los hidrocarburos y la humedad del aire producen ácido nitroso, causante de la lluvia ácida. Plomo: está presente en algunas gasolinas en forma de tetra-etilo de plomo para elevar su índice de octano. Al inhalarse puede provocar la formación de coágulos o trombos en la sangre.
Residuos carbonosos -
Hollín: se concentra en las ranuras del pistón y los anillos impidiendo que realicen correctamente su trabajo. Carbón: se adhiere a la cabeza del pistón, generando puntos calientes causantes del pre-encendido del combustible en el cilindro. Gomas ácidas: se adhieren a los anillos, causando su pegamiento en las ranuras. Lacas: se adhieren a la falda del pistón, reduciendo la transferencia de calor entre el pistón y el cilindro, dando lugar a mayores temperaturas de operación.
FORMULACION DEL ACEITE AUTOMOTRIZ TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Los aceites SAE para lubricación de motores de combustión interna están constituidos por una base lubricante que puede ser mineral, sintética o vegetal y por un paquete de aditivos orgánicos y metálicos cuya función es la de proteger la base lubricante para que lubrique correctamente los diferentes mecanismos del motor sometidos a fricción. Los aceites SAE contienen aditivos mejoradores del índice de viscosidad, antioxidante, depresor del punto de fluidez, antidesgaste, detergentes, dispersantes y antiespumante. Todos los aditivos que contiene le aceite SAE para motores, son importantes y se requieren, pero los que los diferencian de los demás aceites son los detergentes-dispersantes, que son imprescindibles en estos aceites, ya que lavan los residuos carbonosos que se generan durante el proceso de combustión del combustible y los mantienen en suspensión en la base lubricante para que finalmente queden retenidos en el filtro de aceite. Estos aditivos actúan también como antioxidantes, mejorando la resistencia del aceite a las altas temperaturas de operación.
ESPECIFICACIONES DEL ACEITE PARA EL MOTOR DEL VEHICULO El aceite para la lubricación del motor a gasolina y Diesel debe cumplir con: -
Grado SAE (Sociedad de Ingenieros Automotrices). Nivel de calidad API (Instituto Americano del Petróleo).
Si el aceite no cumple con alguno de estos dos requerimientos, no se debe utilizar en la lubricación del motor, ya que su vida de servicio será muy inferior a la especifica da por el fabricante del motor.
Grado SAE (Society of Automotive Engineers) de los aceites para automotores El grado SAE de un aceite para lubricación de motores de combustión interna solo indica el comportamiento del aceite a determinadas temperaturas, no tiene nada que ver con su calidad, contenido de aditivos, funcionamiento o tipo de aplicación. Cada tipo de motor requiere una viscosidad específica. La viscosidad es la espesura o poca densidad de un fluido a una determinada temperatura. Los aceites de motor deben fluir libremente en condiciones frías y mantener su densidad o espesura en condiciones de altas temperaturas. Los aceites con baja viscosidad se caracterizan por fluir libremente mientras que aceites con viscosidad alta mantienen su espesura, por tanto fluyen lentamente. La SAE clasificó a los aceites según su viscosidad adoptando como temperatura de referencia 100ºC y unidad de medida el centistoke (cSt). Se dividió el rango total de viscosidades de los aceites en grupos arbitrarios designados por los siguientes números: 10, 20, 30, 40 y 50; originalmente existió un grado 60 que luego fue suprimido. Esta clasificación no tuvo en cuenta que un aceite SAE 20 en condiciones de baja temperatura aumentaba considerablemente su viscosidad no siendo apto para una operación correcta en climas fríos. Surgieron así los aceites de tipo W (winter: invierno) que cubrirían esta deficiencia. Se amplió entonces la clasificación incorporando los grados SAE 0W, 5W, 10W, 20W y 25W, a los ya existentes. El grado SAE clasifica los aceites para motores a gasolina y Diesel en monogrados (unígrados) y multigrados. Ver Tabla No11. -
Aceites SAE monogrados: Se caracterizan porque en la especificación SAE solo tienen un grado de viscosidad y la resistencia a fluir en el momento de la puesta en marcha del motor es alta. Su viscosidad es inestable con los cambios de la temperatura de operación del motor, lo cual conlleva a mayores niveles de TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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desgaste en los componentes del motor sometidos a fricción y a un mayor consumo de combustible. Se clasifican entre un SAE 0W y un SAE 50. El número que aparece después de la especificación SAE indi ca solamente que a medida que este número es más alto su viscosidad es mayor, y se selecciona de acuerdo con la temperatura ambiente donde funciona el vehículo. -
Aceites SAE multigrados: Se caracterizan porque en la especificación SAE tienen dos grados de viscosidad: el primero puede ser desde el 0W y el segundo hasta el 50, por ejemplo el SAE 0W50. Esta especificación quiere decir que en el momento de la puesta en marcha del motor el aceite se comportará como un aceite de baja viscosidad SAE 0W, garantizando que llegará rápidamente a todos los puntos a lubricar, principalmente al 1er anillo de compresión en el cilindro, y que cuando alcance la temperatura de operación se comportará como un aceite de mayor viscosidad SAE 50. La formulación de los aceites multígrados se logra mediante la incorporación a la base lubricante de unos aditivos conocidos como mejoradores del Indice de Viscosidad (IV).
Los aceites multígrados, en los países donde no hay estaciones aparentemente no se deben utilizar, porque en ningún momento se presentarán temperaturas por debajo de los 0ºC. No obstante debido a la mayor estabilidad de su viscosidad con respecto a los aceites SAE monogrados, su uso en los vehículos actuales permite obtener los siguientes beneficios: -
Reducción del desgaste adhesivo en las partes lubricadas del motor, en el momento de la puesta en marcha y a las altas temperaturas de operación. Reducción en el consumo de combustible hasta en un 5%. Mayor duración de la batería y del sistema de arranque del motor. Mayor contenido de aditivos detergentes-dispersantes, y por lo tanto mayor limpieza interna en los componentes del motor. Mayores frecuencias entre cambios de aceite.
Los aceites SAE monogrados aparentemente presentan mayor viscosidad que los multigrados, porque el usuario desprevenido, compara su viscosidad a la temperatura ambiente del lugar donde se encuentre, pero esto es incorrecto, ya que la comparación se debe hacer es a 100ºC que es la temperatura a la cual trabaja el aceite en el motor. Bajo estas condiciones de trabajo, los aceites multigrados tienen mayor viscosidad que los aceites monogrados y por lo tanto garantizan una mejor película lubricante. Los aceites SAE monogrados tienden a dejarse de fabricar a nivel mundial, para aplicación de lubricación de motores de combustión interna de 4 tiempos a gasolina y diesel. Solamente se utilizarán cuando por diseño del motor el fabricante lo recomiende, pero serán unos pocos casos especiales. Tabla No11 Aceites SAE monogrados y multigrados Monogrados
0W 5W 10W 15W 20W 25W 10 20
Multigrados
Viscosidad cinemática cSt/100ºC 3,8 3,8 4,1 5,6 5,6 9,3 2,3 hasta < 5,6 5,6 hasta < 9,3
Temperatura ambiente máxima de bombeo ºC - 40º hasta -10º - 35º hasta -10º - 30º hasta -10º - 25º hasta -10º - 20º hasta -10º - 15º hasta -10º
Temperatura ambiente máxima de trabajo ºC
- 10º hasta < 5º 5º hasta < 10º
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30 40 50
9,3 hasta < 12,5 12,5 hasta < 16,3 16,3 hasta < 21,9 2 hasta < 14 10 hasta < 14 14 hasta < 16 14 hasta < 16 16 hasta < 19
0W30 10W30 15W40 20W40 25W50
10º hasta < 25º 25º hasta < 38º 38º en adelante - 40º hasta 25º - 30º hasta 25º - 25º hasta 38º - 20º hasta 38º - 15º hasta > 38º
Notas: 1. Los aceites multigrados referenciados en esta tabla, son los que normalmente se utilizan en los países del trópico donde no hay estaciones. En este caso, el primer grado SAE con la letra W del aceite multigrado puede ser cualquiera, excepto que el fabricante del vehículo lo recomiende expresamente, y el segundo debe estar acorde con la temperatura máxima esperada en el verano. 2. En los países donde hay estaciones se utilizan una infinidad de combinaciones entre los grados que tiene la especificación W, de acuerdo con la temperatura más baja en invierno y los que no la tienen, según la temperatura más alta esperada en el verano. Por ejemplo, si en el invierno se espera que la temperatura sea máximo de – 34ºC se tendrá que utilizar un SAE 5W, y si en el verano es de + 28ºC será un SAE 40, por lo tanto el aceite multigrado a utilizar debe ser el SAE 5W40.
NIVEL DE CALIDAD API La API (Instituto Americano del Petróleo), tiene estandarizados los diferentes niveles de calidad de los aceites para lubricación de motores a gasolina y Diesel. Estas especificaciones de calidad son el complemento indispensable que debe acompañar a la viscosidad en el sistema SAE. Un aceite para servicio automotriz no quedará bien seleccionado si no se tiene en cuenta tanto el grado SAE como el nivel de calidad API. -
-
Cumplir con las normas API y ser certificado por el API son dos cosas muy distintas. Cuando la empresa, su planta y sus productos son certificados por el API la receta está registrada y el API puede comprar aleatoriamente muestras para analizar y verificar que las están formulando correctamente. Cuando dice que "cumple con el API" no tiene ninguna fiscalización. La especificación API depende de si el aceite es para motores a gasolina o Diesel, así se tiene que cuando la especificación API empieza por la letra S, el aceite es para lubricación de motores a gasolina y cuando empieza por la letra C es para motores Diesel. Cada una de estas letras va acompañada de una segunda letra ubicada a la derecha, la cual depende, en los motores a gasolina del año de fabricación del vehículo y en los motores Diesel, del tipo de motor. Ver Tabla No12. Tabla No12 Especificación API para los motores a gasolina y Diesel
Clasificación API SA
Motores a gasolina Características Obsoleto. Motores antes de 1950.
Clasificación API CA
Motores Diesel Características Obsoleta. Motores antes de 1950.
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SB SC SD SE SF SG SH SJ SL
Obsoleto. Motores entre 1950 y1960. Obsoleto. Motores entre 1961 y 1965. Obsoleto. Motores desde 1966 y 1970. Obsoleto. Motores desde 1971 y 1980. Obsoleto. Motores desde 1981 y 1987. Obsoleto. Motores desde 1988 y 1992. Obsoleto. Motores desde 1992 y 1996. Vigente. Motores entre 1997 y 2000. Vigente. Motores a partir del año 2001.
SM
Vigente. Motores a partir del año 2004, más amigable al ambiente. Vigente. Motores a partir del año 2009, con catalizadores de gases de última generación.
SN
CB CC CD CE CF/CF-2 CF-4 CG-4 CH-4 CI-4
Obsoleta. Motores entre 1950 y 1952. Obsoleta. Motores entre 1953 y 1954. Obsoleta. Motores entre 1955 y 1987. Obsoleta. Motores entre 1988 y 1992. Obsoleta. Motores entre 1993 y 1994. Obsoleta. Motores entre 1993 y 1994. Obsoleta. Motores desde 1994 y 1997. Vigente. Motores a partir del año 1998. Vigente. Menos consumo y formación de depósitos en el motor; mayor control del hollín.
Notas: 1. El número 2 en la especificación API indica que es un aceite para motores Diesel de 2 tiempos. 2. El número 4 en la especificación API indica que es un aceite para motores Diesel de 4 tiempos.
ASPECTOS IMPORTANTES A TENER EN CUENTA AL SELECCIONAR EL ACEITE PARA EL MOTOR -
Utilice el grado SAE que le recomienda el fabricante del vehículo, en caso contrario selecciónelo de acuerdo con la temperatura ambiente del lugar donde funciona el vehículo. Ver Tabla No11. Utilice el grado API que le recomienda el fabricante del vehículo, en caso contario selecciónelo de acuerdo con el año de fabricación del vehículo. Ver Tabla No12. Siempre utilice un aceite del mismo grado SAE y especificación API que el seleccionado. Si desea cambiar de marca de aceite, utilice el que sea equivalente al seleccionado inicialmente, de acuerdo con el grado SAE y API. Si no es factible conseguir el aceite de la especificación API requerida, debido al modelo de su vehículo, utilice la más próxima posible que se consiga comercialmente. Cambie el aceite del motor, por condición química y no por kilometraje u horas de trabajo. Siempre que cambie el aceite, cambie el filtro de aceite. Cambie el filtro de aire y de combustible, por cada tres cambios de aceite. Utilice filtros de aceite, de aire y de combustible de la mejor marca posibles. No utilice aceite SAE monogrados ni de especificaciones API obsoletas. Los aceites para motores a gasolina actuales, por ejemplo un aceite SAE 15W40, API SL, son aceites para frecuencias de cambio como mínimo de 8000 kilómetros de recorrido. Los aceites para motores Diesel actuales, por ejemplo un aceite SAE 15W40, API CH-4, son aceites para frecuencias de cambio como mínimo de 12.000 kilómetros de recorrido. No limpie el filtro de aire manualmente ni con aire, cámbielo por uno nuevo. No sobrepase el nivel de aceite requerido en el motor, ya que esto produce espuma en el aceite y da lugar a que el exceso se queme en la cámara de combustión. No mezcle aceites de diferentes marcas, aunque sean del mismo grado SAE y especificación API. De ser necesario espere el próximo cambio de aceite. Es factible agregarle modificadores de fricción al aceite, pero antes de hacerlo, es necesario que se asesore muy bien de un experto en lubricación, ya que de hacerlo de manera inadecuada puede averiar el motor. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Revise el nivel de aceite por lo menos una vez al mes. No ponga en marcha el vehículo inmediatamente prenda el motor. Esto da lugar a altos niveles de desgaste, principalmente en el cilindro y los anillos. Nunca lave internamente el motor con algún producto o método recomendado, esto propiciará altos niveles de desgaste en los componentes del motor. Los aceites actuales son altamente detergentes – dispersantes y mantiene limpios los diferentes componentes del motor. Si en un motor se ha venido utilizando un aceite SAE monogrado durante mucho tiempo, no es recomendable empezar a utilizar un aceite SAE multigrado, porque estos aceites son mucho más detergentes - dispersantes que los monogrados. En motores en muy estado mecánico, es mejor utilizar aceites SAE monogrados que aceites SAE multigrados, porque laven menos y los residuos de carbón que dejan ayudan a compresionar el motor.
ESPECIFICACION DEL ACEITE AUTOMOTRIZ El aceite automotriz debe cumplir con las siguientes especificaciones: -
Aceites para motores a gasolina: SAE multigrado y especificación API empezando por la letra S de acuerdo al modelo del vehículo. Por ejemplo un aceite SAE 15W40, API SM. Aceites para motores a Diesel: SAE multigrado y especificación API empezando por la letra C de acuerdo al modelo del vehículo. Por ejemplo un aceite SAE 15W40, API CH-4. Aceites para motores a gasolina y Diesel: SAE multigrado y especificación API empezando con las letras S y C, de acuerdo al modelo del vehículo. Por ejemplo un aceite 15W40, API SL/CI. Aceites para motores a Gas: SAE multigrado y especificación API empezando por la letra S de baja especificación. Por ejemplo un aceite SAE 15W40, API SE, y referenciado como aceite para motores a gas.
Engranajes automotrices En toda unidad automotor independientemente de la aplicación que s ele de, hay instalados sistemas de engranajes del más variado tipo, siendo los más importantes, los siguientes: -
Cajas sincronizadas. Transmisiones automáticas. Diferenciales axiales.
Formulación del aceite automotriz Los requerimientos mínimos de un aceite para sistemas de engranajes son los siguientes: -
Disminuir la fricción para controlar el contacto metal-metal entre los dientes de los engranajes y elementos rodantes y pistas de los rodamientos. Proteger los mecanismos lubricados de la corrosión. Evitar la formación de depósitos. Controlar la formación de espuma. No atacar los sellos y empaquetaduras. Modificar poco su viscosidad con la variación de la temperatura. Estabilidad a la oxidación y resistencia al envejecimiento.
Los aceites sistemas de engranajes automotrices se clasifican bajo el sistema SAE, pero contrario a los aceites SAE para lubricación del motor, no cuentan con aditivos detergentes - dispersantes, porque no los requieren, TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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pero es muy importante tener en cuenta que este tipo de aceites son muy diferentes a los de especificación industrial, que son similares en cuanto a que no tiene aditivos detergentes – dispersantes, pero el paquete de aditivos que poseen, protege los mecanismos de los sistemas automotrices de las condiciones más severas de operación que se presentan en este tipo de componentes con respecto a las transmisiones industriales. Los aceites SAE para engranajes automotrices contienen aditivos mejoradores del índice de viscosidad, antioxidante, depresor del punto de fluidez, antidesgaste, Extrema Presión y antiespumante.
ESPECIFICACIONES DEL ACEITE SAE PARA ENGRANAJES AUTOMOTRICES El aceite para engranajes automotrices debe cumplir con: -
Grado SAE (Sociedad de Ingenieros Automotrices). Nivel de calidad API (Instituto Americano del Petróleo).En algunos casos, como en el de las normas militares de USA, conocidas como MIL, fijan sus propias exigencias, pero que en la práctica son muy similares a las fijadas por API.
Si el aceite SAE no cumple con alguno de estos dos requerimientos, no se debe utilizar en la lubricación de engranajes automotrices, ya que su vida de servicio será muy inferior a la especifica da por el fabricante de este componente mecánico. Grado SAE (Society of Automotive Engineers) de los aceites para engranajes automotrices Los aceites SAE para engranajes automotrices, se clasifican en monogrados y multigrados y ha establecido la norma J306, para los aceites monogrados, que corresponde con la DIN 51512, y la SAE J306C para los aceites multígrados. El grado SAE, es un número empírico que no tiene una relación directa con alguna unidad de la viscosidad, sino que indica que a medida que este número es más alto, su viscosidad también lo es. Los aceites SAE con la letra W (Winter) son para invierno o bajas temperaturas y sin la letra W son para verano. Ver Tabla No13.
Tabla No13 Aceites SAE monogrados y multigrados para engranajes automotrices Monogrados
Multigrados
70W 75W 80W 85W 80 90 140 250 75W90
Viscosidad cinemática cSt/100ºC
4,1 hasta 4,4 4,1 hasta 4,4 7,0 hasta 9,4 11,0 hasta 13,0 8,6 hasta 11,3 13,5 hasta 24,0 24,0 hasta 41,0 41,0 hasta 60,0 14,5 hasta < 16,5
Temperatura ambiente máxima de bombeo ºC - 40º hasta -10º - 35º hasta -10º - 30º hasta -10º - 25º hasta -10º
Temperatura ambiente máxima de trabajo ºC
- 20º hasta -10º - 10º hasta 32º Mayor de 25º hasta 46º Mayor de 46º Desde - 42º hasta 32º
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80W90 85W90 80W140 85W140
15,0 hasta < 16,5 17,5 hasta < 18,3 25,0 hasta < 28,0 24,1 hasta < 26,0
Desde - 36º hasta 32º Desde - 20º hasta 32º Desde - 15º hasta 46º Desde - 10º hasta > 46º
Notas: 1. Los aceites multigrados referenciados en esta tabla, son los que normalmente se utilizan en los países del trópico donde no hay estaciones. En este caso, el primer grado SAE con la letra W del aceite multigrado puede ser cualquiera, excepto que el fabricante del vehículo lo recomiende expresamente, y el segundo debe estar acorde con la temperatura máxima esperada en el verano. 2. En los países donde hay estaciones se utilizan una infinidad de combinaciones entre los grados que tiene la especificación W, de acuerdo con la temperatura más baja en invierno y los que no la tienen, según la temperatura más alta esperada en el verano. Por ejemplo, si en el invierno se espera que la temperatura sea máximo de – 34ºC se tendrá que utilizar un SAE 80W, y si en el verano es de +28ºC será un SAE 90, por lo tanto el aceite multigrado a utilizar debe ser el SAE 80W90. 3. Si en la lubricación del motor se utiliza un aceite multigrado, también se debe utilizar en la lubricación de los engranajes.
NIVEL DE CALIDAD API La calidad API (Instituto Americano del Petróleo), de los aceites para engranajes automotrices depende del tipo y de su condición operacional, la cual puede ser hidrodinámica o EHL. La especificación API, se identifica con las letras GL (Gear Lubricant), y con un número que va del 1 al 6. Un aceite para engranajes automotrices no quedará bien seleccionado si no se tiene en cuenta tanto el grado SAE como el nivel de calidad API. Esta información aparece tanto en el catalogo del fabricante del aceite como en el envase. Algunos fabricantes de transmisiones automotrices, además de la especificación API exigen que los aceites cumplan con una determinada especificación de las fuerzas militares de USA, denominadas MIL-L. Otros fabricantes tienen sus propias especificaciones como: -
Caterpillar con sus normas TO-2 y TO-4. Mercedes Benz con sus normas DB 236.6. Volkswagen con la norma TL 52726. Ford con su norma ESP-M2C166-H. Allison con su norma C-4.
En la Tabla No14, se especifica la clasificación API de los aceites para engranajes automotrices. Tabla No14 Especificación API para los aceites de engranajes automotrices Clasificación API GL-1
Tipo de engranajes
Condiciones de operación
Características del aceite
Cilíndricos y cónicos Cargas ligeras y uniformes. No contienen aditivos de Extrema de dientes rectos y Presión (EP), ni modificadores de TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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GL-2
helicoidales. Tornillo sin corona.
GL-3
Cónicos.
Cargas moderadas.
GL-4
Todos los tipos de engranajes.
Condiciones severas de deslizamiento, carga y velocidad. Condiciones muy severas de presión, choque y deslizamiento. Condiciones extremadamente severas de presión, choque y deslizamiento.
GL-5 GL-6
fin
y
Cargas ligeras y uniformes.
fricción. Contienen aditivos antioxidantes, antiherrumbre, antiespumantes y depresores del punto de fluidez. Contienen aditivos antidesgaste y de untuosidad. Cumplen la norma MIL-L- 2105. Contenido medio de aditivos EP. Cumplen la norma MIL-L- 2105B. Alto contenido de aditivos EP. Alto contenido de aditivos EP, con modificadores de fricción.
ASPECTOS IMPORTANTES A TENER EN CUENTA AL SELECCIONAR EL ACEITE PARA LOS ENGRANAJES AUTOMOTRICES -
Utilice el grado SAE que le recomienda el fabricante del vehículo, en caso contrario selecciónelo de acuerdo con la temperatura ambiente del lugar donde funciona el vehículo. Ver Tabla No13. Utilice el grado API que le recomienda el fabricante del vehículo, en caso contrario selecciónelo de la Tabla No4. Siempre utilice un aceite del mismo grado SAE y especificación API que el seleccionado. Si desea cambiar de marca de aceite, utilice el que sea equivalente al seleccionado inicialmente, de acuerdo con el grado SAE y API. Cambie el aceite del motor, por condición química y no por kilometraje u horas de trabajo. No utilice aceite SAE monogrados ni de especificaciones API obsoletas. Los aceites para engranajes automotrices actuales, por ejemplo un aceite SAE 85W90, API GL-5, son aceites para frecuencias de cambio como mínimo de 40000 kilómetros de recorrido. No sobrepase el nivel de aceite en las transmisiones, ya que esto produce altas temperaturas, y espuma en el aceite y dando lugar a que la lubricación sea deficiente. No mezcle aceites de diferentes marcas, aunque sean del mismo grado SAE y especificación API. De ser necesario espere el próximo cambio de aceite. Es factible agregarle modificadores de fricción al aceite, pero antes de hacerlo, es necesario que se asesore muy bien de un experto en lubricación, ya que de hacerlo de manera inadecuada puede averiar la transmisión.
Lubricacion Del Motor De Combustión Interna Por Condición El motor del vehículo es el componente más importante y costoso, por lo que su cuidado es muy importante y se puede llevar a cabo mediante el análisis periódico del aceite en el laboratorio. El aceite del motor es un fluido que químicamente a medida que avanzan los kilómetros recorridos del vehículo se va degradando, cambiando su condición de basicidad a acidez, y va recogiendo información del estado mecánico del motor, ya que las partículas metálicas provenientes del desgaste del motor se van a acumulando en él. El análisis del estado del aceite SAE se debe hacer bajo las normas internacionales ASTM, las cuales tienen estandarizadas una serie de pruebas que permiten evaluar con mucha exactitud el estado del aceite y nivel de desgaste del motor. Las propiedades físico-químicas y nivel de desgaste de los componentes de un motor son: TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Viscosidad cSt/100°C: ASTM D445. Evalúa el espesor de la película lubricante. TBN (Número Básico Total), mgr KOH/gr. ac. us.: ASTM D664. Evalúa la capacidad detergente-dispersante del aceite y por lo tanto su habilidad para mantener lo más limpias posibles las diferentes partes del motor, en especial los anillos y las ranuras del pistón. Es la propiedad más sensible al cambio y la que más se afecta cuando los demás parámetros del aceite empiezan a salirse de los rangos establecidos. Punto de inflamación, °C, ASTM D92. Disminuye cuando hay problemas con el sistema de inyección de combustible al motor. Espectrofotometría de absorción atómica. Evalúa la cantidad metales presentes en el aceite provenientes del desgaste de las diferentes partes del motor.
Mediante la evaluación del TBN del aceite SAE es factible conocer el estado del aceite, su nivel de detergencia – dispersancia, su grado de oxidación o de descomposición química y su capacidad de mantener los pistones y anillos del motor, libres de gomas, lacas, hollín, y carbón, garantizando su correcto funcionamiento. El TBN del aceite SAE disminuye a medida que aumentan los kilómetros recorridos, hasta que llega a valor un mínimo permisible en el cual es necesario cambiar el aceite. En los motores a gasolina el valor mínimo permisible del TBN es el 35% de su valor original y para los motores Diesel del 50%. En los motores Diesel es más crítico debido a la mayor cantidad de hollín que genera el ACPM cuando se quema en el motor. Con la evaluación del TBN de un aceite SAE en servicio, se puede determinar la frecuencia de cambio del aceite de un vehículo particular, en el cual por razones económicas no se justificaría un análisis de laboratorio completo del aceite SAE. No obstante, si una vez que se define la frecuencia de cambio del aceite por el TBN, se presenta dentro de una frecuencia posterior una reducción prematura de su valor, es necesario llevar a cabo un análisis completo del aceite, para determinar las causas que están originado que el aceite se descomponga antes de tiempo y chequear adicionalmente el nivel de degaste de los diferentes componentes del motor.
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Capítulo 8. EL IMPACTO DEL DESGASTE EN LOS MECANISMOS LUBRICADOS
INTRODUCCION El desgaste, cualquiera que sea la forma como se presente es sinónimo de improductividad y se define como: “Pérdida de material entre dos superficies que se encuentran en movimiento relativo y que se manifiesta por su funcionamiento errático, siendo necesario en la mayoría de los casos sacar de servicio el equipo rotativo del cual hacen parte esencial, y cambiarle las piezas defectuosas”. Las causas del desgaste no siempre se pueden determinar, conllevando a que en muchos casos sea imposible determinarlas aún cuando el mecanismo se haya lubricado correctamente. El desgaste, cualquiera que sea su origen, finalmente conduce al contacto metal-metal entre las superficies del mecanismo que se encuentran en movimiento relativo y se define como el deterioro sufrido por ellas a causa de la intensidad de la interacción de sus rugosidades superficiales; este tipo de desgaste puede llegar a ser crítico haciendo que las piezas de una máquina pierdan sus tolerancias y el mecanismo funcione de una manera errática ó que fallen catastróficamente quedando inservibles y causando consecuentemente costosos daños y elevadas pérdidas en el sistema productivo de la empresa. En cualquier caso el desgaste de un mecanismo es indeseable pero es imposible evitarlo ya que aun cuando se controlen las causas que lo originan, no será factible evitar la fatiga del material ya que ésta es una característica intrínseca de dicho material y conducirá a que finalmente el mecanismo se tenga que reemplazar. Si se desea que las máquinas alcancen sus mayores índices de productividad es necesario lograr que los componentes que las constituyen se cambien por fatiga y no por alguno de los muchos tipos de desgaste que se pueden presentar durante su explotación.
TIPOS DE DESGASTE Las superficies de los mecanismos lubricados de una máquina se pueden desgastar por las siguientes causas: -
Tipo de lubricante utilizado y a su tiempo de servicio. Contaminantes presentes en el aceite cuyo origen puede ser de ellos mismos ó de fuentes externas. Fallas intempestivas del sistema de lubricación. Sobrecargas debidas a problemas mecánicos u operacionales. Selección incorrecta del equipo rotativo para el tipo de trabajo que va a desarrollar, a un mal diseño ó al empleo de materiales inadecuados para las condiciones de operacionales de la máquina.
Las superficies correctamente lubricadas también se desgastan cuando se consume ó se rompe la película límite en el caso de la lubricación límite y EHL y se conoce como desgaste adhesivo ó del desprendimiento de dicha película de las rugosidades de las superficies metálicas cuando se tienen condiciones de lubricación fluida; en este último caso el desgaste es leve y genera partículas metálicas del orden de 1 a 2 m y se denomina desgaste erosivo. Los tipos de desgaste más comunes en orden de importancia son: -
Adhesivo Erosivo TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Abrasivo Corrosivo Fatiga superficial Cavitación Corrientes eléctricas
Desgaste Adhesivo El desgaste adhesivo es el más crítico ya que en la mayoría de los casos da lugar a la falla catastrófica del mecanismo lubricado quedando inservible y causando altas pérdidas en el proceso productivo. Se presenta como resultado del contacto metal-metal entre las superficies del mecanismo lubricado debido al adelgazamiento de la película lubricante en el caso de lubricación fluida ya sea por la presencia de contaminantes en el aceite (agua, gases, combustibles, etc.) ó a un bajo nivel de aceite, baja viscosidad ó baja presión en el sistema de lubricación; un alto nivel de aceite, una alta viscosidad y una alta presión en el sistema de lubricación también pueden dar lugar al desgaste adhesivo debido a que el exceso de fricción fluida en el aceite incrementa la temperatura de operación, haciendo que las superficies metálicas sometidas a fricción se dilaten y rocen, rompiendo en un momento dado la película límite. En la lubricación EHL el desgaste adhesivo se debe al rompimiento de la película límite formada por el aditivo EP del lubricante utilizado. En el desgaste adhesivo las superficies metálicas de las rugosidades se sueldan al no estar interpuesto un elemento tribológico que las separe, como por ejemplo, un aceite ó una grasa en la lubricación fluida ó la película límite formada por los aditivos de Extrema Presión (EP) en la lubricación EHL; las crestas de las rugosidades aunque tengan la capacidad de deformarse elásticamente no lo pueden hacer debido a que están soldadas y al seguir actuando la carga transmitida por el mecanismo hace que se fracturen dando lugar al desprendimiento de partículas ó fragmentos metálicos de diferentes tamaños; la energía liberada incrementa la temperatura de operación haciendo que las superficies que se encuentran en contacto metal-metal se aproximen aún más conduciendo finalmente a que el mecanismo se agarrote y la máquina se detenga. Cuando una máquina arranca ó para el desgaste adhesivo, en los mecanismos lubricados es mínimo siempre y cuando la película limite se encuentre en óptimas condiciones, de lo contrario será crítico, si ésta es escasa como resultado de la falta ó del agotamiento de los aditivos antidesgaste en el lubricante, en el caso de la lubricación fluida ó de los aditivos Extrema Presión, en la lubricación EHL, ó ya sea porque se está utilizando un lubricante inadecuado ó porque su vida de servicio ha sobrepasado el tiempo máximo permisible. Este tipo de desgaste en la mayoría de los elementos lubricados no se puede eliminar completamente, pero si se puede reducir considerablemente mediante la utilización de lubricantes que tengan óptimas propiedades de película límite. Cuando la lubricación es fluida el lubricante debe contar con aditivos antidesgaste que trabajen en el proceso de arrancada y parada de la máquina y en lubricación EHL con aditivos de EP que pueden ser ácidos grasos, fósforo, azufre, cloro, bisulfuro de molibdeno, grafito, etc, dependiendo de la generación del aditivo de EP. La única manera de evitar el desgaste adhesivo en el momento de la puesta en marcha de los mecanismos de un equipo es cuando se utiliza la lubricación hidrostática, pero en la práctica sería imposible y antieconómico colocárselo a todas las máquinas. Si se eliminara el desgaste adhesivo en el momento de la puesta en marcha del equipo, la vida disponible (Vd) de los mecanismos que lo constituyen sería mucho mayor que la esperada (Ve). Desgaste Erosivo El desgaste erosivo es la pérdida lenta de material en las rugosidades de las dos superficies que se encuentran en movimiento relativo como resultado del impacto de partículas sólidas ó metálicas en suspensión en un aceite que fluye a alta presión de un tamaño mucho menor que el mínimo espesor de la película lubricante (h o). Las partículas aunque sean de menor tamaño al entrar en la zona de alta presión no siguen un movimiento lineal sino que se desordenan chocando con las rugosidades, es posible que cuando empiezan a chocar no causen TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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desgaste, pero si van fatigando las superficies hasta que finalmente dan lugar al desprendimiento de material; un desgaste erosivo lento siempre estará presente aunque el aceite circule a baja presión ya que ningún aceite es completamente limpio aún cuando cumpla con los estándares de limpieza de la Norma ISO 4406 de acuerdo con el tipo de mecanismo lubricado. El desgaste erosivo se puede presentar también, ya sea en lubricación fluida ó EHL, como resultado del empleo de un aceite de una viscosidad mayor que la requerida debido a que el exceso de capas en la película lubricante ”barren” la capa límite que se encuentra adherida a las superficies metálicas haciendo que dichas capas las desgasten por erosión. Cuando se tienen condiciones de flujo turbulento en la película lubricante se presenta el desgaste erosivo porque la película lubricante se mueve con respecto a las rugosidades, esto se puede presentar como resultado de la utilización de aceites con bajos Índices de Viscosidad que hacen que la viscosidad del aceite se reduzca considerablemente a la temperatura de operación del equipo, más cuando ésta es alta ó cuando se presentan elevados incrementos en la temperatura ambiente que hacen que las condiciones de flujo de la película lubricante cambien de laminar a turbulento como resultado del incremento en el Número Reynolds por encima de 2000.
Desgaste Abrasivo El desgaste abrasivo es consecuencia de la presencia de partículas sólidas ó metálicas de un tamaño igual ó mayor que el espesor mínimo de la película lubricante y de la misma dureza ó superior a la de las superficies metálicas del mecanismo lubricado; el desgaste es mayor en la superficie más blanda. Las partículas sólidas como el silicio dan lugar a un considerable desgaste abrasivo debido a la elevada dureza de este material. Cuando las partículas del mismo tamaño que el mínimo espesor de la película lubricante se encuentran entre las dos superficies “ruedan” removiendo la película límite y desprendiendo material de ambas superficies. Cuando son de mayor tamaño se fracturan dando lugar a partículas del mismo tamaño que el mínimo espesor de la película lubricante y de un tamaño menor que propician el desgaste erosivo de dichas superficies metálicas ó el abrasivo si la carga que actúa sobre el mecanismo se incrementa ó la viscosidad del aceite se reduce ya sea por contaminación con agua ó con aceites de menor viscosidad. También es factible que se incrusten partículas en una de las superficies y actúen como una herramienta de corte, removiendo material de la otra. El desgaste abrasivo en un mecanismo se puede controlar filtrando el aceite de tal manera que se mantenga dentro del código de limpieza recomendado por la norma ISO 4406 de acuerdo con el tipo de mecanismo lubricado; esto quiere decir que el número de partículas cuyo tamaño es mayor que el espesor mínimo de la película lubricante es menor ó igual que el especificado; no significando esto, ausencia de desgaste abrasivo en el mecanismo, sino que éste estará dentro de los valores máximos permisibles para alcanzar la vida proyectada por el fabricante. En la actualidad no es factible eliminar totalmente el desgaste abrasivo debido a la imposibilidad de contar con aceites completamente limpios.
Desgaste Corrosivo El desgaste corrosivo puede ser consecuencia del ataque químico de los ácidos débiles que se forman en el proceso de degradación normal del aceite, de la contaminación de éste con agua ó con ácidos del medio ambiente ó de los ácidos fuertes debidos a la descomposición del aceite cuando está sometido a altas temperaturas; en el primer caso el desgaste corrosivo es lento mientras que en el segundo es crítico siendo por lo tanto la situación que más se debe controlar; tanto los ácidos débiles como los fuertes dan lugar a la formación de ácido sulfúrico. El desgaste corrosivo se puede evitar si el aceite se cambia dentro de los intervalos recomendados, para lo cual si no se conoce, se le analiza al aceite la acidez mediante la prueba del Número Acido Total (TAN) ó Número de Neutralización (NN) según el método ASTM D664; este parámetro bajo ninguna circunstancia puede ser mayor que el máximo permisible de acuerdo con el tipo de mecanismo que esté lubricando el aceite. El desgaste corrosivo se manifiesta inicialmente por un color amarillento y luego rojizo de las superficies metálicas, seguido del desprendimiento de pequeñas partículas que cada vez aumentan su concentración hasta que finalmente causan el desgaste por erosión y por abrasión de las superficies sometidas TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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a fricción, por otro lado los pequeños cráteres que dejan las partículas que se desprenden al unirse forman grietas que pueden producir finalmente la rotura de la pieza. El desgaste corrosivo cuando se presenta en los materiales ferrosos por la acción del agua se conoce con el nombre de herrumbre y se analiza con la prueba de laboratorio ASTM D665 y en los materiales blancos como el Babbit con la prueba de corrosión en lámina de cobre, y se evalúa con la prueba ASTM D130. El desgaste corrosivo es muy frecuente en las coronas de bronce del reductor sinfín-corona cuando se utilizan en su lubricación aceites con aditivos de Extrema Presión del tipo fósforo, cloro o azufre y hay presencia de agua en el aceite. Es muy importante tener en cuenta que aunque el aceite se oxide, los inhibidores de la corrosión presentes en el aceite reducen la concentración de los ácidos disminuyendo la probabilidad de que se presente el desgaste corrosivo en las superficies metálicas. La probabilidad de que se presente el desgaste corrosivo en los motores de combustión interna es bastante alta debido a que durante el proceso de combustión se genera un buen número de productos gaseosos como el CO, CO2, H2O, óxidos de nitrógeno y de azufre, halógenos, etc., los cuales tienen un carácter muy ácido y en presencia de agua se pueden volver bastante corrosivos hacia los metales. Los motores Diesel son particularmente muy sensibles al desgaste corrosivo debido a la presencia de azufre en el combustible el cual durante el proceso de combustión reacciona con el agua que se forma produciendo ácido sulfúrico que ataca los anillos, pistones, paredes del cilindro y cojinetes de apoyo del cigüeñal; de manera similar en los componentes ferrosos de los motores a gasolina se puede presentar el desgaste corrosivo por herrumbre debido a los ácidos orgánicos y a los ácidos clorhídrico y bromhídrico procedentes de los haluros orgánicos (dicloruro y dibromuro de etileno) que se usan junto con el compuesto antidetonante para eliminar los residuos de plomo que quedan cuando se quema gasolina con plomo. Se ha podido comprobar que mientras las paredes del cilindro del motor a gasolina se mantengan por encima de los 180 ºF el desgaste corrosivo es despreciable, pero es significativo a medida que la temperatura va disminuyendo debido a la condensación de pequeñas gotitas de agua ácida; por lo tanto es recomendable que un motor a gasolina no se deje funcionando en vacío durante períodos de tiempo prolongados, aunque está situación es inevitable en circunstancias de pare y arranque como es el caso de las “horas pico” en las grandes ciudades. El desgaste corrosivo en los motores de combustión interna se controla con los aditivos detergentesdispersantes del aceite, tales como los fenatos y sulfónatos básicos. Si se considera el pH del aceite para controlar el desgaste corrosivo, éste no debe ser menor de 4,5 en los aceites para motores Diesel y de 6 en los de gasolina; sin embargo en la práctica de la lubricación automotriz no se utiliza la prueba del pH sino la prueba del Número Básico Total (TBN), según ASTM D664. Esta característica de los aceites automotores no debe ser inferior a los valores mínimos permisibles de acuerdo con el tipo de motor lubricado. Los aceites actuales para motores de combustión interna controlan muy bien los ácidos corrosivos que pueden afectar los componentes internos del motor debido a los altos niveles de calidad API que para los motores a gasolina es el SL y en los Diesel el CI. En los mecanismos que trabajan bajo cargas vibratorias continuas como es el caso de las zarandas se puede presentar un tipo de desgaste que se conoce como desgaste corrosivo por vibración que causa el desprendimiento de pequeñas partículas como resultado de la rotura de la película lubricante y de la presencia de humedad en el ambiente. Este puede ser el caso de los componentes de los telares textiles que trabajan bajo cargas vibratorias continuas y en ambientes donde es necesario mantener determinadas condiciones de humedad relativa. El desgaste corrosivo por vibración se puede reducir considerablemente ó evitar si se utilizan lubricantes con aditivos de Extrema Presión, siendo los más indicados el grafito ó el bisulfuro de molibdeno.
Desgaste por Fatiga Superficial El desgaste por fatiga superficial es el único tipo de desgaste que no se puede evitar y el cual finalmente hace que el componente lubricado se tenga que cambiar. Se presenta como resultado de los esfuerzos cíclicos de tensión y compresión que genera la carga al actuar en el punto donde se forma la película lubricante que en el TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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caso de la lubricación fluida hace que las crestas de las rugosidades traten de aplastarse sin tocarse dando lugar a un ciclo de compresión y de tensión que termina deformando plásticamente las rugosidades causando su rotura, iniciándose de esta manera el “ojo” de fatiga ó grieta incipiente que da lugar a un incremento localizado del esfuerzo, que cada vez se hace más crítico por la falta de área hasta que finalmente la velocidad de propagación es tan alta que ocasiona la fractura del componente. En el caso de la lubricación EHL, la fatiga de las rugosidades es más crítica, debido a que la deformación de las rugosidades que inicialmente es del tipo elástica termina por ser plástica causando la rotura de dichas rugosidades y por lo tanto el descascarillado de la superficie metálica y la propagación de grietas internas que finalmente ocasionan la falla del componente por rotura. Entre mayor sea la temperatura de operación del elemento lubricado, el desgaste por fatiga superficial es más acelerado debido a la modificación que sufre la curva esfuerzo-deformación del material que hace que el punto de fluencia se corra hacia la izquierda y que por lo tanto para la misma condición de carga, el mecanismo quede trabajando en la zona plástica y no en la elástica. La falla por fatiga superficial se presenta de manera típica después de millones de ciclos de deformación elástica y se acelera cuando se tienen temperaturas de operación por encima de los 50°C, por la aplicación de esfuerzos de tensión y compresión, que superan los del material del mecanismo, ó por la presencia de partículas sólidas ó metálicas de un tamaño igual al espesor de la película lubricante y que no se adhieren a ninguna de las superficies en movimiento; en este caso la partícula es atrapada instantáneamente entre las superficies y origina hendiduras en ella debido a que las superficies se deflectan a lado y lado de la partícula como consecuencia de la carga que soportan, iniciándose las grietas, las cuales se esparcen después de n ciclos de esfuerzos. El desgaste por fatiga superficial aparece más rápidamente en los elementos que están sometidos a movimiento de rodadura que por deslizamiento debido a los mayores esfuerzos que soportan, este es el caso de los rodamientos, flancos de los dientes de los engranajes a la altura del diámetro de paso, y las superficies de las levas, entre otros. El desgaste por fatiga superficial anormal, se presenta con mayor intensidad en los rodamientos, cuando se tienen condiciones de lubricación Hidrodinámica y el factor de seguridad de la película lubricante , se encuentra en el rango de 1,00 < < 2,50. En este caso, la carga dinámica que actúa sobre el rodamiento se transmite con mayor intensidad a la superficie de fricción, debido a que hay un menor efecto amortiguador de la película lubricante, conllevando a que se empiecen a generar grietas microscópicas debajo de la superficie de fricción, las cuales se unen entre sí, se propagan y finalmente salen a la superficie de fricción dando lugar a lo que se conoce como “descascarillado” o “descostrado”, acelerando la falla catastrófica del rodamiento. El desgaste por fatiga superficial anormal, se debe a la disminución del espesor de la película lubricante, y las causas más comunes son: -
Contaminación del aceite con agua. Inestabilidad del Indice de Viscosidad del aceite. Cambio de aceite, por encima del nivel máximo permisible de oxidación (TAN > 1,00 mgrKOH/gr.ac.us. Uso de un aceite de grado ISO menor que el requerido. Uso de un aceite sin aditivos antidesgaste. Incremento en la temperatura de operación como resultado de: desalineamiento, desbalanceo mecánico, sobrecargas operacionales, falta de enfriamiento, ajuste demasiado forzado tanto en la pista interna o externa del rodamiento, holgura excesiva entre el aro exterior y el alojamiento o entre el aro interior y el eje.
Desgaste por Cavitación Es el fenómeno que se presenta cuando las burbujas de vapor de agua que se forman en el aceite, al circular éste a través de una región donde la presión es menor que su presión de vapor, “explotan” al llegar nuevamente a una región de mayor presión como resultado del cambio de estado de vapor a líquido. Si las burbujas TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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“explotan” cerca de las superficies metálicas darán lugar a presiones localizadas muy altas que ocasionarán picaduras en dichas superficies. La cavitación generalmente va acompañada de ruido y vibraciones. El desgaste por cavitación se puede evitar incrementando la presión en el sistema ó utilizando aceites con presiones de vapor bajas a altas temperaturas.
Desgaste por Corrientes eléctricas Se presenta por corrientes eléctricas, cuyo origen pueden ser corrientes parásitas u otras fuentes externas, que pasan a través de los mecanismos de un componente equipo lubricado y cuya toma a tierra está defectuosa ó no la tiene causando en ellos picaduras que los pueden dejar inservibles. Este puede ser el caso de los rodamientos de los motores eléctricos y de los cojinetes lisos de turbinas de vapor, gas, hidráulicas, generadores y compresores centrífugos.
CONSECUENCIAS DEL DESGASTE Los más importantes son: -
Movimiento errático de los mecanismos lubricados. Altos valores de vibración e incremento en los niveles de ruido. Elevadas temperaturas de operación. Mayor consumo de repuestos por incremento del mantenimiento correctivo. Reducción significativa de la producción por paros de maquinaria. Mayor consumo de energía para realizar la misma cantidad de trabajo útil.
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Capítulo 9. LA INFLUENCIA DE LA RUGOSIDAD EN EL DESGASTE DE LOS MECANISMOS
INTRODUCCION El tema de la rugosidad de las superficies sometidas a fricción corresponde al mundo de lo desconocido, ya que por lo regular el tamaño de las rugosidades de los mecanismos de las máquinas está por debajo de las 25 micras, dimensiones que el ojo humano, sin la ayuda del microscopio, nunca podría ver. Como a simple vista no se puede observar y evaluar la incidencia que tiene la rugosidad en el desgaste adhesivo, erosivo y abrasivo de los mecanismos lubricados, es muy poca la atención que se le presta al tema de la rugosidad y por lo tanto la vida de las mecanismos se ve considerablemente reducida cuando en la práctica se cambia el valor estándar de la rugosidad especificada por el fabricante para un determinado tipo de mecanismo. La rugosidad juega un papel decisivo en el nivel de desgaste que se puede presentar en los mecanismos lubricados, en el momento de la puesta en marcha, en la parada y cuando las condiciones de lubricación son del tipo EHL. Cuando un mecanismo se encuentra en reposo, las rugosidades de las dos superficies metálicas interactúan y las crestas más altas se introducen en los valles de las otras, dando lugar a que en la puesta en marcha, al desgastarse la película límite conformada por el aditivo antidesgaste ó Extrema Presión, el desgaste adhesivo sea más crítico entre más irregulares sean las rugosidades de las dos superficies. En la práctica dicho desgaste adhesivo depende del tamaño, forma y concentración de las crestas y valles de las rugosidades.
RUGOSIDAD Mediante los métodos convencionales disponibles hoy en día de cepillado, pulido, maquinado, etc, no es factible obtener una superficie completamente lisa, por lo que microscópicamente presentan una forma rugosa muy irregular constituida por valles y crestas. Las rugosidades de las superficies metálicas pueden tener la misma altura entre las crestas pero diferentes longitudes de onda ó viceversa; en superficies de mecanismos que han estado trabajando la altura de las crestas puede variar entre 0,05 micras y 50 micras y la longitud de onda entre 0,5 micras y 5 micras. La altura promedio de la rugosidad de una superficie metálica es el promedio de la altura de las crestas y valles que la constituyen y se identifica mediante el símbolo griego σ (sigma) y el promedio geométrico de las rugosidades de las dos superficies que se mueven la una con respecto a la otra se denomina σp (sigma promedio).
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La forma y altura de las crestas y la longitud de onda de las rugosidades de las superficies metálicas sometidas a fricción, juegan un papel decisivo en el consumo de energía en el momento de la puesta en marcha de un mecanismo, independientemente del tipo de lubricación bajo la cual vaya a trabajar; en la fatiga y en el desgaste adhesivo de dichas superficies; en el consumo de energía durante su funcionamiento normal en aquellos mecanismos que trabajan bajo condiciones de lubricación Elastohidrodinámica (EHL) y en el cálculo del espesor de la película lubricante (h o) en la lubricación fluida ya que entre más altas sean las crestas mayor será el espesor de dicha película lubricante, mayor la viscosidad y por lo tanto más alto será el consumo de energía por fricción fluida. La relación entre el espesor de la película lubricante y la rugosidad promedio se conoce con el nombre de factor de seguridad L (lambda) y se calcula a partir de: λ = ho/σp ,adimensional, Ecuación No1 Donde: λ: Factor de seguridad de la película lubricante, adimensional. ho: Espesor de la película lubricante, micras (µm). σp: Promedio geométrico de las rugosidades de las dos superficies en movimiento relativo, micras (µm). El σp se calcula de: σp = (σ1+ σ2 )1/2 ,µm, Ecuación No2 Donde: σ1 y σ2 es la rugosidad promedio de la superficie 1 y 2 respectivamente. En la práctica es necesario garantizar que cuando se fabrica el repuesto de una máquina, como por ejemplo un engranaje, un cojinete liso, etc, la rugosidad promedio σ 1 ó σ2 de la superficie de dicho mecanismo sea la misma que la del componente original ya que de lo contrario si es mayor y dependiendo de su magnitud, el coeficiente de seguridad λ disminuirá, hasta tal punto que puede cambiar las condiciones de lubricación y pasar por ejemplo de lubricación fluida a una mixta ó EHL sin que el lubricante tenga los aditivos EP adecuados para compensar esta nueva condición de lubricación ya que el tipo de aceite que el usuario le aplica al mecanismo es el mismo que se venía utilizando antes de que se llevara a cabo el mantenimiento correctivo y por lo tanto el ho es similar al del aceite originalmente utilizado.
TIPOS DE RUGOSIDADES En el mecanizado de las superficies sometidas a fricción se pueden obtener básicamente dos tipos de rugosidades, las cuales dependen del tipo de mecanismo, de las condiciones de lubricación (fluida ó EHL) y de las condiciones operacionales bajo las cuales va a estar sometido dicho mecanismo. Los dos tipos de rugosidades son: -
Agudas: Se caracterizan porque su forma es triangular y la altura de las crestas y longitud de onda es aproximadamente igual. Dentadas: Tienen la forma de dientes de engranajes y generan un menor consumo de energía en el momento de la puesta en marcha del mecanismo porque las crestas se entrelazan menos.
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INFLUENCIA DEL TAMAÑO DE LA RUGOSIDAD EN EL COEFICIENTE DE FRICCION SOLIDA Y EHL El coeficiente de fricción sólida y EHL aumenta con la altura de las rugosidades cuando se tienen condiciones de fricción sólida en el momento de la puesta en marcha de un mecanismo que va a funcionar bajo condiciones de lubricación fluida ó cuando es EHL (es necesario tener en cuenta que en este tipo de lubricación las rugosidades de las dos superficies permanentemente están interactuando). Cuando las rugosidades de las superficies del mecanismo interactúan, la mayoría de las crestas se entrelazan, en mayor ó menor proporción, haciendo que en el momento del contacto se presente una mayor área que desliza la una con respecto a la otra y una mayor deformación elástica entre las mismas, la fricción sólida que se presenta será mayor que en aquellas superficies donde las crestas interactúan menos y por lo tanto el consumo de energía por fricción sólida ó EHL también será menor. Ver Gráfico No8.
Gráfico No8 Grado ISO en función de la rugosidad de las superficies En la Tabla No15 se presentan los resultados de varios experimentos llevados a cabo por Burwell para condiciones de fricción sólida y EHL. Tabla No15 Coeficientes de fricción sólida en función de la altura de la rugosidad Tipo de rugosidad
Super acabado Vaciado Vaciado Vaciado Vaciado
Tamaño de la rugosidad Micras 0,050 0,175 0,500 0,750 1,650
Coeficiente de fricción sólida Tipo de lubricante Mineral puro Mineral + 2% de Acido oleico ácido oleico puro 0.128 0,116 0,099 0,189 0,170 0,163 0,360 0,249 0,195 0,372 0,271 0,222 0,378 0,230 0,238
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AHORRO DE ENERGIA POR MENOR FRICCION EHL El ahorro de energía por menos fricción en elementos de máquinas que trabajan bajo condiciones de lubricación fluida y EHL debe estar orientado teniendo en cuenta tanto la forma y altura promedio de la rugosidad de las superficies en movimiento relativo como del tipo de aditivo antidesgaste y de Extrema Presión que se van a utilizar. En la práctica es muy difícil evaluar el ahorro de energía por menos fricción sólida en elementos de máquinas rotativas que trabajan bajo condiciones de lubricación fluida, ya que el tiempo que permanece dicho elemento trabajando bajo condiciones de fricción sólida es muy pequeño y solo se presenta en el momento de la puesta en marcha ó cuando se detiene el mecanismo. Bajo estas condiciones es más significativo evaluar la cantidad de desgaste adhesivo que se puede presentar de acuerdo con el tipo de rugosidad y el aditivo utilizado que el consumo de energía por fricción sólida. Por lo tanto sólo es viable evaluar el consumo de energía por fricción en mecanismos que trabajan bajo condiciones de lubricación EHL. En elementos de máquinas que trabajan bajo condiciones de lubricación EHL, es factible reducir y cuantificar el consumo de energía por fricción teniendo en cuenta los siguientes aspectos: -
-
Forma y tamaño de las rugosidades: La forma más adecuada de las rugosidades de las superficies sometidas a fricción es la dentada, con los bordes ligeramente redondeados; de una altura promedio de las crestas de 5 micras y con una longitud de onda de 5 micras. La rugosidad se puede evaluar utilizando un rugosímetro ó un perfilómetro, el cual la reproduce exactamente. La rugosidad de las dos superficies debe ser la misma, de lo contrario la superficie más irregular termina deteriorando la otra, haciendo que se presente un elevado desprendimiento de partículas metálicas que dan lugar a su vez a desgaste erosivo y abrasivo. Este caso se pude asemejar a lo que ocurre cuando en una transmisión por engranajes desgastados solo se cambia el que esté más deteriorado. Coeficiente de fricción mixta: Dependiendo de la generación del aditivo de Extrema Presión que se esté utilizando, será el valor del coeficiente de fricción mixta de la película sólida que se adhiere a la rugosidad de las dos superficies sometidas a fricción. El mejor desempeño lo dan los aditivos EP de 3ra generación, los cuales además de garantizar los menores coeficientes de fricción posibles, alrededor de 0,021 garantizan que con el tiempo las rugosidades dentadas van adquiriendo un perfil redondeado, el cual ayuda, tanto a reducir el consumo de energía por fricción, como el desgaste adhesivo que se presenta en el momento en que la película sólida del aditivo EP se rompe y vuelve a reaccionar con las superficies metálicas.
LA INFLUENCIA DE LA RUGOSIDAD EN LA FILTRACION DEL ACEITE Entre más irregulares sean las superficies de los mecanismos que trabajan bajo condiciones de lubricación EHL, más desprendimiento de partículas metálicas se presentaran y mayores serán los niveles de desgaste erosivo y abrasivo en los mecanismos lubricados. Una rugosidad redondeada y del tamaño recomendado permitirá que no haya deslizamiento entre las crestas de las dos superficies sino rodadura minimizando el desgaste adhesivo. Sin embargo si esto no se puede garantizar, es necesario en el desarrollo de los programas de filtración que se lleven a cabo en la empresa tener en cuenta los niveles de limpieza, de acuerdo con la Norma ISO 4406, con los cuales se deben trabajar los aceites en las máquinas que trabajan bajo condiciones EHL. Si en la práctica se conoce el valor de la rugosidad de las superficies de los mecanismos sometidos a fricción y está es del orden de las 5 micras, se puede trabajar el aceite con el nivel de limpieza recomendado por la Norma ISO 4406, si no, se debe trabajar el aceite con un código ISO menor que el especificado.
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CONCLUSIONES El tamaño y la forma de las rugosidades de las superficies metálicas es más importante de lo que aparentemente se cree. El consumo de energía por fricción y los niveles de desgaste en los mecanismos lubricados bajo condiciones de lubricación EHL pueden ser considerablemente menores si se logra garantizar que el tamaño promedio de las crestas no sea superior a las 5 micras, la longitud de onda de 5 micras y la topografía de las mismas ligeramente redondeada. En lubricación EHL la vida del mecanismo no solo depende de que se tengan presentes los factores que afectan su vida disponible (Vd), sino también que cuando se fabrique se puedan garantizar las características de la rugosidad original. El impacto de la rugosidad de los mecanismos lubricados, en los costos de mantenimiento pocas veces se tiene en cuenta, porque al ojo humano no es visible, solo si se utilizan técnicas como la ferrografía será posible cambiar los conceptos que se puedan tener con respecto a este importante tema de la rugosidad.
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Capítulo 10. ANALISIS DE LABORATORIO A ACEITES LUBRICANTES
INTRODUCCION Muchas empresas que han intentado implementar programas de mantenimiento predictivo basados en el análisis de laboratorio al aceite en servicio han desistido de él porque eran más los inconvenientes que se presentaban tratando de cumplir con los objetivos que los beneficios que obtenían a cambio. Estas dificultades en su mayor parte se presentan porque los resultados de los análisis no se entregan a tiempo, no se le analiza al aceite lo que se requiere para sacar conclusiones que conduzcan a la solución de problemas, los laboratorios o los fabricantes de aceites entregan los resultados sin recomendaciones, la veracidad de los resultados no es confiable, las frecuencias del monitoreo no corresponden a las requeridas para hallar tendencias, falta de capacitación del usuario en lubricación y en Tribología o no se presupuestan recursos económicos para efectuar análisis con laboratorios privados. Es muy importante que las compañías vinculadas con el sector productivo del país y que estén interesadas verdaderamente en reducir sus costos de mantenimiento, se involucren de una manera seria, decidida y con un alto nivel técnico en los programas de monitoreo de los aceites lubricantes; al principio surgirán dificultades como en todos aquellos programas que requieren tiempo, estudio y dedicación, pero estas fácilmente se podrán resolver con paciencia y mucho entusiasmo. Los análisis de laboratorio al aceite usado junto con el monitoreo de las vibraciones en los equipos rotatorios permitirá tener herramientas precisas que conduzcan a la solución global de problemas que pueden llegar a ser críticos. El análisis clásico de un aceite industrial (viscosidad, contenido de agua, número ácido total y contenido de metales en ppm) que se realice en forma aislada y sin ninguna periodicidad, no es suficiente para tomar decisiones acerca de si el equipo puede continuar en servicio o se debe parar para desarmarlo con el fin de cambiarle las partes que “posiblemente” estén averiadas. El monitoreo tomado de esta manera conducirá a que los costos de mantenimiento y de producción se aumenten considerablemente y que el personal de mantenimiento no tome los programas de análisis de aceites como una herramienta eficaz que le permita programar mantenimientos correctivos en los equipos. Los programas de análisis de aceites deben mejorar la calidad de las decisiones de mantenimiento, incrementando la integridad de las máquinas y reduciendo los costos de mantenimiento, de lo contrario no serán eficientes desde ningún punto de vista. Para lograr este objetivo es necesario saber que programas de monitoreo se le deben efectuar al aceite en servicio y cuando realizarlos. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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ANÁLISIS DEL ACEITE Los análisis de laboratorio a los aceites usados se deben llevar a cabo teniendo en cuenta una programación periódica de toma de muestras para su análisis y el re-análisis cuando sea necesario. Ningún programa de muestreo tendrá éxito, si un aceite que presenta algo anormal no se vuelve a analizar una o más veces dentro del intervalo normal del muestreo para investigar más a fondo las causas de un problema que se puede presentar a mediano ó a largo plazo en el equipo rotativo. Por ejemplo, este puede ser el caso del aceite de un sistema hidráulico que se analiza cada dos meses y que en el último análisis presentó un alto contenido de agua, pero que para llevar a cabo los correctivos necesarios se espera el próximo análisis de laboratorio. (Dentro de 2 meses). En este caso el re-análisis del aceite hidráulico permitirá predecir una posible falla e implementar los correctivos que sean necesarios para evitar que ésta se presente. Siempre se debe buscar, cualquiera que sea el problema, que el análisis periódico del aceite y el re-análisis sean el mejor seguro de vida que puedan garantizar la longevidad del equipo rotativo.
Objetivos del análisis de aceite El análisis de aceite que se le efectúe a un aceite que se encuentra en servicio debe tener los siguientes objetivos: -
Análisis de las características físico-químicas, según las normas ASTM, con el fin de detectar cómo están las propiedades del aceite, y definir si está oxidado de tal manera que se pueda dejar en servicio ó sea necesario cambiarlo. Análisis de contaminantes, tales como:
-
Contenido de agua: ASTM D95. Dilución por gases ó combustibles: ASTM D92 Contenido de partículas sólidas: ISO 4406. Análisis del nivel de desgaste de los mecanismos lubricados, mediante la espectrofotometría de emisión atómica y la ferrografía.
Pruebas de laboratorio Los análisis de laboratorio al aceite usado deben tener como objetivo evaluar la condición del aceite, monitorear su grado de contaminación y el nivel o la gravedad del desgaste que se está presentando en el equipo rotativo. Es muy importante tener cuidado de que la muestra de aceite que se tome del equipo si sea lo más representativa posible, que las botellas para muestreo estén completamente limpias y que el procedimiento empleado para tomar la muestra de aceite si sea el correcto. Las diferentes pruebas de laboratorio a realizar dependen del tipo de aceite (industrial ó automotriz) y del equipo en el cual está trabajando. El análisis de las propiedades físico-químicas del aceite usado se llevan a cabo mediante los métodos establecidos por las normas ASTM y el análisis del desgaste utilizando la espectrofotometría por emisión atómica, el conteo de partículas y la ferrografía.
ANALISIS A LAS CARACTERÍSTICAS FISICO-QUIMICAS DEL ACEITE
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El éxito de un análisis Físico-Químico al aceite usado depende en un alto porcentaje en conocer exactamente cuáles son las pruebas que se le deben efectuar, ya que mientras, por ejemplo, la prueba de demulsibilidad para un aceite para turbinas de vapor es importante, no así para un aceite de tipo automotor con aditivos detergentes-dispersantes. En la Tabla No16 se especifican las diferentes pruebas de laboratorio según las normas ASTM que se le deben efectuar a los aceites usados de acuerdo con el tipo de servicio. Tabla No16 Pruebas de laboratorio al aceite en servicio de acuerdo con el tipo de mecanismo Mecanismo lubricado No Propiedad
Método
Aire
Compresores Refrig. Gases
ASTM 01 02 03 04 05 06 07 08
Gravedad Especifica Viscosidad Indice de Viscosidad Punto de Inflamación Carbón Conradson TAN ó NN TBN Insolubles PentanoBenceno Tensión Interfacial Dilución.por combustible Demulsibilidad Formación de Espuma Agua y Sedimentos Corrosión al cobre Herrumbre Contenido de cenizas Rigidez dieléctrica Contenido de azufre Contenido de cloro
09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Contenido de metales
D287 D88 D567 D92 D-189 D-664 D-664 D-893 D-971 D-322 D-1401 D-892 D-95 D-130 D-665 D-482 D-1816 D-1266 D-808
Sistema
Motores
Hidraulc eléctric. H2S y bombas Isobutil, Propano
Físico-química
Turbinas Turbinas MCI de a gas Gasolina vapor y Diesel
(1) X (9)
(1) X (9)
(1) X (9) X
(1) X (9)
(1) X (9)
(1) X (9)
(1) X (9)
(2) X
X
X
X
X
X
X X (1)
(1)
(1)
(1)
(1)
(1)
(1)
(1) X X X (2) X (1)
Reduct. Engran. Automt. Transm. Automt (1) X (9)
Dieléctricos
(1) X (9)
(2) X
X
(1)
(1)
X
X X
(10) (3) (4) (5)
(10) (3) (4) (5)
(10) (3) (4) (5)
(3) (10) (3) (4) (5)
(10) (3) (4) (5)
X (10) (3) (4) (5)
(1) (10)
X X
(10)
(10) (3) (4) (5)
X (4) (5)
X X
X (6) (6)
Espectrofotometria de Emisión Atómica Calcio Bario Magnesio Hierro Cromo Aluminio Estaño Cobre Plata Plomo Vanadio Sodio Níquel Boro
X
X
X
X
X
X
X
(7)
(7)
(7)
(7)
(7)
X
X
X X X X X X X X (8) X X X X X
X
(7)
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X
Notas: (1) (2) (3) (4)
Opcional. Se hace para corroborar los resultados de otros análisis. Para temperaturas de operación por encima de los 80°C. Si el contenido de agua ocasional ó permanentemente es alto ( 0,50 vol.). Se analiza cuando el contenido de agua en el aceite es alto ( 0,5 vol.) y hay presencia de bronce, babbitt ó cobre (metales blandos) en el mecanismo lubricado. (5) Se analiza cuando el contenido de agua es alto ( 0,5% vol.) y hay presencia de materiales ferrosos en el mecanismo lubricado. Siempre que se analiza (3), se debe analizar (4) ó (5). (6) Si el aceite es del tipo Extrema Presión. (7) Si hay cobre, bronce ó babbitt en el mecanismo lubricado. (8) Si los cojinetes de apoyo del cigüeñal son de plata. (9) Se le hace solamente al aceite nuevo. (10) Se hace cuando persista la formación de grandes cantidades de espuma ó de burbujas de gran tamaño.
Los análisis de laboratorio son una valiosa herramienta en los programas de mantenimiento siempre y cuando los resultados se sepan interpretar. En la Tabla No17 se especifican los valores máximos y mínimos permisibles para las diferentes pruebas de laboratorio efectuadas bajo las normas ASTM. Tabla No17 Valores máximos ó mínimos permisibles para las diferentes pruebas de laboratorio 01. Gravedad específica, gr/cm Método ASTM D287
Características
Su valor en servicio no es fundamental para determinar el estado del aceite, pero sirve para comprobar otras características como la viscosidad, el contenido de insolubles en Pentano y el Número de Neutralización ó TAN.
Resultado del análisis Alta
3
Valor mínimo ó máximo permisible
Baja
02. Viscosidad cSt/40ºC y cSt/100ºC Método ASTM D88/D445 Permite evaluar el espesor de la película Alta 5% turbinas vapor, gas e hidráulicas. lubricante. 10% sistemas hidráulicos y circulatorios. 25% reductores y compresores. 25% fluidos térmicos. 40% en aceites automotores.
Igual Baja
03. Indice de Viscosidad, adimensional Método ASTM D567 En aceites para transmisiones automáticas Alto tipo ATF, es importante analizar esta
Causas posibles del estado del aceite Oxidado. Contaminación con otro aceite de mayor viscosidad. Diluido. Contaminado con agua. Contaminado con partículas sólidas. Contaminado con otros aceites de mayor viscosidad. Aceite en buen estado. Oxidado ó diluido en la misma proporción. Dilución gasolina/ACPM. Contaminación con aceite de menor viscosidad. Oxidación.
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propiedad porque permite evaluar la estabilidad de los aditivos mejoradores de IV.
Contaminación con aceite de un IV menor. Dilución por combustible. Aditivos de IV cizallados.
Bajo
04. Punto de Inflamación, ºC Método ASTM D92 Es importante en aceites de compresores que compriman gases con H2S, propano e isobutano.
Contaminado con otro
Alto
aceite de un PI mayor.
Bajo
180°C mínimo en fluidos térmicos y en aceites automotrices gasolina y diesel. 150°C en los demás tipos de aceite.
05. Residuos de Carbón Conradson, %peso Método ASTM D189/D524 Para altas temperaturas se debe evitar el uso Alto Hasta 0,1% por peso en los aceites de aceites derivados del petróleo con altos para cilindros de compresores. contenidos de Carbón Conradson. Para otros tipos de aceite hasta 0,5% por peso.
06. Número Acido Total, mgrKOH/gr.ac.us. Método ASTM D664 Indica el grado de oxidación del aceite usado. Alto Incremento de 0,7 en aceites con Sin embargo, no es definitivo en el cambio del aditivos de EP. aceite usado porque pueden haber ácidos Incremento de 0,3 en aceites sin presentes no corrosivos ó gases corrosivos aditivos de EP, turbinas de vapor, gas diluidos en el aceite que aún no atacan las e hidráulicas, compresores y superficies metálicas de los mecanismos transformadores. lubricados. Incremento de 0,5 en sistemas hidráulicos 07. Número Básico Total, mgrKOH/gr.ac.us. Método ASTM D664 Es importante para evaluar la capacidad Bajo La mitad del valor original en aceites detergente-dispersante de los aceites automotrices Diesel con ACPM con automotores. más de 0,5% por peso de azufre. Hasta 1,0 en aceites automotrices a gasolina. 08. Insolubles en Pentano, %peso Método ASTM D893 0,005% turbinas vapor/hidráulicas/gas. 0,5% reductores de velocidad. 0,1% compresores aire y refrigeración. 1% transferencia de calor. 1,5% motores gasolina/Diesel. 0,5% motores a gas.
Dilución combustible. Contaminación H2S, propano, butano.
por con iso-
Temperaturas operación superiores a 80ºC. Sobre-lubricación en cilindros de compresores. Bases lubricantes de mala calidad.
Oxidado.
Disminución de reserva alcalina aceite automotor.
la del
Productos resultantes de la degradación del aceite. Metales procedentes del desgaste y de los aditivos de tipo metálico. Carbón formado por una combustión incompleta.
09. Productos de oxidación ó resinas, %peso
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0,7 % aceites automotrices gasolina. 1,0% aceites automotrices Diesel. 10. Tensión Interfacial, Dinasxcm Método ASTM D971 Evalúa la capacidad de separar el agua del 18 minutos aceites turbinas de vapor. aceite por centrifugación. 20 minutos aceites dieléctricos. 11. Factor de potencia Hz/ºC Método ASTM D924 0,3% máximo para aceites de Alta transformadores. 12. Dilución por combustible, %volumen Método ASTM D322 Permite analizar problemas de desgaste en los Alto 2% en aceites automotrices a anillos y camisas del motor. La presencia de gasolina. combustible en el aceite corrobora la - 5% en aceites automotrices Diesel. disminución de la viscosidad y del punto de inflamación del aceite.
13. Demulsibilidad, emulsión/tiempo Método ASTM D1401 Permite verificar el contenido de aditivos antiEl aceite tiene una buena demulsibilidad Alta emulsionantes que aún le quedan al aceite si se separa totalmente del agua en un industrial usado. minuto. El resultado se expresa como (40-40-0)1’; ó sea 40 cc de aceite, 40 cc de agua y 0 cc de emulsión. En turbinas industriales son permisibles hasta 3 cc ó ml de emulsión en 1 hora. 14. Estabilidad a la espuma, ml ó cc/min Método ASTM D892 En aceites de circulación es importante que 25% máximo de volumen en aceites Alta tengan baja tendencia a la formación de para turbinas industriales. espuma. Para otros tipos de aceites el fabricante lo especifica. 15. Agua y sedimentos, %volumen Método ASTM D95/96 Se debe drenar periódicamente el agua del Alto 0,2% para cualquier tipo de aceite. depósito de aceite. 0,005% para los de transformador. 0,0073% para los de refrigeración.
Se puede elevar por contaminación con H2S, pero se puede restituir a su valor original con proceso de diálisis.
Se debe efectuar cuando el aceite opera con altos contenidos de agua.
16. Corrosión, número/letra Método ASTM D130 Hasta 3a en mecanismos donde hay Alto cobre ó bronce (metales blancos).
17. Herrumbre, adimensional Método ASTM D665 Pasa No pasa
Carbón formado por una combustión incompleta.
Contaminación con agua. Oxidación del aceite.
Marcha en vacío a baja temperatura. Desgaste anillos/cilindros Mala carburación ó filtro de aire sucio. Ventilación deficiente.
Contaminación con excesiva cantidad de agua.
Bajo nivel de aceite. Entrada de aire en la succión de la bomba. Contaminación con agua. Condensación de agua. Sellos defectuosos. Falta tubo de ventilación. Oxidación del aceite. Contaminación con agua. Contaminación con H2S.
Materiales ferrosos en presencia de aceite contaminado con agua.
18. Contenido de Ceniza, % peso Método ASTM D482/874
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Se puede incrementar por partículas metálicas de desgaste ó contaminantes del medio ambiente.
0,1%
19. Punto de anilina,ºC/ºF Método ASTM D611 Permite determinar la composición de la base lubricante: parafínica, nafténica o aromática.
Alto 20. Estabilidad a la oxidación,Hr/TAN Método ASTM D943 Por debajo de 1000 horas para un TAN Baja de 2,0.
Importante en los fluidos dieléctricos.
21. Rigidez Dieléctrica, Kv Método ASTM D877/D1816 Mínimo 24 Kv en fluidos Baja transformadores y en aceites compresores de refrigeración.
para para
Base lubricante Inestable. Bajo contenido de aditivos anti-oxidantes..
Contaminación con agua.
De las pruebas más importantes, además de la viscosidad y del TAN (Número Acido Total), que se le deben efectuar al aceite usado es el contenido de humedad. El agua tiene un efecto devastador sobre el aceite y las piezas lubricadas porque da lugar a oxidación y corrosión respectivamente. En los aceites con aditivos antidesgaste a base de Ditiosfosfato de Zinc (ZDDP) reacciona con ellos y da lugar a la formación de ácido sulfúrico eliminando la película límite.
ANÁLISIS DE DESGASTE El desgaste es multifacético y no hay una manera exacta de definir este fenómeno altamente costoso para los departamentos de mantenimiento. Sin embargo se puede considerar como la pérdida de material que sufre un elemento, en este caso mecánico, que hace que su forma geométrica cambie y que su funcionamiento se vuelva errático y antifuncional. El análisis de la tendencia normal al desgaste de un mecanismo permite elaborar la curva tribológica para cada uno de los elementos metálicos que lo constituyen. Ver Gráfico No 9.
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Gráfico No9 Curva tribología de desgaste del pistón de un Motor de combustión interna Hay múltiples razones por las cuales en un mecanismo se puede presentar el desgaste ya sea adhesivo, abrasivo, corrosivo, erosivo, por cavitación, o por corrientes eléctricas. Cualquiera de ellos puede ser el resultado del acercamiento de dos superficies en movimiento relativo que trabajan bajo condiciones de película fluida o por la presencia de partículas sólidas en una concentración por encima de la máxima permisible, ya sea en lubricación EHL o fluida. Las técnicas más importantes para evaluar el desgaste en un mecanismo son:
- Espectrofotometría por emisión atómica Es la prueba básica de desgaste que se le realiza a los aceites usados y permite analizar periódicamente el contenido en ppm (partes por millón) de cada elemento metálico presente en la muestra reflejando la tendencia constante al desgaste de los elementos mecánicos que lubrica el aceite. La Espectrofotometría por emisión atómica se efectúa paralelamente con el análisis Físico-Químico del aceite usado. Dentro del intervalo de cambio del aceite se pueden llevar a cabo uno o más análisis; el número dependerá del tipo de máquina y de sus condiciones de operación. El contenido en ppm de los diferentes metales presentes en la muestra de aceite usado debe estar dentro de la tendencia constante al desgaste de ese elemento mecánico; si está por encima existe la “posibilidad” de que se esté presentando un problema en el mecanismo. Los principales inconvenientes que presenta la Espectrofotometría por emisión atómica para tomarla como herramienta única en la toma de decisiones sobre la criticidad del desgaste de un componente mecánico es que no permite evaluar las partículas mayores de 10 m, ni el número ni su forma. No es lo mismo tener 100 ppm de hierro de un tamaño de 20 m que de 2 m, o 100 partículas de un tamaño de 20 m que 5 partículas de 20 m. Por lo tanto cuando la tendencia constante al desgaste de un componente mecánico de un determinado metal se sale en forma continua y periódica (cada vez que se cumple la frecuencia de cambio del aceite) de su valor normal y tiene una tendencia ascendente (si es constante es posible que hayan variado las características del lubricante utilizado) es necesario recurrir inicialmente a la técnica del conteo y clasificación de las partículas y finalmente a la Ferrografía para verificar si el incremento de la tendencia normal al desgaste del mecanismo reviste alguna gravedad y es necesario en caso tal programar la parada del equipo y reemplazar el componente desgastado. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Durante la etapa productiva del mecanismo y si éste tiene una tendencia normal al desgaste no es necesario recurrir al conteo de las partículas ni a la ferrografia; en la etapa del envejecimiento moral si es necesario hacerlo para determinar exactamente en qué momento se debe parar el equipo y reemplazarle el componente desgastado. La tendencia constante normal al desgaste es típica para cada mecanismo y tipo de lubricante y se determina (cuando el fabricante del equipo no la especifica) con base en la duración del aceite que se está utilizando; puede ser diferente si se cambia el tipo de lubricante. La presencia de metales dentro de la tendencia constante es normal y tiene su origen en el desgaste que sufre la película límite cuando el mecanismo se pone en movimiento o se detiene y entran en contacto directo las superficies metálicas, o cuando en lubricación de película fluida hay variaciones del tipo de flujo, pasando de laminar a turbulento. Un buen lubricante se caracteriza porque da lugar a una tendencia constante al desgaste mínima. Cuando dentro de una frecuencia de cambio del aceite, éste se analiza varias veces, el contenido de cada metal es acumulativo llegando al valor de la tendencia constante cuando se cumple la frecuencia de cambio del aceite. Ver Gráfico No10. Tendencia Constante Normal
Tendencia Constante Normal y Constante Ascendente 50
50
45
45
40
40
35
35
Conenido de Cu ppm
Contenido de particulas ppm
55
30
25
30
25
20
20
15 15
10
10
5
5
0
0 0
1 CA AL AL CA: Cambio de aceite AL: Analisis de laboratorio
AL
AL
Años
AL
2 CA AL AL AL Contenido de Fe ¬ 50 ppm Contenido de Cu ¬ 25 ppm Contenido de Si ¬ 10 ppm
3 CA AL
0
1
AL
Desgaste normal
AL
CA AL
Desgaste anormal
2 Años
AL
AL
CA AL
3
AL
Tendencia constante normal Tendencia constante ascendente
AL
CA AL
Gráfico No10 (a) Tendencia constante normal al desgaste de Fe, Cu y Si en ppm de los componentes de una máquina. (b) tendencia constante ascendente en el contenido de Cu en ppm de un mecanismo. En ambos casos el aceite se cambia cada año y se analiza cada 4 meses.
- Conteo de Partículas Se lleva a cabo mediante la utilización de un Contador de Partículas (funciona con una base óptica láser) que permite una medición absoluta de las partículas de 2 m en adelante presentes en una muestra del aceite (no especifica el tipo de material). Estos equipos trabajan de acuerdo con las normas internacionales de filtración ISO 4406 y NAS 1638. La más utilizada es la ISO 4406, la cual permite clasificar las partículas en tamaños de 4 m, 6m y 14m. En la Tabla No3 se especifica la norma ISO 4406 y en la Tabla No18 la NAS 1638
Tabla No18 Normas internacionales de limpieza TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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según ISO 4406
Código ISO 24 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13
Número de partículas por 100 cc Hasta e Más de incluyendo 8´000.000 16´000.000 4´000.000 8´000.000 2´000.000 4´000.000 1´000.000 2´000.000 500.000 1´000.000 250.000 500.000 130.000 250.000 64.000 130.000 32.000 64.000 16.000 32.000 8.000 16.000 4.000 8.000
Código ISO 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1
Número de partículas por 100 cc Hasta e Más de incluyendo 2.000 4.000 1.000 2.000 500 1.000 250 500 130 250 64 130 32 64 16 32 8 16 4 8 2 4 1 2
La norma ISO se especifica con base en tres números que corresponden a los códigos estandarizados en la Tabla No18 y que indican, el primero, el número de partículas mayores ó iguales a 4m; el segundo a 6m y el último a 14m, presentes en 100 ml de una muestra del aceite evaluado. Por ejemplo un código ISO 20/17/13 indica que hay presentes en le aceite entre 500.000 y 1´000.000 de partículas mayores ó iguales a 4m; entre 64.000 y 130.000 a 6m y entre 4.000 y 8.000 a 14m. En la Tabla No20 se especifica el código ISO de limpieza que debe cumplir el aceite de acuerdo con el tipo de máquina donde esté trabajando. Tabla No19 Clases de pureza según NAS1638
Clase de pureza 00 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
> 5-15 125 250 500 1.000 2.000 4.000 8.000 16.000 32.000 64.000 128.000 256.000 512.000 1.024.000
Número máximo de partículas en 100 ml Tamaño de partículas en micras m > 15-25 > 25-50 > 50-100 22 4 1 44 8 2 89 16 3 178 32 6 356 63 11 712 126 22 1.425 253 45 2.850 506 90 5.700 1.012 100 11.400 2.025 360 22.800 4.050 720 45.600 8.100 1.440 91.200 16.200 2.880 182.400 32.400 5.760
>100 0 0 1 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1.024
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Tabla No20 Código ISO de limpieza de acuerdo con el tipo de máquina
No
01
02
03
03 04 05 06 07
08 09 10
Componente
Bombas
Mecanismo
Engranajes, paletas Pistones Variables de paletas, pistones Válvulas Control de presión y de flujo Solenoide, cheque, de prellenado De cartucho Servo-válvula CMX, HRC Actuadores Cilindros Motores de paletas Motores de pistones axiales, radiales Motores de engranajes De levas ondulantes Transmisiones Engranajes automotores Automáticas Reductores de Engranajes y rodamientos velocidad Rodamientos De bolas De rodillos Cojinetes lisos Lisos ó chumaceras Empuje Compresores De pistón Tornillo, paletas, axial, centrífugo Turbinas Hidráulicas Vapor , gas Motores Gasolina Diesel, gas Bombas De pistones Centrífugas
Sistemas hidráulicos Presión del sistema Psi Hasta 3.000 20/18/16 19/17/15 18/16/14 19/17/14 20/18/15
Más de 3.000
Condición de lubricación en mecanismos de equipos rotativos Fluida
EHL
19/18/16 17/16/14 19/18/16
18/17/15 16/15/13 18/17/15
17/16/14 18/17/15 18/17/15 17/16/14 18/17/15 17/16/14
16/15/13 17/16/14 17/16/14 16/15/13
19/17/15 18/16/14 17/15/13 18/16/13 19/17/14
18/16/13 16/14/11 18/16/13 20/18/15 20/18/15 19/17/14
17/15/12 15/13/10 17/15/12 19/17/14 18/16/13 17/15/12
21/19/17 18/16/14
19/17/14 16/14/12
17/16/14 16/15/13 18/17/15 17/16/14 18/17/15 17/16/14
Una vez que el análisis de desgaste por espectrofotometría por emisión atómica indique que hay un contenido de algún metal por fuera de su tendencia normal (existe la posibilidad de un problema de desgaste), se procede a efectuar el conteo de las partículas presentes en ese aceite. Si las de 4 y 6 m están por fuera del rango establecido para ese componente es un indicativo de que se está presentando desgaste erosivo y se deben analizar las causas que lo están generando (bajo Indice de Viscosidad del aceite, alta viscosidad o presencia de partículas sólidas), sin embargo este tipo de desgaste no es crítico pero se deben tomar las medidas correctivas necesarias (como la filtración del aceite) ya que de lo contrario a mediano o a largo plazo puede llegar a causar TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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la falla catastrófica del componente. Si las de 15 m en adelante están por fuera del código ISO es señal inequívoca de que un daño más grave se está presentando en el mecanismo y por consiguiente se debe recurrir a la ferrografía para tener un panorama analítico de mayor amplitud que permita tomar decisiones más acertadas. Es conveniente periódicamente, aún cuando el análisis de espectrofotometría de emisión atómica de dentro de la tendencia normal al desgaste, efectuarle al aceite un conteo de partículas, ya que si en este caso el código ISO del aceite da por fuera del establecido para ese componente es porque hay presencia de contaminantes (polvo, partículas sólidas, etc.) en el aceite y por consiguiente se debe filtrar. Cuando se utiliza el conteo de partículas (si no se va a utilizar la espectrofotometría de emisión atómica) para evaluar el desgaste periódico de un componente es necesario graficar el contenido de las partículas mayores o iguales a 4 m, 6 m y 14 m respectivamente y compararlos con el código ISO establecido para dicho componente. La curva más crítica depende del espesor mínimo de la película lubricante (h o). Las partículas de un tamaño igual o superior a h o y en una concentración por encima de la máxima permisible son las peligrosas, por lo tanto es necesario conocer el valor de h o, o en caso contrario calcularlo de acuerdo con el elemento que se esté lubricando (las recomendaciones de la tabla No.20 obvian este cálculo). Cuando el contenido de partículas se sale del código ISO establecido es necesario programar el cambio del filtro de aceite del sistema y/o proceder a filtrar el aceite hasta que quede bajo el código ISO recomendado. Ver Gráfico No11 Curva de Desgaste Normal
15 micrones
5 micrones
2 micrones
7 CA CP
8 CA CP
CP
CP
CA: Cambio de aceite CP: conteo de partículas
Años CP
CP
9 CA CP >15 micrones >5 micrones >2 micrones
10 CA CP
CP
CP
Cantidad de partículas por tamaño o código ISO
Cantidad de partículas por tamaño o código ISO
Curva de Desgaste Anormal
11 CA CP Desgaste normal
12 CA CP
CP
CP Desgaste anormal
13 CA
Años CP
CP
CP
14 CA CP
CP
CP
Curva de desgaste normal 5 micrones Curva de desgaste anormal 5 micrones
Gráfico No11 Curva de desgaste (a) periódico normal para un componente de acuerdo con el código ISO 4406 establecido. (b) Anormal, por ejemplo para las partículas de 14m.
- Ferrografía La ferrografía capta partículas metálicas en el rango de 0.1 a 500 m, con lo cual cubre no solamente el campo del desgaste anormal y traumático (10 a 100m), sino que opera también en el rango de la Espectrofotometría de emisión atómica. La Ferrografia permite clasificar las partículas metálicas en el rango de 10 m y > de 10 m; y por medio del microscopio y de patrones de reconocimiento, realiza un análisis de la forma y del tamaño de las partículas metálicas, determinando el tipo de desgaste. Una vez que se ha determinado por Espectrofotometría de emisión atómica que se tiene una tendencia al desgaste ascendente y que el código ISO de limpieza del aceite está por fuera de especificaciones, se procede a realizarle al aceite un análisis de Ferrografia para evaluar la gravedad del desgaste que se está presentando en el componente del equipo.
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Es recomendable continuar realizando durante un periodo de tiempo determinado, tanto el conteo de partículas como la ferrografia hasta que la situación se normalice, o se tome la decisión de parar el equipo rotativo para cambiarle el componente afectado. Si la tendencia de las partículas mayores de 10 m analizadas por ferrografia es constante y su forma es redondeada, hay un problema crítico de desgaste abrasivo y es necesario corregir las causas que lo están originando; si la tendencia es ascendente es necesario parar el equipo rotativo y cambiarle el componente afectado; esto también se debe llevar a cabo cuando la tendencia de las partículas mayores de 10 m sea constante pero si su forma es alargada ó puntiaguda.
ENVEJECIMIENTO MORAL DEL COMPONENTE MECANICO Se conoce como envejecimiento moral la etapa en la cual el elemento mecánico ya ha alcanzado la vida a la fatiga y en cualquier momento de ahí en adelante podría fallar intempestivamente. Para evitar que esto ocurra y se dañen otros elementos que estén en buen estado, es necesario utilizar simultáneamente la Espectrofotometría de emisión atómica, el conteo de las partículas y la ferrografia y hacer las evaluaciones respectivas siguiendo la metodología tratada anteriormente.
CONCLUSIONES Para tomar decisiones que conduzcan a la parada de un equipo con el fin de cambiarle determinadas piezas es necesario contar con suficiente información estadística basada en los análisis de desgaste por Espectrofotometría de emisión atómica, conteo de partículas y Ferrografia. Sin esta información se pueden correr grandes riesgos que pueden conducir al cambio a destiempo del componente o a su falla catastrófica con altos costos de mantenimiento. Adicionalmente, en cualquier caso, se deben correlacionar los resultados de los análisis de laboratorio efectuados a las propiedades Físico-Químicas del aceite usado y los del desgaste; solo así se podrá contar con una herramienta eficaz que le permitirá a los departamentos de mantenimiento tomar decisiones acertadas.
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Capítulo 11. PRUEBA DE 4 BOLAS Evaluación de la carga a la soldadura EP ASTM D2783/2596
INTRODUCCION La prueba de 4 bolas permite determinar la capacidad de carga en kgf de los aditivos Extrema Presión (EP), la carga de gripado y de soldadura, desgaste adhesivo, carga media de Hertz, y coeficiente de rozamiento.
DESARROLLO En este ensayo los elementos rozantes son 4 bolas de acero de 1,27 cm de diámetro, unidas en contacto puntual y formando un conjunto a manera de tetraedro equilátero. Las tres bolas inferiores se alojan en una pieza que tiene una cavidad cilíndrica en la cual quedan fijas y la bola superior se hace girar sobre ellas, sometida a distintas cargas. La cavidad cilíndrica inferior se llena con el aceite ó con la grasa que se quiere evaluar, a una temperatura entre 18,33° y 35°C (65° a 95°F). La velocidad de rotación de la bola superior es de 1.760 40 rpm. La carga se va incrementando cada 10 segundos, durante el número de veces que sean necesarias (corridas), hasta que se produzca la soldadura de las 4 bolas, y la carga a la cual ocurre esta situación se conoce como carga a la soldadura. La prueba también concluye, cuando el diámetro de la huella del desgaste en los tres puntos de fricción de las bolas sea igual ó mayor a 4 mm, y en este caso la carga a la soldadura es la que dio lugar a esta huella. La prueba de 4 bolas se puede llevar a cabo para aceites según el método ASTM D2783 y para grasas según el método ASTM D2596.
CARACTERISTICAS TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Esta prueba tiene las siguientes características: -
Punto de soldadura: es la carga en kgf a la cual las bolas sueldan entre sí. Carga de pasa: es la carga en kgf inmediatamente anterior a la carga a la cual se sueldan las bolas. Esta es la carga que se debe tener en cuenta como carga máxima de trabajo del aditivo EP. Indice de desgaste: es la relación entre la carga a la soldadura en kgf y el diámetro de la huella de desgaste en mm.
Para efectuar un menor número de corridas, durante la evaluación de la capacidad de carga EP de un lubricante es muy importante tener saber más ó menos cuál es su capacidad de carga en esta prueba, de lo contrario la se inicia con 200 kgf.
TIPOS DE ADITIVOS EXTREMA PRESION El tipo de aditivo EP (1ra, 2da ó 3ra) que debe tener el lubricante para una aplicación EHL, se puede correlacionar con la capacidad de carga de la película EP en la prueba de 4 bolas. Para ello se calcula inicialmente el parámetro de la condición EP que se presenta en el mecanismo lubricado, y este valor se compara con el rango de para cada generación de lubricantes EP, y dependiendo del rango en que quede el valor de calculado se selecciona la generación del aditivo EP que debe llevar el lubricante. Ver Tabla No21. Tabla No21 Tipo de aditivos de EP de acuerdo con el valor de Tipo de aditivo EP
01
Rodamientos
0,5 ≤ < 2,5
Valor de 2da 3ra generación generación EP3 EP2 0,1 ≤ < 0,5 0,05 < 0,1
02
Cojinetes lisos
0,5 ≤ < 2,0
0,1 ≤ < 0,5
0,05 < 0,1
< 0,05
03
Engranajes
0,5 ≤ < 1,5
0,1 ≤ < 0,5
0,05 < 0,1
No existe
No
Mecanismo
1ra generación EP1
Lubricación Hidrostática ó similar No existe
Una vez que se ha determinado cuál es el tipo de generación del aditivo EP que se debe utilizar, mediante el cálculo del factor de seguridad de la película lubricante, (), se verifica que el lubricante que se va a utilizar si tenga los aditivos EP correspondientes a la generación requerida, lo cual se hace determinando en la prueba de desgaste de 4 bolas según el método ASTM D2783, cuál es la capacidad de carga, en kgf, del aditivo EP que contiene el lubricante. Este dato se consulta en la ficha técnica del lubricante que aparece en el catálogo del fabricante del lubricante, ó en caso contrario es necesario obtener este dato mediante pruebas de laboratorio.
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La capacidad de carga del lubricante, según el método ASTM D2783, de acuerdo con la generación de aditivos EP se especifica en la Tabla No22. Tabla No22 Carga a la soldadura e índice de desgaste ASTM D2783 de acuerdo a la generación del aditivo EP del lubricante No
Generación aditivo EP Antidesgaste (AW) EP1 (1ra generación) EP2 (2da generación) EP3 (3ra generación)
01 02 03 04
Carga a la soldadura kgf ≥ 28 - < 150 ≥ 150 - < 350 ≥ 350 - < 750 ≥ 750 - < 1350
Indice de desgaste ≥ 7 - < 38 ≥ 38 - < 88 ≥ 88 - < 188 ≥ 188 - < 338
Notas: (1) La carga a la soldadura y el índice de desgaste de los aditivos EP se obtienen de la prueba ASTM D2783 para aceites y ASTM D2596 para grasas. (2) Si 0,050, no hay algún tipo de aditivo EP que sirva para estas condiciones de lubricación y por lo tanto es necesario rediseñar el mecanismo repartiendo la carga en más elementos de apoyo, ó utilizar la lubricación hidrostática, pero esta solo se puede implementar en el caso de cojinetes lisos.
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Capítulo 12. CODIGO COLORES PARA IDENTIFICACIÓN DE LOS LUBRICANTES
INTRODUCCIÓN Los lubricantes utilizados en los mecanismos de los componentes de los equipos rotativos se deben identificar de acuerdo con el código internacional de colores, que se ha establecido con este propósito, esto evitará confusiones en la aplicación de los mismos, garantizándose que el lubricante utilizado está de acuerdo con el que especifica el fabricante del equipo rotativo. Una vez que se establece el color con el cual se va a identificar el tipo de lubricante a utilizar, se define la forma geométrica que debe tener el rótulo metálico que se le va a pegar al mecanismo. El color del rótulo metálico, el de las letras y números que lleva, deben estar de acuerdo con lo especificado en la Tabla No23.
CARACTERISTICAS La codificación de los lubricantes debe ser conocida por todo el personal de mantenimiento y de operaciones, por lo que se recomienda colocar una pancarta metálica en diferentes sitios de la planta y en el cuarto de lubricantes, donde aparezca el nombre del aceite ó de la grasa y el color con el cual se está identificando. Junto a cada tambor de aceite y de grasa en el cuarto de lubricantes se debe colocar una pancarta (puede ser rectangular, de 40x20 cm), pintada con el color que identifica el tipo de lubricante, y marcada con la marca y nombre del aceite. Las aceiteras y pistolas engrasadoras, utilizadas para aplicar los lubricantes, se deben pintar de acuerdo con el código de colores, que identifica el tipo de lubricante que alojan. Así por ejemplo, si se tratará del aceite Spartan EP320, de la ExxonMobil, utilizado en la lubricación de varios reductores de velocidad que trabajan en una planta industrial, se tendría, de acuerdo con la Tabla No23, que los rótulos metálicos se deben pintar de color blanco, la palabra “ACEITE”, y el fondo donde se va a colocar la palabra “SPARTAN EP320”, de color rojo; y la palabra “SPARTAN EP320” de color blanco. La aceitera para aplicar este aceite, se pinta de color blanco, la palabra “ACEITE” y el fondo donde se va a colocar la palabra “SPARTAN EP320”, de color rojo; y la palabra “SPARTAN EP320” de color blanco. Una vez que se le asignan los colores a los lubricantes utilizados, se fabrican los rótulos metálicos y se pegan en un lugar visible de los mecanismos lubricados. Las aceiteras y pistolas engrasadoras, se deben pintar con el color que identifica el lubricante que alojan. Si se implementa el código de colores, en todos los mecanismos lubricados de las máquinas de una empresa, es prácticamente imposible que se le aplique, un aceite ó una grasa diferente a la especificada por los fabricantes de las máquinas.
CODIGO INTERNACIONAL DE COLORES En la Tabla No23, se especifica el color con el cual se deben identificar los lubricantes, de acuerdo con el tipo de componente lubricado, el color con el cual se debe pintar el rótulo metálico que se le pega al mecanismo lubricado, el color del nombre del aceite ó de la grasa, el color del fondo en el cual va el grado ISO, SAE ó NLGI del lubricante y el color con el cual se debe identificar dicho grado de viscosidad ó de consistencia.
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Tabla No23 Código Internacional de colores para Identificación de los lubricantes y de los rótulos metálicos
No
01 02 03 04 05 06
Aplicación
Turbina de vapor, gas, hidráulica. Compresor alternativo, centrífugo, de tornillo. Soplador de lóbulos, paletas. Ventiladores de calderas, hornos. Turbocompresor, turbogenerador. Motor eléctrico, bomba centrífuga, alternativa.
Color Rótulo Grado ISO, SAE ó NLGI Aceites minerales Amarillo Negro
Nombre del aceite ó de la grasa Negro
Rojo
Blanco
Blanco
Amarillo Amarillo Amarillo
Negro Negro Negro
Negro Negro Negro
Morado
Blanco
Blanco
07
Bomba dosificadora de químicos.
Verde oscuro
Blanco
Blanco
08
Reductor de velocidad, motorreductor.
Blanco
Rojo
Rojo
09 10 11
Incrementador de velocidad. Cadena de transmisión. Acople de piñones, cadena, rejilla.
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23
Blanco Rojo Azul claro Negro Azul claro Negro Verde Sistema hidráulico. Blanco oscuro Gobernador de velocidad. Azul Blanco oscuro Motor de combustión interna, caja, Azul Blanco diferencial. oscuro Transferencia de calor, dieléctricos. Negro Amarillo Grasas minerales Grasas multipropósito de complejo de Crema Negro litio. Grasas de jabón de sodio. Gris claro Rojo Grasas de jabón de calcio. Blanco Rojo Grasas para altas temperaturas. Gris claro Negro Aceites sintéticos Para cualquier tipo de mecanismo Vino tinto Blanco lubricado. Grasas sintéticas Grasas multipropósito. Morado Blanco Grasas para altas temperaturas. Rojo Blanco Lubricantes de película sólida Para cualquier tipo de mecanismo Café Amarillo lubricado.
Rojo Negro Negro Blanco Blanco Blanco Amarillo Negro Rojo Rojo Negro Blanco Blanco Blanco Amarillo
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Aceite usado 24
Para cualquier tipo de mecanismo lubricado.
Negro
Amarillo
Amarillo
ROTULOS METALICOS Una vez definido el color con el cual se debe identificar el lubricante con el cual se van a lubricar los mecanismos de los componentes de los equipos rotativos, se fabrican los rótulos metálicos que se le van a pegar a cada uno de dichos mecanismos. Los rótulos metálicos para identificación de los lubricantes tienen las siguientes características: -
Se fabrican en lámina de acero inoxidable, calibre 20. Si la lubricación de los mecanismos se lleva a cabo por frecuencias constantes (lubricación preventiva), la forma de la figura geométrica depende de la frecuencia de lubricación. Si la lubricación de los mecanismos se lleva a cabo por condición (lubricación predictiva), la forma geométrica es redonda y de 5 cm de diámetro; de lo contrario tendrán diferentes formas geométricas, ver Tabla No24. Van pintados de acuerdo con el código internacional de colores, especificado en la Tabla No23, que identifica el tipo de aceite ó de grasa, según el mecanismo lubricado, y deben llevar impresa la siguiente leyenda:
Si es un aceite: -
La palabra “ACEITE”. Nombre del aceite. Grado ISO ó SAE.
Si es una grasa: -
La palabra “GRASA”. Nombre de la grasa. Grado NLGI.
El lado de los cuadrados, la altura vertical de los triángulos, la dimensión a través de los planos de los hexágonos y los diámetros de los círculos y semicírculos debe ser de 25 mm 5 mm; donde no sea posible se recomienda una medida alternativa de 15 mm 5 mm. Para el primer caso el tamaño de las letras y números es de 5 mm. y para el segundo de 3 mm. El color del fondo, de las letras y números del rótulo metálico, se especifica en la Tabla No23.
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Tabla No24 Formas geométricas de acuerdo a la frecuencia de lubricación Símbolo
Frecuencia
Símbolo
Frecuencia
Cada turno
Mensual
Diario
Bimensual
Cada dos días
Trimestral
Dos veces a las semana
Semestral
Semanal
Anual
Quincenal
Predictivo
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Capítulo 13. FACTORES QUE AFECTAN LA VIDA DISPONIBLE DE LOS MECANISMOS LUBRICADOS En la práctica se habla de Vida Esperada (Ve) ó de TMEFR y no de Vida Disponible (Vd) ó TMEFS, ya que hay factores que la afectan y pueden reducirla considerablemente, por lo que es necesario controlarlos y reducir al máximo el impacto negativo que tienen sobre ella, de tal manera que se logre que la V e sea igual a la Vd. La Ve de los mecanismos lubricados de una máquina, se especifica de la siguiente manera en función de la V d y de los factores que en un momento dado la pueden afectar. Ve = Vd x fVib x fTop x fho x fTAN x fH2Ox fISO4406 Donde: -
Ve: Vida Esperada del mecanismo, horas. Vd: Vida Disponible del mecanismo, horas. La especifica el fabricante del mecanismo. fVib: Factor de vibraciones. fTop: Factor de la temperatura de operación. fho: Factor de la película lubricante. fTAN: Factor del Número Acido Total del aceite. fH2O: Factor del contenido de agua en el aceite. fISO4406: Factor de limpieza del aceite.
El valor de los factores modificadores de la Vd, como máximo debe ser de uno, excepto, el de fISO4406, que puede ser mayor de uno, alcanzándose con esto una V e mayor que la Vd especificada por el fabricante de los mecanismos lubricados, siempre y cuando los demás factores sean iguales a uno.
-
Factor de vibraciones (fVib): se define como la relación entre el valor de la vibración Normal (VN) especificado por el fabricante del mecanismo en el momento de diseñarlo y el valor de la vibración real (VR) que tenga en un momento dado el mecanismo. Si el valor de este factor es menor de uno, como resultado de un VR mayor que VN, la vida esperada será menor que la vida disponible especificada por el fabricante del mecanismo, en una proporción que dependerá de que tan alta sea la VR con respecto a la VN. En la TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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práctica, el valor del fVN/VR, puede ser considerablemente mayor que uno debido a sobrecargas, desbalanceos, desalineamientos, vibraciones, etc. -
Factor de la temperatura de operación (f Top): se define como la relación entre la temperatura de operación de diseño Topdiseño (especificada por el fabricante del mecanismo y que no debe ser mayor de 50°C, según las normas AGMA) y la temperatura de operación real de trabajo, T optrabajo. Este factor puede alcanzar valores muy bajos, cuando la T optrabajo está muy por encima de los 50°C. El estándar de la T opdiseño para un buen número de mecanismos es de 50°C, pero puede ser ligeramente mayor de acuerdo con los estándares especificados por los fabricantes para un determinado mecanismo en particular.
-
Factor de la película lubricante (f ho): se define como la relación entre la película lubricante de trabajo hotrabajo y la película de diseño hodiseño. La hotrabajo es la que presenta el aceite cuando se encuentra lubricando los mecanismos de la máquina y se calcula con el grado ISO del aceite que se está utilizando y el rango de la temperatura de operación real de trabajo, T optrabajo. El valor de la hotrabajo es muy susceptible de variar en la práctica y puede ser mayor ó menor que el de la hodiseño dependiendo de las variaciones en la Toptrabajo, la cual es afectada por los cambios que se puedan presentar en la temperatura ambiente (Toptrabajo = Ta + incremento de temperatura por fricción), o en las condiciones operacionales o mecánicas de le quipo rotativo.
-
Factor del Número Acido Total (fTAN): el TAN de un aceite determina su nivel de oxidación y su tendencia a corroer las superficies metálicas debido a los ácidos solubles e insolubles que tiene en suspensión. El fTAN se calcula de la relación entre el TANdiseño máximo permisible (para los aceites minerales es de 1,0 mgrKOH/gr.ac.us., y para los sintéticos de 3,0 mgrKOH/gr.ac.us, de acuerdo con la norma ASTM D-664) y el TANtrabajo, el cual se evalúa en el laboratorio en el momento de cambiar el aceite.
-
Factor del contenido de agua en el aceite (f H2O): la presencia de agua en el aceite da lugar al rompimiento de la película lubricante ho y por consiguiente al desgaste adhesivo en los mecanismos lubricados. En la práctica es imposible que un aceite trabaje completamente exento de agua, por lo que se permite, según la norma ASTM D-95, una cantidad máxima de 0,2% por volumen, independientemente del tipo de mecanismo que esté lubricando el aceite. El f H2O se calcula de la relación entre el contenido de agua máxima permisible en el aceite ó de diseño H 2Odiseño, que es de 0,2% por volumen, y la cantidad de agua real presente en el aceite H2Otrabajo la cual se evalúa tomando una muestra del aceite que se encuentra trabajando en el mecanismo lubricado y analizándola en el laboratorio.
-
Factor de limpieza del aceite (f ISO4406): este factor se calcula de la relación entre el nivel de limpieza recomendado ISO4406diseño para el aceite, y que lo especifica la norma ISO 4406 en función del mecanismo que se vaya a lubricar y el nivel de limpieza real del aceite que está trabajando en el mecanismo ISO4406trabajo el cual se evalúa tomando una muestra del aceite en servicio y haciéndole un conteo de partículas. El fISO4406 es el único factor que en la práctica puede ser mayor de uno. Cuando esto ocurre, el desgaste erosivo y abrasivo en los mecanismos lubricados es menor, y será tanto menor, cuanto más limpio esté trabajando el aceite en dichos mecanismos. Por el contrario, si el f ISO4406 es menor de uno, el desgaste erosivo y abrasivo en los mecanismos lubricados se intensificará y será mayor cuanto más contaminado esté el aceite en el mecanismo.
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Capítulo 14 . CONFIABILIDAD DE MAQUINAS
INTRODUCCION La confiabilidad de las máquinas está fundamentada en lograr que sus diferentes componentes logren la vida disponible especificada por el fabricante, para lo cual es necesario implementar programas de monitoreo objetivos y prácticos que conduzcan al análisis de las variables operacionales y por consiguiente a la solución de las causas que pueden conllevar a un desgaste acelerado ó a una falla catastrófica. Las tres técnicas básicas que permiten lograr altos índices de confiabilidad en máquinas, siempre y cuando las metodologías utilizadas para su uso y la interpretación de los resultados sean correctas, son: -
Análisis de la condición del lubricante, contaminación y nivel de desgaste de los componentes lubricados. Monitoreo de las vibraciones mecánicas. Monitoreo de la temperatura por termografía.
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OBJETIVOS Los objetivos de un programa sobre CONFIABILIDAD DE MAQUINAS (CM), son los siguientes: -
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Implementar la Ruta de Confiabilidad mediante el monitoreo de las variables operativas utilizando herramientas como las vibraciones en modo espectral, termografía y análisis de la condición del lubricante por pruebas ASTM. Interpretación correcta de los resultados obtenidos de la ejecución de las rutas de monitoreo Correlación de los valores obtenidos en vibraciones, termografía y análisis del lubricante de tal manera que se interrelacionen entre sí y se pueda hallar el estado mecánico real de la máquina. Lograr que las máquinas críticas y esenciales funcionen siempre dentro de las ventanas operativas. Elaborar un informe mensual sobre Confiabilidad y Disponibilidad de las máquinas especificando cuáles están trabajando bien, cuáles en falla y cuáles se deben reparar.
IDENTIFICACION DEL TIPO DE MAQUINA Antes de implementar un programa sobre CONFIABILIDAD DE MAQUINAS es muy importante definir claramente los diferentes tipos de máquinas que pueden estar involucradas en los diversos procesos industriales. Las máquinas se clasifican en: -
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Críticas: son máquinas que son únicas en un determinado proceso industrial, que paran toda una planta ó empresa, generan alto lucro cesante, impactan negativamente el ambiente, deterioran la imagen de la empresa ó atentan contra la seguridad de las personas. Esenciales: son máquinas respaldo de las críticas y también se conocen como máquinas stand-by. De propósito general: son importantes para el sistema productivo, pero su falla ó mantenimiento no tiene un impacto significativo en la productividad del proceso.
DESARROLLO DEL PROGRAMA Un programa sobre CONFIABILIDAD DE MAQUINAS (CM) se desarrolla teniendo en cuenta los siguientes aspectos: -
Seleccionar las máquinas críticas y esenciales de la empresa que estarían incluidas en el programa. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Recopilar y definir claramente la información técnica de las máquinas seleccionadas tales como, tipo de lubricante, rango de la temperatura de operación y nivel Normal, y Corte de las vibraciones en cada punto monitoreado. Establecer una frecuencia mensual para la toma de vibraciones, termografía y toma de muestra de aceite. Definir en cada máquina el punto de toma de muestra de aceite y colocar las facilidades necesarias para extraer la muestra correctamente. Garantizar que las máquinas incluidas en el programa cuentan con mirilla para chequear el nivel de aceite, tubo de venteo, válvula de drenaje y rótulo con la información del tipo de aceite que utiliza. Marcar en los cojinetes ó rodamientos de apoyo de los ejes de las máquinas, el punto donde se van a tomar las vibraciones y la termografía (horizontal, vertical y axial).
METODOLOGIA PARA LA ELABORACION DEL INFORME DE CONFIABILIDAD La siguiente es la metodología que se va a seguir para la elaboración del informe de CONFIABILIDAD DE MAQUINAS: -
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la Ruta de Confiabilidad se debe desarrollar teniendo en cuenta el siguiente orden: lubricación, termografía y vibraciones. El monitoreo de la condición de lubricación, termografía y vibraciones se debe ejecutar el mismo día y a la misma hora. En el monitoreo de la condición de lubricación se deben tener en cuenta el siguiente orden y aspectos: Abrir válvula de drenaje y evacuar el agua condensada ó por contaminación en el aceite. Si la degradación del aceite es evidente (color y olor) se toma la muestra de aceite y se cambia si el volumen de aceite es menor de 1 galón, de lo contrario se esperan los resultados de los análisis de laboratorio para llevar a cabo los correctivos que sean necesarios. Observar la mirilla y completar el nivel de aceite si es necesario. Chequear el estado del filtro de venteo. Tomar muestra de aceite siguiendo la metodología establecida para este propósito. Tomar termografía en los puntos marcados de la máquina. Tomar valores de vibración en los puntos marcados de la máquina en dirección horizontal, vertical y axial (son los mismos donde se tomó la termografía). Junto con el envío de las muestras de aceite se deben enviar los termogramas y los valores de vibración en gravedades y en mm/s (pulg/s) registrados en cada una de las máquinas y puntos monitoreados. A medida que se analiza la condición de lubricación, se toman las termografías y los valores de vibración, se deben corregir los problemas encontrados y que sea factible su solución de manera inmediata, de lo contrario, se reportan para generar la orden de trabajo respectiva y corregirlos en la fecha programada. Los aceites que químicamente estén en buen estado se filtran ó se dializan y no se cambian, para lo cual se utilizará un equipo portátil de filtración ó de diálisis. . En caso de que no sea factible filtrar ó dializar los aceites contaminados en la misma máquina, se cambian, se almacenan y posteriormente se someten al proceso de filtración y diálisis.
PRUEBAS DE LABORATORIO Las siguientes son las pruebas de laboratorio que se le efectuarían a los aceites de las máquinas incluidas en el programa: -
Viscosidad cSt/40ºC, ASTM D445. Viscosidad cSt/100ºC, ASTM D445. TAN (ó AN), mgrKOH/gr.ac.usado, ASTM D664. % Volumen de agua, ASTM D95. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Contaminación por partículas sólidas, ISO 4406. Desgaste por emisión atómica, contenido de metales en ppm, (Fe, Cu, Sn, Al, …etc).
ANALISIS DE RESULTADOS Con los valores de la viscosidad del aceite en cSt/40ºC y a 100ºC, obtenidos en el laboratorio, se elabora la curva del aceite en servicio, y con los valores de la temperatura de operación mínima y máxima a las cuales estaba trabajando el componente mecánico el día en que se analizó la condición de lubricación, se hallan los valores de la película lubricante en cSt y se comparan con respecto al rango de trabajo. Este procedimiento permite verificar si la viscosidad de trabajo ha cambiado, y analizar y solucionar en caso tal, las causas que han conllevado a que varíe. Con los datos obtenidos del análisis de desgaste por emisión atómica, se verifica si el nivel de desgaste está dentro de la tendencia normal al desgaste, en caso contrario, se comparan los resultados con los valores de temperatura y vibraciones obtenidos y se procede a corregir los problemas encontrados (intercambiador de calor obstruido, tubos rotos, desalineamiento, desbalanceo, resonancia, etc).
INFORME DE CONFIABILIDAD DE MAQUINAS Con base en los resultados obtenidos del análisis físico - químico del aceite según las pruebas ASTM y su nivel de contaminación según ISO 4406, el grado de desgaste de los mecanismos lubricados, evaluado por espectrofotometría de emisión atómica, la temperatura de operación evaluada por termografía y el nivel de las vibraciones en modo espectral, se determina el estado de las máquinas críticas y esenciales de la empresa, el cual puede ser: -
OPP: Equipo rotativo principal (código del equipo) operando en óptimas condiciones. OPS: Equipo rotativo Stand By (código del equipo) en óptimas condiciones. OFP: Equipo rotativo principal (código del equipo) operando en falla. OFS: Equipo rotativo Stand By (código del equipo) operando en falla. EFP: Equipo rotativo principal (código del equipo) en falla y no se puede operar. EFS: Equipo rotativo Stand By (código del equipo) en falla y no se puede operar. MTP: Equipo rotativo principal (código del equipo) en mantenimiento en el taller. MTS: Equipo rotativo Stand By (código del equipo) en mantenimiento en el taller. MPP: Equipo rotativo principal (código del equipo) en mantenimiento en la planta. MPS: Equipo rotativo Stand By (código del equipo) en mantenimiento en la planta. FS: Equipo rotativo (código del equipo) fuera de servicio, que aún está montado en la planta pero no se va a volver a utilizar.
Con el estado del equipo rotativo principal (crítico) y Stand By (esencial), se determinan los indicadores de Confiabilidad, de disponibilidad y el factor stand by de los equipos rotativos de una sección, planta ó de toda la empresa. El índicador de Confiabilidad de las máquinas se calcula de la ecuación: Indicador de Confiabilidad = (OPP + OPS) / Σ(OPP + OPS + OFP + OFS + EFP + EFS + MTP + MTS + MPP + MPS) El índicador de Disponibilidad de las máquinas se calcula de la ecuación: Indicador de Disponibilidad = (OPP + OPS + OFP + OFS) / Σ(OPP + OPS + OFP + OFS + EFP + EFS + MTP + MTS + MPP + MPS) TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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ALCANCES DEL PROGRAMA Los alcances del programa CONFIABILIDAD DE MAQUINAS (CM) incluye lo siguiente: -
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Análisis a las propiedades físico – químicas del aceite según las pruebas ASTM y su nivel de contaminación según ISO 4406, el grado de desgaste de los mecanismos lubricados, evaluado por espectrofotometría de emisión atómica. Elaboración del informe mensual de Confiabilidad y Disponibilidad de las máquinas. Reunión trimestral para evaluar los resultados de la Confiabilidad y Disponibilidad de las máquinas incluidas en el programa. Los análisis de laboratorio a los aceites se deben llevar acabo con una frecuencia entre uno y tres meses. Interrelación permanente con el grupo de trabajo de vibraciones y de termografía de la empresa, ó en su defecto con la empresa contratista que lleva a acabo estos programas.
BENEFICIOS La implementación del programa CONFIABILIDAD DE MAQUINAS (CM), permite obtener los siguientes beneficios: -
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Lubricar los componentes de las máquinas críticas y esenciales, por condición y no por frecuencias constantes, asegurando que permanentemente están bien lubricados. Asegurar en tiempo real y de manera inmediata que los componentes de las máquinas críticas y esenciales, que se encuentran en operación no tienen problemas de desgaste al conocer el nivel de contaminación del aceite y la cantidad de partículas metálicas, la temperatura de operación, la intensidad y el espectro de las vibraciones. Reducir los costos de lubricación por menor compra de aceites y menos mano de obra al cambiar los aceites en el momento preciso, ó al dializar ó filtrar los aceites contaminados que se encuentran trabajando en los componentes de las máquinas monitoreadas. Conocer el estado de la condición real (OP, OF, SB, SF, EF, MT, MP) de las máquinas críticos y esenciales en todo momento, permitiendo elaborar un informe mensual de confiabilidad y disponibilidad. Lograr que los componentes de las máquinas críticas y esenciales, alcancen la vida de diseño, y garantizar que en ningún momento se va a presentar una falla catastrófica en alguno de ellos. Retorno de la inversión en su totalidad y en muchos casos con un porcentaje apreciable en la reducción de compras de lubricantes, al filtrar y dializar los aceites contaminados. Los aceites que se filtran ó se dializan se certifican mediante pruebas de laboratorio ASTM efectuadas al aceite antes y después del proceso.
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Capítulo 15. RUTA DE TRIBOLOGIA Monitoreo de equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general
DEFINICION La RUTA DE TRIBOLOGIA consiste en hacer una inspección semanal ó quincenal (depende del tipo de proceso industrial) a todos los mecanismos de los equipos rotativos críticos, esenciales ó de propósito general, con el fin de conocer de manera inmediata por parte del personal de mantenimiento, lubricación ó de operaciones, el estado del aceite o de la grasa, el valor de la temperatura de operación y la intensidad de las vibraciones. Estos datos se correlacionan entre sí, y se evalúa el estado de la condición mecánica de cada uno de los mecanismos de las máquinas y con base en los resultados obtenidos se ejecutan los correctivos que sean necesarios en los equipos rotativos de propósito general y en los críticos y esenciales se procede a efectuarles o no, la Ruta de Confiabilidad, por fuera de la frecuencia con que esta se ejecuta.
CARACTERISTICAS La RUTA DE TRIBOLOGIA consiste en: -
Monitorear dentro de frecuencias cortas, los equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general, de una manera confiable, económica, y rápida. Reforzar la RUTA DE CONFIABILIDAD, que se le efectúa dentro de frecuencias largas a los equipos rotativos críticos y esenciales. Verificar el estado de la lubricación de los mecanismos de los equipos rotativos, de manera cualitativa, ya sea que se lubriquen con aceite ó con grasa. Tomar los valores de la temperatura de operación de dichos mecanismos. Verificar el nivel de vibraciones en valor global, pero sin evaluar espectros a una determinada frecuencia. Reprogramar la RUTA DE CONFIABILIDAD, a los equipos rotativos críticos y esenciales cuyo estado sea OF (Operando en Falla), por fuera de la frecuencia establecida para ejecutarla. Monitorear los equipos rotativos de propósito general cuyo estado sea reportado OF (Operando en Falla) por medio de la RUTA DE CONFIABILIDAD.
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HERRAMIENTAS Las herramientas de monitoreo que se utilizan ó su equivalente, son: -
Analizador de aceite portátil: evalúa cualitativamente el estado del aceite, determinando si es ó no necesario cambiarlo. El resultado del análisis del aceite se reporta como BUENO ó MALO. Probador de temperatura de luz infrarroja: permite tomar la temperatura de operación del mecanismo lubricado. Acelerómetro: evalúa cuantitativamente el nivel global de las vibraciones, mostrando su valor en mm/s (pulg/s) y aceleración. No analiza espectros y por lo tanto no da información sobre las causas que pueden estar ocasionando altos valores de vibración, en un momento dado, en un mecanismo. Software para el manejo de la información recopilada.
FRECUENCIA DE MONITOREO La frecuencia de ejecución de la RUTA DE TRIBOLOGIA, debe ser de una vez semanal ó quincenal.
METODOLOGIA La siguiente es la metodología utilizada para llevar a cabo la RUTA DE TRIBOLOGIA: -
Definir cuáles equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general se van a incluir en esta ruta de monitoreo. Establecer la frecuencia de monitoreo, la cual depende del proceso industrial. En general se lleva acabo una vez a la semana ó cada quince días. Definir en todos los mecanismos lubricados con aceite el punto de la muestra de aceite e implementarle las facilidades del caso, o como mínimo colocar en el drenaje una válvula con su respectivo tapón. Garantizar que los mecanismos lubricados con aceite de todos los equipos rotativos, incluidos en la ruta de monitoreo, cuentan con el sistema de venteo, indicador del nivel de aceite y están rotulados con el tipo de aceite o de grasa que utilizan. Ejecutar la Ruta de Tribología.
Toma de temperatura
Toma de vibraciones
Análisis del aceite
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DESARROLLO La RUTA DE TRIBOLOGIA, se desarrolla en los equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general siguiendo los siguientes pasos:
Paso No1 (a): Análisis de la condición del aceite A cada uno de los mecanismos lubricados con aceite de los equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general se les analiza de manera cualitativa su condición físico-química, mediante la utilización del “Analizador de aceite portátil”. Si el aceite analizado presenta una condición anormal se procede de la siguiente manera: -
Aceite de equipos rotativos críticos y esenciales: se le toma otra muestra de aceite y se envía al laboratorio para su análisis por pruebas ASTM. Se esperan resultados y se procede, según el caso. Aceite de equipos rotativos de propósito general: se cambia de manera inmediata y se almacena por tipos en el “Punto Ecológico” para su posterior recuperación o desecho.
Paso No1 (b): Análisis de la condición de la grasa En los rodamientos lubricados con grasa de los equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general se analiza la condición de lubricación mediante la utilización del acelerómetro. El análisis de la condición de la grasa se hace de manera cualitativa, para lo cual se coloca el censor del acelerómetro (analizador de vibraciones), en el punto de máxima carga del rodamiento (mayor fricción y por lo tanto mayor temperatura), si el valor de vibraciones está por encima del valor NORMAL, se procede de la siguiente manera: - Grasa de equipos rotativos críticos y esenciales: se re-engrasa el rodamiento de manera inmediata. - Grasa de equipos rotativos de propósito general: se re-engrasa el rodamiento de manera inmediata. Una vez que se re-lubrica el rodamiento se vuelve a chequear el valor de las vibraciones, si continua alto, el problema no es de lubricación, sino de refrigeración o de altas cargas, en este caso el equipo rotativo se reporta como OF, y se reprograma por vibraciones en la RUTA DE CONFIABILIDAD, se esperan los resultados y se procede.
Paso No2: Temperatura de operación La temperatura de operación del mecanismo se toma en el punto de máxima fricción (debe estar marcado en el mecanismo del equipo rotativo, de tal manera que siempre se chequee en el mismo punto), mediante la utilización del Probador de temperatura de luz infrarroja. El dato de la temperatura de operación tomada al mecanismo se registra y se compara con respecto al valor máximo permisible. Si éste está por encima del máximo permisible, se analizan causas y se corrigen, se remonitorea de nuevo la temperatura de operación y si el problema persiste, se reporta el equipo rotativo como OF, y se reprograma por termografía en la RUTA DE CONFIABILIDAD, se esperan los resultados y se procede.
Paso No3: Intensidad de las vibraciones Este monitoreo es cualitativo, y tiene como finalidad determinar cuáles mecanismos de los equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general están trabajando con valores de vibración superiores al valor Normal. En aquellos mecanismos que registren valores de vibraciones en la zona de alerta o corte, se analizan las TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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causas y se corrigen, se re-monitorean y si el problema persiste, se reporta el equipo rotativo como OF, y se reprograma para análisis de vibraciones en modo espectral, en la RUTA DE CONFIABILIDAD, se esperan resultados y se procede. Reprogramación de un equipo rotativo en la RUTA DE CONFIABILIDAD Cuando un equipo rotativo crítico, esencial o de propósito general, se reprograme en la RUTA DE CONFIABILIDAD, ésta se le debe ejecutar de manera inmediata, ya que de lo contrario se puede presentar la falla catastrófica del mecanismo.
REGISTRO DE LA INFORMACION La información recopilada durante la RUTA DE TRIBOLOGIA, se registra en un software, y luego se analiza y correlaciona, con el fin determinar el estado del equipo rotativo y re-monitorearlo según el caso.
INFORMES Y RECOMENDACIONES Una vez analizada la información de la RUTA DE TRIBOLOGIA, se elaboran los siguientes informes: -
Estado de los equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general, puede ser: - OP: Operando dentro de la ventana operativa. Es un equipo rotativo confiable. - OF: Operando en Falla. Es un equipo rotativo disponible, pero que si no se corrige la causa, entrará a falla. - EF: En Falla. Es un equipo rotativo que debe ir al taller a mantenimiento. - ET: En Taller. Debe ser intervenido por mantenimiento correctivo. - FS. Fuera de servicio, o sea es un equipo rotativo que no vuelve a operar.
-
Condición y comportamiento histórico del estado del aceite, de la temperatura de operación, y del nivel de vibraciones, de cada uno de los mecanismos de los equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito generales lubricados. Equipos rotativos de propósito general a los cuales se les cambió el aceite de manera inmediata, ó a los equipos rotativos críticos y esenciales, que se les tomó otra muestra de aceite y se envío al laboratorio para su análisis por fuera de la programación de la Ruta de Confiabilidad. Equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general, a los cuales se les reengrasó mecanismos lubricados con grasa. Equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general, a los que es necesario analizarles el aceite en el laboratorio, tomarle termografía o vibraciones de modo espectral por fuera de la Ruta de Confiabilidad. Equipos rotativos a los que se les deben hacer correctivos, tales como colocarles válvula de drenaje, venteo, indicador del nivel de aceite, implementarles sistema de enfriamiento de aceite, etc.
BENEFICIOS DEL PROGRAMA La ejecución de la RUTA DE TRIBOLOGIA permite obtener los siguientes beneficios: -
Asegurar en tiempo real y de manera inmediata, dentro de frecuencias de monitoreo cortas, que los mecanismos de los equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general que se encuentran en operación, trabajan correctamente (estado OP). TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Recopilar datos técnicos del funcionamiento mecánico de los mecanismos de los equipos rotativos con el fin de llevar a cabo correctivos para mejorar su confiabilidad. Reducir los costos de lubricación al recopilar y dializar los aceites que se le cambian a los equipos rotativos. Reducir los costos de mano de obra y por menor compra de lubricantes al no cambiar aceites ó re-engrasar rodamientos a destiempo sino cuando su estado realmente lo amerite. Complementa la RUTA DE CONFIABILIDAD, y asegura la confiabilidad de los equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general, dentro de frecuencias cortas de operación.
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Capítulo 16. RUTA DE CONFIABILIDAD Monitoreo de equipos rotativos Principales y stand by
INTRODUCCION La confiabilidad de las máquinas está fundamentada en lograr que sus diferentes componentes logren la vida disponible especificada por el fabricante, para lo cual es necesario implementar programas de monitoreo objetivos y prácticos que conduzcan al análisis de las variables operacionales y por consiguiente a la solución de las causas que pueden conllevar a un desgaste acelerado ó a una falla catastrófica. La RUTA DE CONFIABILIDAD es un programa que hace parte de los programas de confiabilidad que en la actualidad llevan a cabo las empresas con el fin de mantener actualizada la condición real de los equipos rotativos críticos y esenciales involucrados en los procesos industriales. La RUTA DE CONFIABILIDAD permite conocer los estado de las propiedades físico - químicas del aceite según las pruebas ASTM y su nivel de contaminación según ISO 4406, el grado de desgaste de los mecanismos lubricados, la temperatura de operación evaluada por termografía y el nivel de las vibraciones en modo espectral, los cuales correlacionándolos correctamente, permiten garantizar que los equipos rotativos críticos y esenciales están trabajando dentro de la confiabilidad (ventana operativa) esperada ó que por el contrario sea necesario planear su intervención ó hacerlo de manera inmediata. La frecuencia de monitoreo de la RUTA DE CONFIABILIDAD, puede estar comprendida entre una vez al mes y cada tres meses.
CARACTERIZACION DE EQUIPOS Los equipos rotativos de la empresa se pueden caracterizar como: -
Equipos rotativos principales tipo 1: son los equipos críticos de la empresa que pueden parar la empresa, generar alto lucro cesante, impactar negativamente el ambiente, afectar la seguridad de las personas o afectar la imagen de la empresa. Equipos rotativos stand by tipo 2: son los equipos críticos de la empresa que son auxiliares de los principales, se denominan también esenciales o de propósito general; pueden parar la empresa, generar alto lucro cesante, impactar negativamente el ambiente, afectar la seguridad de las personas o afectar la imagen de la empresa.
METODOLOGIA Para implementar la RUTA DE CONFIABILIDAD es necesario llevar a cabo los siguientes pasos: -
Seleccionar los equipos rotativos principales tipo 1 y stand by tipo 2, de la empresa. Recopilar la información técnica de los equipos rotativos seleccionados tales como, tipo de lubricante, temperatura de operación en ºC o ºF, y nivel Normal, y Corte de las vibraciones. Excluir los equipos rotativos críticos y esenciales seleccionados del programa preventivo de lubricación que esté desarrollando la empresa. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Establecer una frecuencia de monitoreo la cual dependerá del proceso industrial y de las condiciones de operación de los equipos rotativos; por lo regular esta frecuencia está comprendida entre 1 mes y 3 meses. La frecuencia de monitoreo puede ser diferente para los diferentes tipos de equipos rotativos. Diseñar las Rutas de Monitoreo de acuerdo con la distribución de los equipos rotativos en la planta. Determinar correctamente los puntos de muestreo del aceite y los puntos de toma de la temperatura y de las vibraciones. Rotular los equipos rotativos con el tipo de lubricante que utilizan. Ejecutar las rutas de monitoreo establecidas.
DESARROLLO La RUTA DE CONFIABILIDAD se lleva a cabo ejecutando las siguientes acciones: -
Toma de la muestra de aceite: En los equipos rotativos lubricados con aceite se toma una muestra del aceite en servicio, se rotula con los datos requeridos y se envía al laboratorio para su análisis físico químico según las pruebas ASTM y el nivel de contaminación según ISO 4406. De acuerdo con los resultados de los análisis de laboratorio, se procede a cambiar el aceite, filtrarlo ó a dializarlo. Si el aceite se cambia se debe almacenar por tipos en el Punto Ecológico, para su posterior análisis en el laboratorio, con el fin de filtrarlo, dializarlo o desecharlo.
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Temperatura de operación: Se le toma al mecanismo lubricado la temperatura de operación, en el punto de máxima fricción, mediante un equipo de termografía. Si la temperatura de operación está por encima del valor máximo permisible, se procede a corregir las causas que han generado este problema.
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Intensidad de las vibraciones: Se le toma a cada uno de los mecanismos lubricados del equipo rotativo, la intensidad de las vibraciones en dirección vertical, horizontal y axial, en velocidad, mm/s ó en pulg/s, y aceleración, G´s, mediante la utilización de un colector de datos, portátil, multi canal. En caso de que los valores de vibración estén por encima del valor Normal, se analiza el espectro frecuencial y se determinan y corrigen las causas que están generando los altos valores de vibración.
HERRAMIENTAS Las herramientas para llevar a cabo la RUTA DE CONFIABILIDAD son las siguientes: -
Laboratorio para análisis cuantitativo de las propiedades físico-químicas del aceite de acuerdo con las Pruebas ASTM. Contador de partículas para evaluar el contenido de partículas mayores ó iguales a 4, 6 y 14 micras, por cada 100 cc de aceite. Analizador de vibraciones para evaluar cuantitativamente el nivel de vibraciones de los mecanismos lubricados, y mediante el análisis de los espectros respectivos determinar el tipo de problema que se está presentando. Cámara termográfica, para la toma de termogramas a los componentes de las máquinas críticas y esenciales, hallando los puntos más calientes en el mecanismo lubricado. Software para hacer las programaciones de rutas de monitoreo, manejo de la información recopilada y análisis de tendencias.
INFORME DE CONFIABILIDAD Y DISPONIBILDAD DE MAQUINAS
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[email protected]; www.pedroalbarracinaguillon.com; Cel. 300-6546504; Medellín - Colombia
Con base en los resultados obtenidos del análisis físico - químico del aceite según las pruebas ASTM y su nivel de contaminación según ISO 4406, el grado de desgaste de los mecanismos lubricados, evaluado por espectrofotometría de emisión atómica, la temperatura de operación evaluada por termografía y el nivel de las vibraciones en modo espectral, se determina mensualmente el estado de las máquinas principales tipo 1 y stand by tipo 2, de la empresa, el cual puede ser: -
OP1: equipo rotativo principal tipo 1, operando en óptimas condiciones (dentro de la ventana operativa confiable). OP2: equipo rotativo stand-by tipo 2, parado pero que si entra en servicio, queda operando en óptimas condiciones (dentro de la ventana operativa confiable). OF1: equipo rotativo principal tipo 1, operando en falla (en la zona de disponibilidad). OF2: equipo rotativo stand-by tipo 2, parado pero que si entra en servicio, queda operando en falla (en la zona de disponibilidad). EF1: equipo rotativo principal tipo 1, en falla y no se debe operar (zona de falla catastrófica). EF2: equipo rotativo stand-by tipo 2, en falla y no se debe operar (zona de falla catastrófica). MT1: equipo rotativo principal tipo 1, en mantenimiento en el taller. MT2: equipo rotativo stand-by tipo 2, en mantenimiento en el taller. MP1: equipo rotativo principal tipo 1, en mantenimiento en la planta. MP2: equipo rotativo stand by tipo 2, en mantenimiento en la planta. FS1: equipo rotativo principal tipo 1, fuera de servicio y que nunca más va a operar. FS2: equipo rotativo stand by tipo 2, fuera de servicio y que nunca más va a operar.
Con el estado del equipo rotativo principal tipo 1 y stand by tipo 2, se determinan los indicadores de Confiabilidad, de disponibilidad y el factor stand by de los equipos rotativos de una sección, planta ó de toda la empresa. El indicador de Confiabilidad de las máquinas se calcula de la ecuación: Indicador de Confiabilidad = (OP1 + OP2) / Σ(OP1 + OP2 + OF1 + OF2 + EF1 + EF2 + MT1 + MT2 + MP1 + MP2 + FS1 + FS2) El índicador de Disponibilidad de las máquinas se calcula de la ecuación: Indicador de Disponibilidad = (OP1 + OP2 + OF1 + OF2) / Σ(OP1 + OP2 + OF1 + OF2 + EF1 + EF2 + MT1 + MT2 + MP1 + MP2 + FS1 + FS2) Otros informes que se elaboran con el desarrollo de la RUTA DE CONFIABILIDAD, son los siguientes: -
Equipos rotativos principales tipo 1 y stand by tipo 2, a los cuales se les debe cambiar el aceite. Equipos rotativos principales tipo 1 y stand by tipo 2, a los que es necesario dializarles ó filtrarles el aceite. Equipos rotativos principales tipo 1 y stand by tipo 2, que es necesario intervenir para corregirles algún tipo de problema mecánico u operacional que se les esté presentando.
BENEFICIOS PROGRAMA La ejecución de la RUTA DE CONFIABILIDAD permite obtener los siguientes beneficios: -
Tener la información real del estado de los componentes mecánicos para poder elaborar el informe de Confiabilidad y disponibilidad de Máquinas (OP, OF, SB, SF, EF, MT, MP). Garantizar que los mecanismos de los equipos rotativos trabajan sin problemas mecánicos u operacionales. Lograr que los componentes de los equipos rotativos críticos y esenciales, alcancen la vida de diseño, y garantizar que en ningún momento se va a presentar una falla catastrófica en alguno de ellos. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Cambiar el aceite ó re-engrasar los componentes de los equipos rotativos críticos y esenciales, por condición y no por frecuencias constantes, asegurando que permanentemente está en óptimas condiciones. Reducir los costos de lubricación por menor compra de lubricantes y mano de obra al lubricar los mecanismos en el momento preciso, ó al dializar y filtrar los aceites contaminados que se encuentran trabajando en los componentes de los equipos rotativos monitoreados. Asegurar en tiempo real y de manera inmediata que los componentes de los equipos rotativos críticos y esenciales, que se encuentran en operación no tienen problemas de desgaste anormales al conocer el nivel de contaminación del aceite y la cantidad de partículas metálicas, la temperatura de operación, la intensidad y el espectro de la vibraciones.
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Capítulo 17. FLUSHING QUIMICOHIDRAULICO Y FLUSHING HIDRAULICO EN TURBOMAQUINAS
FLUSHING QUIMICOHIDRAULICO O FLUSHING HIDRAULICO Se requiere llevar a cabo en sistemas de lubricación de máquinas, el Flushing químicohidráulico o el Flushing hidráulico cuando se presentan las siguientes situaciones: -
Flushing químicohidráulico: en sistemas de lubricación que llevan más de cinco años sin haber sido sometidos a un proceso de lavado químico con un producto desengrasante y un anticorrosivo. Flushing hidráulico: en sistemas de lubricación donde el código ISO 4406 no mejora a pesar de hacer el proceso de filtración con filtros nuevos y con el código ISO 4406 requerido.
OBJETIVO Llevar a cabo el FLUSHING QUIMICOHIDRAULICO o el FLUSHING HIDRAULICO con aceite nuevo o usado del mismo tipo que el utilizado en la lubricación de los componentes de la máquina, para limpiar, de acuerdo al código ISO 4406 recomendado por el fabricante, el sistema de lubricación de la máquina.
PROCEDIMIENTO PROCEDIMIENTO DEL FLUSHING QUIMICOHIDRAULICO El procedimiento del FLUSHING QUIMICOHIDRAULICO consiste en colocar platinas ciegas antes y después de los mecanismos lubricados de la máquina, montar mangueras a manera de by-pass, y circular, inicialmente un producto desengrasante y otro anticorrosivo, solubles en agua, y luego el aceite de limpieza, que puede ser el aceite usado de la máquina (dializándolo y filtrándolo previamente), o un aceite de limpieza nuevo, se circula, mediante un sistema externo de bombeo y de filtración, por el sistema de lubricación de la máquina, hasta lograr el nivel de limpieza requerido, en las tuberías de presión y de retorno de aceite. Finalmente se circula el aceite nuevo de lubricación de los componentes de la máquina, hasta que se garantice el código ISO 4406 de limpieza con que debe quedar el sistema de lubricación de la máquina. Los pasos que se llevan a cabo durante el FLUSHING QUIMICOHIDRAULICO, son los siguientes: -
Realizar una visita técnica a las instalaciones de la empresa para inspeccionar el sistema de lubricación a intervenir y diseñar el plan estratégico para el desarrollo del trabajo. Tomar una muestra del aceite usado en la máquina y analizarla en el laboratorio, bajo pruebas ASTM, con el fin de determinar si se puede dializar (desgasificar) y filtrar para utilizarlo como aceite de limpieza durante el proceso de flushing químicohidráulico. Sacar de servicio la máquina. Drenar la totalidad del aceite usado del depósito de la máquina. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Limpiar manualmente el depósito de aceite de la máquina con un producto desengrasante y anticorrosivo biodegradable soluble en agua. Limpiar las mirillas de aceite del depósito y del sistema circulatorio. Instalar platinas ciegas antes y después de las bombas del sistema de lubricación, de las carcasas de los filtros, de los enfriadores y de los componentes lubricados de la máquina. Instalar platina de orificio, antes del depósito de aceite de la máquina, para presurizar el sistema de presión y de descarga de aceite del sistema de circulación de aceite de la máquina. Instalar mangueras a manera de by-pass antes y después de los filtros, enfriadores de aceite y de los componentes lubricados. Se requiere que el sistema circulatorio cuente con uniones roscadas soldadas de 11/2” antes y después de los elementos especificados para poder instalar los sistemas de by-pass; en caso contrario se deben instalar o colocar platinas ciegas a las cuales se les ha soldado previamente la unión roscada. Retirar los elementos filtrantes del sistema de lubricación y limpiar las carcasas. Retirar y/o cambiar filtro de la succión de las bombas. Inspeccionar los enfriadores de aceite y limpiarlos, mediante la aplicación de un producto de limpieza biodegradable soluble en agua, utilizando una hidrolavadora de 4000 psi. Hacer prueba hidrostática a los enfriadores de aceite, y corregir fugas, por parte de la empresa, en caso de que sea necesario. Realizar flushing químico al circuito de tuberías de presión y de retorno de aceite desde y hacia la consola de aceite, durante 36 horas, con un producto desengrasante, mediante la utilización de un sistema de bombeo externo de 600 gpm con una batería de elementos filtrantes para retener los contaminantes que se desprendan de las tuberías presión y de retorno de aceite. Los filtros deben ser de 10 micras y contar con un β10 ≥ 100. β es la relación de filtración del filtro. Evacuar el producto desengrasante y aplicar aire a presión durante 24 horas. Limpiar de nuevo manualmente la consola o depósito de aceite del sistema de lubricación. Realizar flushing químico con un producto anticorrosivo soluble en agua, durante 36 horas, a todo el sistema circulatorio de la máquina, mediante la utilización de un sistema de bombeo externo de 600 gpm con una batería de elementos filtrantes para retener los contaminantes que se desprendan de las tuberías presión y de retorno de aceite. Los filtros deben ser de 10 micras y contar con un β10 ≥ 100. β es la relación de filtración del filtro. Evacuar el producto anticorrosivo y aplicar aire a presión durante 24 horas. Limpiar de nuevo manualmente la consola o depósito de aceite del sistema de lubricación. Circular durante 36 horas, como mínimo, el aceite de limpieza nuevo o usado (dializándolo y filtrándolo previamente), el cual tiene las mismas especificaciones que el aceite de lubricación de la máquina, mediante la utilización de un sistema de bombeo externo de 600 gpm con una batería de elementos filtrantes para retener los contaminantes que se desprendan de las tuberías presión y de retorno de aceite. Los filtros deben ser de 5 micras y contar con un β5 ≥ 100. β es la relación de filtración del filtro. Hacer conteo de partículas en sitio, para verificar el nivel de limpieza del aceite, el cual debe ser como mínimo de 18/17/16. Si aún no se ha obtenido este nivel de limpieza, se continúa circulando el aceite hasta que se obtenga. Durante el proceso de circulación del aceite de limpieza, se dializa o desgasifica y se filtra el aceite del depósito de la máquina mediante un equipo dializador de aceite. Los filtros deben ser de 5 micras y contar con un β5 ≥ 100. Β es la relación de filtración del filtro. Colocar mallas de inspección (gorro chino), como mínimo 3, en el sistema de presión de aceite a los componentes lubricados de la máquina. Circular de nuevo el aceite de limpieza, nuevo o usado (dializándolo y filtrándolo previamente), mediante la utilización del sistema de bombeo externo de 600 gpm con una batería de elementos filtrantes para retener los contaminantes que se desprendan de las tuberías presión y de retorno de aceite. Los filtros deben ser de 5 micras y contar con un β5 ≥ 100. β es la relación de filtración del filtro. Este proceso termina cuando las mallas de inspección (gorro chino) salgan limpias. Drenar el aceite de limpieza y aplicar aire a alta presión durante 24 horas. Limpiar de nuevo manualmente el depósito de aceite de la máquina con un producto de limpieza biodegradable soluble en agua. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Llenar el depósito de aceite de la máquina con aceite nuevo. Circular el aceite nuevo, mediante una bomba externa de 80 gpm, por el sistema de lubricación de la máquina y filtrarlo, hasta que las mallas de inspección (gorro chino) salgan limpias. Se utiliza una batería de elementos filtrantes para retener los contaminantes que se desprendan de las tuberías presión y de retorno de aceite. Los filtros deben ser de 5 micras y contar con un β5 ≥ 100. β es la relación de filtración del filtro. Quitar las mangueras del sistema de by-pass y platinas ciegas que se colocaron en los componentes lubricados de la máquina y circular de nuevo el aceite de lubricación, hasta que las mallas de inspección salgan limpias. Colocar elementos filtrantes nuevos en las carcasas del sistema de lubricación de la máquina. Con la máquina fuera de servicio, quitar las platinas ciegas y los sistemas de by-pass que se colocaron antes y después de las carcasas y los enfriadores de aceite de la máquina, y poner en circulación el aceite nuevo mediante el sistema de lubricación propio de la máquina, hasta que las mallas de inspección salgan limpias. Certificar que el aceite nuevo de lubricación de los componentes de la máquina quede con un código ISO 4406 de 17/16/14. Una vez que se obtenga este código se quitan las mallas de inspección (gorro chino). Colocar la máquina en operación y continuar con el proceso de diálisis (desgasificación o termovacío) y filtración del aceite del depósito de la máquina, por lo menos durante 72 horas más, y recertificar el nivel de limpieza final del aceite mediante conteo de partículas según ISO 4406, con un instrumento portátil y junto a la máquina. Este nivel de limpieza debe ser como mínimo de 17/16/14. Los filtros deben ser de 2 micras y contar con un β2 ≥ 100. β es la relación de filtración del filtro. Tomar muestra final del aceite del depósito de la máquina y hacerle las siguientes pruebas de laboratorio: Viscosidad, cSt/40°C, ASTM D88. Viscosidad, cSt/100°C, ASTM D88. TAN, mgr KOH/gr.ac.us., ASTM D664. Contenido de agua, % vol., ASTM D95. Nivel de limpieza, micras: ISO 4406. Contenido de partículas metálicas, ppm, espectrofotometría de absorción atómica. Realizar limpieza exterior de las tuberías de circulación de aceite, depósito de aceite y área de trabajo. Entregar informe final, que contenga la siguiente información: Reportes con la descripción día a día de los trabajos realizados. Reportes de los conteos de partículas realizados a pie de máquina. Reporte de las anomalías encontradas. Fotografías tomadas del sistema de by-pass con las mangueras, estado del depósito de aceite antes y después de la limpieza, estado de las mallas de inspección al empezar y al finalizar la circulación, tanto del aceite de limpieza como el de lubricación de los componentes de la máquina. Conclusiones. Recomendaciones.
PROCEDIMIENTO DEL FLUSHING HIDRAULICO El procedimiento del FLUSHING HIDRAULICO consiste en colocar platinas ciegas antes y después de los mecanismos lubricados de la máquina, montar mangueras a manera de by-pass, y circular un aceite de limpieza, que puede ser el aceite usado de la máquina (dializándolo y filtrándolo previamente), o un aceite de limpieza nuevo, mediante un sistema externo de bombeo y de filtración, por el sistema de lubricación de la máquina, hasta lograr el nivel de limpieza requerido, en las tuberías de presión y de retorno de aceite. Luego se circula el aceite nuevo de lubricación de los componentes de la máquina, hasta que se garantice el código ISO 4406 de limpieza con que debe quedar el sistema de lubricación de la máquina. Los pasos que se llevan a cabo durante el FLUSHING HIDRAULICO, son los siguientes: TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Realizar una visita técnica a las instalaciones de la empresa para inspeccionar el sistema de lubricación a intervenir y diseñar el plan estratégico para el desarrollo del trabajo. Tomar una muestra del aceite usado en la máquina y analizarla en el laboratorio, bajo pruebas ASTM, con el fin de determinar si se puede dializar (desgasificar) y filtrar para utilizarlo como aceite de limpieza durante el proceso de flushing químicohidráulico. Sacar de servicio la máquina. Drenar la totalidad del aceite usado del depósito de la máquina. Limpiar manualmente el depósito de aceite de la máquina con un producto desengrasante y anticorrosivo biodegradable soluble en agua. Limpiar las mirillas de aceite del depósito y del sistema circulatorio. Instalar platinas ciegas antes y después de las bombas del sistema de lubricación, de las carcasas de los filtros, de los enfriadores y de los componentes lubricados de la máquina. Instalar platina de orificio, antes del depósito de aceite de la máquina, para presurizar el sistema de presión y de descarga de aceite del sistema de circulación de aceite de la máquina. Instalar mangueras a manera de by-pass antes y después de los filtros, enfriadores de aceite y de los componentes lubricados. Se requiere que el sistema circulatorio cuente con uniones roscadas soldadas de 11/2” antes y después de los elementos especificados para poder instalar los sistemas de by-pass; en caso contrario se deben instalar o colocar platinas ciegas a las cuales se les ha soldado previamente la unión roscada. Retirar los elementos filtrantes del sistema de lubricación y limpiar las carcasas. Retirar y/o cambiar filtro de la succión de las bombas. Inspeccionar los enfriadores de aceite y limpiarlos, mediante la aplicación de un producto de limpieza biodegradable soluble en agua, utilizando una hidrolavadora de 4000 psi. Hacer prueba hidrostática a los enfriadores de aceite, y corregir fugas, por parte de la empresa, en caso de que sea necesario. Circular durante 36 horas, como mínimo, el aceite de limpieza nuevo o usado (dializándolo y filtrándolo previamente), el cual tiene las mismas especificaciones que el aceite de lubricación de la máquina, mediante la utilización de un sistema de bombeo externo de 600 gpm con una batería de elementos filtrantes para retener los contaminantes que se desprendan de las tuberías presión y de retorno de aceite. Los filtros deben ser de 5 micras y contar con un β 5 ≥ 100. β es la relación de filtración del filtro. Hacer conteo de partículas en sitio, para verificar el nivel de limpieza del aceite, el cual debe ser como mínimo de 18/17/16. Si aún no se ha obtenido este nivel de limpieza, se continúa circulando el aceite hasta que se obtenga. Durante el proceso de circulación del aceite de limpieza, se dializa o desgasifica y se filtra el aceite del depósito de la máquina mediante un equipo dializador de aceite. Los filtros deben ser de 5 micras y contar con un β5 ≥ 100. Β es la relación de filtración del filtro. Colocar mallas de inspección (gorro chino), como mínimo 3, en el sistema de presión de aceite a los componentes lubricados de la máquina. Circular de nuevo el aceite de limpieza nuevo o usado (dializándolo y filtrándolo previamente), mediante la utilización del sistema de bombeo externo de 600 gpm con una batería de elementos filtrantes para retener los contaminantes que se desprendan de las tuberías presión y de retorno de aceite. Los filtros deben ser de 5 micras y contar con un β5 ≥ 100. β es la relación de filtración del filtro. Este proceso termina cuando las mallas de inspección (gorro chino) salgan limpias. Drenar el aceite de limpieza y aplicar aire a alta presión durante 24 horas. Limpiar de nuevo manualmente el depósito de aceite de la máquina con un producto de limpieza biodegradable soluble en agua. Llenar el depósito de aceite de la máquina con aceite nuevo. Circular el aceite nuevo, mediante una bomba externa de 80 gpm, por el sistema de lubricación de la máquina y filtrarlo, hasta que las mallas de inspección (gorro chino) salgan limpias. Se utiliza una batería de elementos filtrantes para retener los contaminantes que se desprendan de las tuberías presión y de retorno de aceite. Los filtros deben ser de 5 micras y contar con un β5 ≥ 100. β es la relación de filtración del filtro. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Quitar las mangueras del sistema de by-pass y platinas ciegas que se colocaron en los componentes lubricados de la máquina y circular de nuevo el aceite de lubricación, hasta que las mallas de inspección salgan limpias. Colocar elementos filtrantes nuevos en las carcasas del sistema de lubricación de la máquina. Con la máquina fuera de servicio, quitar las platinas ciegas y los sistemas de by-pass que se colocaron antes y después de las carcasas y los enfriadores de aceite de la máquina, y poner en circulación el aceite nuevo mediante el sistema de lubricación propio de la máquina, hasta que las mallas de inspección salgan limpias. Certificar que el aceite nuevo de lubricación de los componentes de la máquina quede con un código ISO 4406 de 17/16/14. Una vez que se obtenga este código se quitan las mallas de inspección (gorro chino). Colocar la máquina en operación y continuar con el proceso de diálisis (desgasificación o termovacío) y filtración del aceite del depósito de la máquina, por lo menos durante 72 horas más, y recertificar el nivel de limpieza final del aceite mediante conteo de partículas según ISO 4406, con un instrumento portátil y junto a la máquina. Este nivel de limpieza debe ser como mínimo de 17/16/14. Los filtros deben ser de 2 micras y contar con un β2 ≥ 100. β es la relación de filtración del filtro. Tomar muestra final del aceite del depósito de la máquina y hacerle las siguientes pruebas de laboratorio: Viscosidad, cSt/40°C, ASTM D88. Viscosidad, cSt/100°C, ASTM D88. TAN, mgr KOH/gr.ac.us., ASTM D664. Contenido de agua, % vol., ASTM D95. Nivel de limpieza, micras: ISO 4406. Contenido de partículas metálicas, ppm, espectrofotometría de absorción atómica. Realizar limpieza exterior de las tuberías de circulación de aceite, depósito de aceite y área de trabajo. Entregar informe final, que contenga la siguiente información: Reportes con la descripción día a día de los trabajos realizados. Reportes de los conteos de partículas realizados a pie de máquina. Reporte de las anomalías encontradas. Fotografías tomadas del sistema de by-pass con las mangueras, estado del depósito de aceite antes y después de la limpieza, estado de las mallas de inspección al empezar y al finalizar la circulación, tanto del aceite de limpieza como el de lubricación de los componentes de la máquina. Conclusiones.
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NORMAS El FLUSHING QUIMICOHIDRAULICO o el FLUSHING HIDRAULICO DE MAQUINAS ofrecido por INGENIEROS DE LUBRICACION SAS, ha sido diseñado teniendo en cuenta las siguientes normas internacionales: ASTM D6439-99, ASTM D4378, ASTM D445, ASTM D664, ASTM D2272, ASTM D1444, ASTM D1401, ASTM D 892, ISO 4572, ISO 4406. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Capítulo 18. DIALISIS Y FILTRACION DE ACEITES INDUSTRIALES
PROCESO DE DIÁLISIS O TERMOVACIO Es un proceso físico, que se lleva a cabo utilizando un equipo de termo-vacío ó dializador de aceite móvil, el cual permite calentar el aceite hasta temperaturas de 100°C y someterlo a presiones de vacío de 27” de Hg aproximadamente. Durante este proceso el aceite se limpia totalmente y se filtra hasta dejarlo con el código de limpieza, según ISO 4406, recomendado por el fabricante del componente lubricado. Al final del proceso de diálisis, el aceite queda en óptimas condiciones para ser utilizado en la misma aplicación donde se venía utilizando y con un porcentaje de vida igual ó mayor al que tenía al iniciar el proceso de diálisis.
EVALUACIÓN DEL ACEITE QUE SE VA A DIALIZAR Y FILTRAR Las propiedades físico-químicas que se le analizan al aceite contaminado, antes y después del proceso de diálisis son: -
Viscosidad, cSt/40°C, ASTM D88. TAN, mgr KOH/gr.ac.us., ASTM D664. TBN, mgr KOH/gr.ac.us., ASTM D664 (esta prueba se le hace solamente a los aceites de tipo automotriz). Contenido de agua, % vol., ASTM D95. Nivel de limpieza, micras: ISO 4406. Contenido de partículas metálicas, ppm, espectrofotometría de absorción atómica.
Los análisis de laboratorio que se le efectúan al aceite contaminado, antes y después del proceso de diálisis tienen como objetivo lo siguiente: -
Viscosidad: garantizar que el aceite dializado quedó dentro de los estándares de viscosidad requeridos. TAN (Número Acido Total): cuantificar el nivel de oxidación del aceite y determinar si se puede ó no dializar, y cómo quedó, después del proceso de diálisis. TBN (Número Básico Total): cuantificar el nivel de detergencia-dispersancia del aceite y determinar si se puede ó no dializar, y cómo quedó, después del proceso de diálisis. Contenido de agua: cuantificar la cantidad de agua que tiene el aceite y cómo quedó después del proceso de diálisis. Nivel de limpieza: conocer la cantidad de partículas sólidas presentes en el aceite contaminado en los tamaños mayores de 2, 5, 15, 25, 50 y 100 micras y cómo quedó después del proceso de diálisis. Contenido de partículas metálicas por espectrofotometría de absorción atómica: conocer la cantidad de partículas metálicas, tales como Si, Fe, Cu, Al, Cr, Pb, y Sn, en el aceite en ppm antes y después del proceso de diálisis.
TIPOS DE ACEITES QUE SE PUEDEN DIALIZAR Y FILTRAR Se pueden dializar los siguientes tipos de aceites: -
Aceites circulantes, para turbinas de vapor, gas e hidráulicas. Aceites para compresores, reductores de velocidad y sistemas hidráulicos. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Aceites para turbogeneradores y turbocompresores. Aceites para transformadores. Aceites para transferencia de calor. Aceites para máquinas herramientas, para temple y de proceso. Aceites para motores diesel, marinos y a gas.
DESARROLLO DEL PROGRAMA DE DIALISIS Y FILTRACION La logística del programa de diálisis de aceites es el siguiente: -
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Recolección de los aceites que se sacan de los equipos lubricados y clasificarlos por tipos, de tal manera que solamente se almacenen en el mismo depósito ó tambor de 55 galones, aceites de la misma marca y del mismo tipo y viscosidad. Si los aceites se mezclan indiscriminadamente no se pueden dializar. Tomar una muestra del aceite contaminado y hacerle los análisis de laboratorio respectivos. Dializar el aceite contaminado mediante la utilización de un Dializador de aceite Mod IL4000B15 ó Mod IL4000B40. Certificar el aceite dializado mediante pruebas de laboratorio según las Normas ASTM. Utilizar el aceite dializado en el misma máquina donde se venía utilizando.
EJECUCIÓN DEL PROGRAMA DE DIALISIS Y FILTRACION El programa de diálisis para aceites contaminados se lleva a cabo utilizando un Dializador de aceite móvil Mod IL4000B15 ó Mod IL4000B40, el cual se lleva hasta las instalaciones de la empresa, y se instala junto al depósito de aceite en el cual se encuentra alojado el aceite que se va a dializar. El aceite contaminado puede estar almacenado en el mismo depósito de aceite de la máquina en el cual trabaja, ya sea que esté en operación ó fuera de servicio, ó en tambores de 55 galones. La bomba de vacío del Dializador de aceite, succiona el aceite contaminado del depósito de aceite y lo hace fluir hasta los filtros primarios y a los calentadores de aceite y de allí, a una temperatura entre 80° y 100°C, lo descarga en la cámara de vacío, en la cual los contaminantes como agua, gases, ácidos diluidos y contaminantes sólidos se eliminan en su totalidad. Posteriormente la bomba de descarga, succiona el aceite descontaminado de la cámara de vacío, lo hace fluir al filtro secundario y de allí nuevamente al depósito de aceite de la máquina. El proceso de diálisis tiene un tiempo de duración de 1 hora en promedio, por cada tambor de aceite de 55 galones. Este tiempo puede variar dependiendo del nivel de contaminación del aceite.
BENEFICIOS DEL PROCESO DE DIALISIS Y FILTRACION Al dializar y filtrar el aceite usado, se obtienen los siguientes beneficios: -
Garantizar que el aceite queda dentro de los estándares de limpieza especificados por las Normas ASTM e ISO. Eliminar el 100% del agua que pueda contener el aceite, aún cuando ésta se encuentre en estado de emulsión. Garantizar que los gases que pueda contener el aceite, como el H 2S, SO2, butano, propano, ácidos débiles, etc, se eliminen completamente. Reducir al máximo el desgaste erosivo y abrasivo en los mecanismos lubricados al eliminarle al aceite las partículas sólidas y metálicas, como el Si, Fe, Cu, Cr, Sn, Pb y Al, y los ácidos débiles como el SO 2 que se van formando en el aceite debido a su proceso de oxidación. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Garantizar que los mecanismos lubricados alcanzan ó superan la vida de diseño ó disponible al trabajar con un código de limpieza ISO 4406 mejor que el recomendado. Permitir que los aditivos antioxidantes del aceite trabajen menos, al haber una menor presencia en el aceite de elementos que actúan como componentes y/ó catalizadores del proceso de oxidación como el SO2, el agua y partículas de Si, Cu y de Fe, reduciendo así la rata de oxidación del aceite. Garantizar que el aceite alcance como mínimo una vida útil hasta tres veces mayor que la especificada por el fabricante del aceite, reduciéndose de esta manera ostensiblemente los costos de lubricación por consumo de lubricantes y mano de obra para el cambio de aceites. Permitir obtener aceites usados dializados con un TAN menor ó un TBN mayor que el del aceite contaminado. Reducir el impacto que tienen los aceites usados sobre el ambiente al desecharse un menor volumen de aceite.
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Capítulo 19. CONTROL DE LA CONTAMINACION INTRODUCCION Una filtración efectiva en sistemas hidráulicos y de lubricación evita paros de máquinas y al mismo tiempo, aumenta la vida útil de componentes importantes y costosos. Analizando las causas de fallas en equipos se ha podido determinar que en gran parte las mismas de deben a un ensuciamiento con substancias sólidas del fluido hidráulico y/o de lubricación. El alto grado de ensuciamiento se debe a una filtración insuficiente. La limitación de los costos para reparaciones de componentes se puede lograr mediante un mantenimiento preventivo del equipo; mediante un control constante del fluido se constata el estado momentáneo del mismo. Si los valores empeoran se pueden tomar las medidas pertinentes y, de este modo, minimizar el daño esperado. Dado que las exigencias impuestas a los componentes de máquinas aumentan constantemente, las tolerancias de ajuste son cada vez menores. Mientras que en años anteriores eran normales finuras de filtro absolutas de 80 a 100 µm en instalaciones hidráulicas, hoy en día es más común filtrar con una finura absoluta de por lo menos 20 µm. Equipos hidráulicos en los cuales se emplean servoválvulas exigen una finura de filtro absoluta de hasta 3 µm. Ya al proyectar el equipo se deberá considerar la correcta elección del filtro. Los buenos propósitos de los ingenieros de proyectos normalmente no son considerados a causa de la presión ejercida sobre el precio al preparar la oferta. La variación del tamaño constructivo del filtro y de la finura prevista es un modo simple de reducir el precio de la oferta, sin que, al parecer, se influya sobre el funcionamiento del equipo hidráulico. Sin embargo, la inclusión a posteriori de un filtro adecuado solamente es posible a un elevado costo. Por ello recomendamos no ahorrar a la hora de elegir el filtro. Los posibles mayores costos ocasionados por la inclusión de un filtro óptimo y más grande se equilibran por medio de menores costos de mantenimiento y no funcionamiento del equipo. La mayoría de los contaminantes que se encuentran en los aceites de sistemas hidráulicos y de lubricación son invisibles y esto se debe a que el daño lo causan partículas con tamaños entre 5 y 40 micrómetros y el límite de la visión humana lleva hasta los 40, es por esto que la concentración de estas partículas debe ser controlada y mantenida en niveles máximos apropiados de acuerdo a la aplicación específica. El agua es otro elemento contaminante no detectable a simple vista a temperaturas normales, por esto, mostraremos algunas técnicas para la extracción del agua de nuestros sistemas. También los ácidos y otros productos de oxidación no son fácilmente detectados, es en estos casos en los que debemos recurrir a otros medios de monitoreo de las condiciones del aceite hidráulico o de lubricación. Es objeto de este seminario presentar las técnicas utilizadas para filtración, monitoreo y limpieza de aceites, de tal forma que se tengan parámetros estandarizados para implementar sistemas de filtración y monitoreo que arrojen resultados positivos en el mantenimiento y vida útil de sistemas hidráulicos y equipo mecánico con sistema de lubricación.
TIPOS DE CONTAMINANTES Hay contaminantes de tres tipos básicos: partículas sólidas y metálicas, agua y aire.
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Posiblemente las partículas presenten el mayor problema, ya que interfieren con la lubricación. Las partículas extremadamente pequeñas, denominadas "lama", se acumulan entre piezas móviles y son capaces de frenar o atascarlas. Entre piezas, las partículas de tamaño aproximado a la holgura destrozan la película lubricante y aceleran el desgaste abrasivo, disminuyendo el rendimiento y hasta pueden causar faltas catastróficas. Las Partículas de mayor tamaño obstruyen los claros y los orificios, deteniendo la corriente del fluido. Esto aumenta la caída de presión y genera más calor, conduciendo a averías catastróficas. El agua y el aire son los dos elementos volátiles más comunes de los fluidos. El agua interfiere en las funciones de los fluidos al variar la viscosidad, reaccionando con aditivos del fluido y promoviendo cultivos bacterianos. El agua también produce daños adicionales al acelerar la corrosión. La operación de los componentes se vuelve " esponjosa “cuando el fluido contiene aire. Así mismo, el aire acelera todos los mismos efectos causados por el agua contenida en el fluido. El aire, el agua y el calor todos conducen a la formación de ácidos, jabones y cieno, que aumentan el deterioro y atascamiento de los componentes.
En casos de contaminación severa, posiblemente haya que reemplazar el fluido. Como puede imaginarse, esta es una consecuencia costosa de la contaminación.
EFECTO DE LA CONTAMINACION POR SUSTANCIAS SOLIDAS Estudios realizados en sistemas hidráulicos han demostrado que, gracias a una disminución de partículas sólidas en el fluido hidráulico, la vida útil de las piezas constructivas puede incrementarse notablemente y al mismo tiempo aumentar la seguridad de funcionamiento. La aparición de partículas de substancias sólidas frecuentemente es consecuencia de una carga mecánica o hidráulica elevada. Cuando las partículas sólidas circulan libremente en el sistema provocan un desgaste mecánico, el cual, a su vez, trae aparejado un aumento de partículas de substancias sólidas. Suciedad que penetra desde afuera en el sistema puede producir y acelerar este proceso. La reacción en cadena producida por el desarrollo y la acumulación de partículas sólidas puede minimizarse empleando buenos filtros. Para crear buenas condiciones iniciales para todas las piezas resulta muy importante un filtrado efectivo del fluido a emplear, un montaje limpio y un enjuague minucioso del equipo. En casos de poco movimiento existe el riesgo de enlodamiento del intersticio, lo que puede traer aparejado un no funcionamiento de la válvula reguladora. Las partículas que superan en tamaño al juego de ajuste se depositan delante del intersticio. En el primer momento no influyen en el funcionamiento de las válvulas reguladoras. Sin embargo, existe el riesgo de que, a causa de los movimientos del pistón a presiones de servicio elevadas y alta velocidad de flujo, las partículas sólidas se reduzcan y sean comprimidas en el intersticio. Las partículas de tamaño similar al juego de ajuste son las más peligrosas para las piezas constructivas, dado que ocasionan rayaduras y, por lo tanto, un elevado desgaste, a causa del efecto raspador de las partículas sólidas se producen nuevas partículas y se inicia una reacción en cadena en la producción de nuevas partículas. Frecuentemente son las partículas sólidas las que ocasionan la disfunción del elemento. En los casos de mando frecuentemente se produce una erosión a causa de las altas velocidades de flujo allí reinantes. Las partículas sólidas que se encuentran en el fluido hidráulico aumentan la erosión, lo que trae aparejada una conducta de regulación distinta de la pieza. En Válvulas de asiento. Las partículas pueden ser aprisionadas entre el asiento de la válvula y el mecanismo de cierre, produciendo inestanqueidad, en los estranguladores y diafragmas. Las partículas de suciedad que se encuentran en el fluido hidráulico se depositan en las aperturas de los estranguladores o diafragmas y, a causa del angostamiento incontrolable de la apertura, el flujo no puede mantenerse constante durante el tiempo de servicio. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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En rodamientos. En rodamientos sinterizados las partículas se depositan en los poros de los mismos, o bien, partículas duras son comprimidas dentro del material sinterizado relativamente blando. Esto trae aparejadas acanaladuras en el eje y además se tapan los canales de lubricación, lo que puede implicar un recalentamiento del eje. En la Gráfico No12 se puede ver el efecto por fatiga en superficie de rodamientos.
Grafico No12 Desgaste por fatiga en las superficies de fricción de los rodamientos Talla relativa de partículas. Micras (Micrones). La contaminaci6n se mide en la escala micrométrica. 1 micra equivale a una millonésima de metro, o 39 millonésimas de pulgada, para darles mayor perspectiva, veamos algunos artículos ordinarios en esta escala. El pigmento de pintura mide aproximadamente dos micras, el polvo de carbón mide 8 a 10 micras, la harina molida y el pelo humano miden 25 y 70 micras respectivamente, y la arena de playa y la sal de mesa un promedio de 100 micras. 1 Micra (µM) = 0,000039 de pulgada. Holgura dinámica. La holgura dinámica de un componente, no se trata del claro entre dos componentes. La holgura dinámica depende de la carga, velocidad y otros factores numerosos. Entre las dos superficies del caso interviene una película de fluido. Hay que eliminar los contaminantes para proteger estos componentes contra la erosión abrasiva. La mayoría de los sistemas hidráulicos y lubricantes poseen una holgura en operación de menas de cinco micras. Esto no quiere decir que todo sistema se debe filtrar hasta este nivel. Hay otros criterios de diseño a considerar al seleccionar el filtro de un sistema, como la presión de operación, las velocidades rotativas y las cargas impuestas a los rodamientos.
EFECTOS DE LA CONTAMINACION POR AGUA TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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El agua es un contaminante muy común en sistemas hidráulicos y de lubricación, dentro de los daños más comunes causados por ésta tenemos: 1. Corrosión de superficies metálicas. 2. Aceleración del desgaste abrasivo. 3. Fatigas de rodamientos. 4. Rompimiento de las propiedades de los aditivos. Variación en la viscosidad. Los aceites están constantemente expuestos al agua y al vapor de agua mientras son manipulados y almacenados, muchas veces los tanques son almacenados al intemperie. El agua también puede entrar a través de empaques dañados de cilindros y/o tanques abiertos a la atmosfera. La condensación es una de sus principales fuentes por el enfriamiento del aire en el interior de tanques. Cada aceite tiene un punto de saturación de agua, por encima de este punto no es capaz de disolver más agua y el exceso se presenta como agua libre o emulsionada. En aceites normales el punto de saturación es del orden del 0.03% en volumen. Cuando la contaminación es menor del 10.2% en volumen existen filtros con medios especiales para remover el agua (Par Gel), por encima de este valor, es necesario utilizar sistemas más sofisticados que incluyen centrifugación y vacío; la siguiente gráfica muestra la incidencia del contenido de agua en la vida de servicio de rodamientos.
gráfico No13 Efecto del agua en la Vida Disponible de los componentes sometidos a fricción
VIAS DE INGESTION DE CONTAMINANTES Los contaminantes logran penetrar en los sistemas por varias vías, inherentes en muchos de los componentes al ensamblarse el sistema. Otros se agregan con la carga de nuevo fluido en el depósito. ¡El fluido nuevo no necesariamente es limpio!. Por cierto que en la mayoría de los casos, el fluido nuevo cuando se saca del tambor no sirve para sistemas hidráulicos. Los componentes generan mucha contaminaci6n adicional, sobre todo durante las primeras horas de operación. Aún más se añade desde el exterior, debido al polvo acarreado por el TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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aire que penetra por los sellos de barrido y respiraderos de los depósitos. Por último, al exponerse el fluido al calor, sus aditivos comienzan a descomponerse en cieno, jabones y ácidos, que son todos contaminantes. Antes o durante la puesta en servicio. Aunque, se realice un enjuague de las unidades después del montaje no se podrán eliminar todas las partículas de suciedad de componentes conductos. En estudios realizados se han podido determinar los siguientes tipos de suciedad: Arena para machos, perlas de soldadura, virutas, cascarilla, pelusas, óxidos, restos de embalajes, partículas de pintura El fluido hidráulico puede ser un gran portador de partículas de suciedad. Por ello antes de la puesta en servicio de la instalación deberá tenerse en cuenta lo siguiente: 1) Si se emplea nuevo fluido, solamente deberá llenarse el mismo a través de un filtro o de una unidad de filtro separada. La finura del filtro en el filtro de enjuague o en la unidad de filtrado debe corresponder por lo menos a la finura de filtración prevista para el servicio del equipo. 2) Se recomienda purificar el fluido que se encuentra en el sistema mediante una unidad de filtrado separada. 3) Conectar la bomba hidráulica. La unidad de filtrado separada debe seguir funcionando. De este modo se logra un filtrado adicional del fluido hidráulico sumamente sucio que proviene de la unidad hidráulica. 4) Después de un tiempo de enjuague previamente previsto se deberá extraer una prueba de aceite y determinar el grado de suciedad del fluido. En base a este procedimiento se determinará cómo se habrá de proceder en el enjuague sucesivo del equipo. Como se muestra en la Gráfico No13, el tiempo de enjuague dependerá del tamaño del recipiente, de la pulcritud de la instalación, de los componentes empleados, de la clase de pureza del fluido deseada y del grado de pureza del fluido hidráulico incorporado. El tiempo de enjuague se puede determinar solamente en forma muy global antes del comienzo de la fase de enjuague. Durante el tiempo de enjuague hay que considerar la posibilidad de que componentes valiosos sean deteriorados, por ello componentes valiosos como por ejemplo servoválvulas y válvulas proporcionales deberán montarse una vez realizado el enjuague. También se deberá realizar un enjuague después de concluidos trabajos de cambio en las tuberías, después de trabajos de reparaci6n o después de haber cambiado de lugar la instalación.
Gráfico No14 Variación de la concentración de suciedad en la TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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central hidráulica durante el tiempo de enjuague Durante el servicio de la instalación Este ensuciamiento se divide en dos tipos: 1) Ensuciamiento interno 2) Ensuciamiento externo Bajo ensuciamiento interno se entiende el ensuciamiento provocado por todas las partículas de suciedad que se producen dentro del sistema, por ejemplo, por abrasión en los cantos de mando, en las carcasas y pistones, partículas de goma de tuberías y juntas, partículas de esmalte y productos de oxidación del fluido. En el caso del ensuciamiento externo, éste se produce por partículas de suciedad que entran por recipientes mal estanqueidados, filtros de aire inadecuados, juntas defectuosas en pistones o a través de raspadores en vástagos de cilindros. Los filtros instalados tienen como función filtrar la suciedad interna y externa y evitar una reacción en cadena en la producción de partículas de suciedad. Estudios realizados han demostrado que empleando filtros finos en unidades bien controladas con buena estanqueidad hacia afuera se puede lograr un aumento notable del tiempo total de servicio de la instalación, con menores tiempos de paro.
MEDIOS FIILTRANTES FUNCION DEL FILTRO HIDRAULICO Y DE LUBRICACION Un sistema de filtración bien dimensionado debe cumplir las siguientes funciones: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
Extraer partículas sólidas de suciedad del fluido. Evitar disfunciones ocasionadas por ensuciamiento con partículas sólidas. Evitar cambios en los tiempos de conmutación como consecuencia de cantos de mando deteriorados. Acortar las interrupciones de servicio en los intervalos por mantenimiento. Incrementar la vida útil de las piezas. Posibilitar un mantenimiento preventivo. Evitar un envejecimiento del fluido ocasionado por procesos químicos (consecuencia del ensuciamiento con partículas sólidas). 8) Mantener la capacidad de lubricación del fluido hidráulico. 9) Prolongar los intervalos entre cambios de fluido. 10) Mantener una elevada seguridad de servicio entre los intervalos de mantenimiento. 11) Intervalos prolongados de mantenimiento de filtros hidráulicos. 12) Filtrado de sólidos durante todo el tiempo de servicio. 13) Gran capacidad de retención de suciedad. 14) Disponibilidad confiable del equipo. 15) Funcionamiento de filtro también en condiciones variables de presión y caudal en el sistema hidráulico.
TIPOS DE MEDIOS FILTRANTES De acuerdo con el tipo de medio filtrante utilizado, los elementos filtrantes se dividen en dos grandes grupos: TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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1) Filtro de superficie 2) Filtros de profundidad
Filtros de Superficie: Como material se emplean tejidos de las formas más variadas. Por su tipo de construcción estos filtros poseen una finura de filtración referida a partículas cúbicas, que son de tamaño similar o mayor que el ancho del intersticio o la malla del filtro. Piezas largas y finas, como por ejemplo fibras, pueden pasar a través del filtro. La superficie libre de filtrado que se encuentra a disposición según la finura del filtro es reducida. (“Bajo superficie libre de filtrado " se entiende la superficie sujeta al flujo del fluido hidráulico ). Para filtros de superficie la superficie libre de filtrado asciende aproximadamente al 30 a 40% de la superficie total del tejido del filtro. En caso de una filtración inferior a 25 µm dicha superficie libre se reduce aún más. Elementos filtrantes con una finura superior a 40 µm se pueden limpiar bien con medios sencillos. Para filtros inferiores a 40 µm se recomienda profundizar la limpieza mediante un baño de ultrasonido. Este tipo de elementos de filtro se emplean principalmente como filtros de seguridad en instalaciones hidráulicas, instalaciones de lubricación y sistemas de enjuague en el retorno a causa de su fácil limpieza, de la reducida diferencia de presión inicial y de la estabilidad de la diferencia de presión, especialmente con tela de trencilla. 1) Ventajas: Elementos limpiables, reducida pérdida de presión. 2) Desventajas: Imposible una finura de filtro inferior a 10 µm. 3) Pequeña superficie libre de filtrado (Aprox. 30 a 40%).
Filtros de profundidad. Los materiales empleados son celulosa, plástico, vidrio y metal. La estructura de los poros depende en gran medida de los materiales fibrosos empleados, del largo y del calibre de las fibras. No existe una finura de filtrado definida por la construcción. A causa del efecto de laberinto partículas de los más diversos tamaños y calibres son separadas en la profundidad del tejido del filtro. Se produce el denominado perfil de separación. Este perfil debe ser obtenido en pruebas. Materiales para filtros Malla de papel: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
Construcción. Fibras orgánicas con capas arbitrariamente dispuestas y afirmadas con aglutinante. Campo de empleo: Filtro de aspiración Filtro de retorno Filtro fino Elementos descartables Ventajas: Costos reducidos, poca pérdida de presión. Desventajas: Baja resistencia a diferencia de presiones.
Malla de papel impregnada con resinas de fenol 1) Construcción: Fibras orgánicas con capas arbitrariamente dispuestas e impregnadas con resinas de fenol. 2) Campo de empleo: Filtros de combustible 3) Filtros de aceite para motores 4) Filtro fino TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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5) Elementos descartables 6) Ventajas: Costos reducidos, construcción simple del elemento, gran superficie filtrante. 7) Desventajas: Mala retención de suciedad, no utilizable con todos los fluidos, baja resistencia ∆P. Malla de fibra de Vidrio 1) 2) 3) 4)
Construcción: Fibra de vidrio con capas arbitrariamente dispuestas a afirmadas con aglutinante. Campo de empleo: Filtros finísimos para componentes valiosos. Elementos descartables. Ventajas: Mediante el empleo de fibra de vidrio se logra un filtrado fino, buena retención de suciedad, adsorción de partículas a través de un amplio rango de diferencia de presión, buena resistencia química, utilizable en todos los sistemas hidráulicos. 5) Desventajas: Diferencia de presión más elevada. No se puede limpiar. Alta resistencia al flujo. Malla de metal 1) Construcción: Alambres de acero fino arbitrariamente dispuestos, sinterizados y calandrados. 2) Campo de empleo: Filtración fina y finísima, para temperaturas de servicio muy altas, elevadas diferencias de presiones, para cualquier fluido hidráulico, elementos limpiables bajo ciertas condiciones. 3) Ventajas: Reducida pérdida de presión, buena retenci6n de suciedad, con mallas de metal de excelente calidad es posible multipass, buenas características de fatiga, buena estabilidad a temperaturas, buena compatibilidad con el fluido hidráulico. 4) Desventajas: Muy costosos. 5) Limpieza condicionada, según diferencia de presión y finura de filtro.
Filtros sinterizados 1) 2) 3) 4)
Construcción: Bolas de metal sinterizadas. El diámetro de las bolas determina la finura de filtro. Campo de empleo: Filtro de seguridad. Ventajas: Bajos costos de fabricación. Desventajas: Sólo utilizables para caudales bajos, poca superficie de filtrado, sensibles a presión pulsatoria, elevada diferencia de presión.
RELACIÓN DE FILTRACIÓN La relación de filtración (también conocida como relación β (Beta) es una medida de la eficiencia en la captura de partículas de un elemento filtrante la relación de filtración es obtenida a través del método multipaso. En este ensayo un contador de partículas, cuenta y mide la cantidad de partículas que entran y salen del filtro, la relación B es entonces obtenida dividiendo el número de partículas aguas arriba de una talla dada por el número de partículas de la misma talla aguas abajo pasando por el filtro. Por ejemplo, si 10.000 partículas de 10 micrómetros y más grandes fueron contadas antes del filtro y 5000 fueron contadas después del filtro, entonces la relación filtración será de 2 para partículas iguales o mayores a 10 micras así: β10 = 10000/5000 = 2 La eficiencia de captura del filtro se expresa como un porcentaje así: Eficiencia = 1 – 1/βx TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Para nuestro caso, se tiene que: Eficiencia = 50%.
Gráfico No15 Relación de filtración β Diseño de filtros Un filtro se compone de dos subconjuntos principales: La carcasa (un recipiente de presión)y el cartucho o elemento filtrante (que recoge los contaminantes). Cada subconjunto tiene varios componentes. El diseño y ensamblaje de estos componentes afectan las especificaciones del filtro. Por ejemplo, algunas carcasas están diseñadas para sistemas de 3.000 psi de presión, y otros no pueden someterse a más de 150 psi. 1) Elemento: El medio filtrante es el componente del elemento que acumula los contaminantes. El medio generalmente comienza en forma de láminas, y entonces se pliega para aumentar la superficie filtrante expuesta al caudal del fluido. Esto ayuda a reducir la caída de presión y aumenta la capacidad de retención de partículas. En algunos casos, el medio filtrante incorpora múltiples capas, o bien una malla de respaldo, para lograr ciertas normas de rendimiento. Después de haberse plegado y cortado a la longitud debida, se unen los dos extremos mediante una presilla especial, un adhesivo u otro tipo de costura. El cilindro de soporte es un tubo rígido perforado, que se ubica a la salida del medio filtrante para impedir que se desgarre por el caudal del fluido. Las perforaciones del cilindro de soporte son de un tamaño y número tal que presentan un mínimo de resistencia al flujo, a la vez que mantienen la integridad del cilindro. 2) Los cilindros de soporte y el medio filtrante se sostienen con tapas a ambos extremos, llenas de adhesivo. El conjunto se cura al calor para fraguar el adhesivo y curar el papel filtrante. A una de las tapas, o bien a ambas, se aplica un sello elastomérico en forma de empaquetadura, zapatilla o anillo “O”. Este sello asegura que el fluido que entra por el conjunto del filtro no salga en deriva o corto circuito. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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3) Carcasa: La carcasa del filtro es un recipiente de presión que contiene el cartucho. Está dotada de lumbreras de entrada y salida que permiten conectarla por tubería a un sistema hidráulico o lubricante. La carcasa podrá incorporar también otros componentes como una válvula de deriva interna y un indicador de estado del elemento. La carcasa del filtro se fabrica de una gran variedad de materiales y numerosas técnicas de formación. El método de fabricación depende de la presión nominal deseada, que a su vez depende de dónde ha de ubicarse el filtro en un circuito hidráulico o lubricante. 4) La válvula de Bypass se utiliza para impedir el colapso o revent6n del cartucho filtrante al saturarse de contaminantes. También impide la cavitación de la bomba estando talado el filtro en la línea de succión. Al irse acumulando los contaminantes en el cartucho, la pérdida de presión a través del mismo aumenta. A una presión bastante menor a la de rotura del medio filtrante y cilindro de soporte, se abre la válvula de Bypass permitiendo que el fluido se desvíe alrededor del cartucho. Las válvulas de Bypass generalmente son de disco con movimiento vertical, o bien de pistón. 5) El indicador del estado del cartucho avisa al usuario cuando se debe limpiar o reemplazar. Generalmente el indicador tiene marcas calibradoras que avisan al usuario cuando se abre la válvula de deriva. Este indicador puede estar directamente conectado a la válvula de Bypass, o bien puede ser un sensor de presión totalmente independiente. Indicadores de diferencia de presión. Estos indicadores miden la diferencia de presión entre el lado de suciedad y el lado limpio. No se considera la presión atmosférica reinante. La carcasa del indicador debe soportar a la sobrepresión de servicio de la carcasa del filtro. La diferencia de presión indicada es independiente de la sobrepresión momentánea reinante en el filtro. Este tipo de indicador se emplea en filtros de conducto o de presión.
TIPOS DE FILTROS Y UBICACIÓN Filtros de succión. El filtro de succión se intercala entre el depósito y la bomba. Al girar la bomba el fluido es impulsado por la presión atmosférica a través del filtro a la bomba. Hay dos clases de filtro de succión: Filtro montado externamente en la tubería, y colador montado internamente en el sumidero del cárter. Parker recomienda usar un filtro externo en línea con tapa de acceso para la limpieza, indicador y válvula de Bypass para protección de la bomba. Sin embargo, si se emplean bombas de desplazamiento variable hay que considerar con cuidado varios factores antes de especificar un filtro de succión externo en línea. Dichos factores incluyen las condiciones de entrada a la bomba, las pérdidas por aceleración del fluido, la aireación del fluido y el ciclo de funcionamiento de la bomba (intermitente o continuo). Consulte al fabricante de la bomba antes de especificar un filtro de succión para bombas de caudal variable y de presión compensada. El filtro externo de tubería de succión presenta algunas ventajas: 1) Protege la bomba contra la ingestión de partículas grandes. 2) Contribuye a minimizar avenas catastróficas, y 3) Generalmente permite usar un elemento limpiable y reusable que, a la larga, reduce los gastos de mantenimiento. Las desventajas 1) Debido a las condiciones de entrada de la bomba, la pérdida de presión tiene que ser muy reducida. Por consiguiente, hay que recurrir a un filtro con carcasa grande y elemento tosco. 2) Esto se traduce en un elevado costo inicial y costo elevado del cartucho para determinado caudal. 3) Por último, siendo tosco el elemento, ofrece poca protección al sistema. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Filtros de presión. Los filtros de presión se pueden colocar en línea a la salida o conexión presurizada de la bomba. El fluido que sale de la bomba pasa impulsado a través del filtro de presión. Dicho filtro se ubica en el circuito de manera de proteger determinado componente, tal como una servo-válvula, o cualquier otro dispositivo susceptible de contaminantes. Entre las ventajas de la filtración a presión en línea: 1) Este tipo de filtro sirve para protección a componentes específicos. 2) Es capaz de eliminar contaminantes muy finos sin mayor atención a la pérdida de presión. Entre las desventajas 1) Generalmente el costo inicial, así como el de los elementos de repuesto, es elevado. 2) La carcasa del filtro de presión debe diseñarse para resistir la mayor presión existente en el sistema, incluso golpes de ariete, vibración y picos transitorios. El filtro también tiene que poder acomodar el flujo total del sistema.
Filtros de retorno. El filtro de retorno se ubica en el circuito justamente antes de llegar al depósito. El fluido de retorno se encuentra con este filtro antes de penetrar en el depósito. El filtro se puede montar en la línea o en el tanque. Entre las ventajas de la filtración en la línea de retorno: 1) El filtro en la línea de retorno impide el regreso al depósito de contaminantes generados o ingeridos por el sistema. 2) Debido a que el filtro de retorno solo se expone a las presiones bajas en dicha línea, la carcasa es más económica de fabricar que la de alta presión. 3) Se puede realizar una filtración de finas sin mayor atención a pérdidas de presión. Entre las desventajas: 1) Los componentes del sistema no reciben protección directa contra contaminantes introducidos a través del depósito o generados por la bomba. 2) Hay que tomar en cuenta los picos del flujo de retorno procedentes de cilindros en retracción, accionadores, acumuladores y demás componentes en operación al seleccionar un filtro de retorno, ya que de lo contrario podría producirse una avería. 3) Si una bomba se " desbarata " o falla, los escombros resultantes podrían salir corriente abajo y dañar los componentes del sistema. Un filtro en la línea de retorno no sería capaz de impedir esto.
Filtración proporcional o secundaria. Las unidades de filtración proporcional (a veces llamada “externa ", secundaria o “en bucle " ), filtran el fluido continuamente desde el tanque. Con esto se “pule " el fluido hasta niveles aceptables de limpieza. Los sistemas de este tipo no impiden la entrada de tierra al tanque, en cambio, este filtro se puede atender sin estorbar la bomba principal del sistema, por lo que la producción puede seguir a la vez que se hace el mantenimiento. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Algunas ventajas de la filtración proporcional: 1) Su separación del sistema permite que el usuario atienda y mantenga los filtros estando operativo por el sistema principal. 2) El filtro proporcional se puede ubicar en un sitio de fácil acceso. Este bucle también sirve para enfriar el fluido con intercambiadores de calor. Algunas desventajas de filtración proporcional: 1) Suele ser elevado el costo inicial de los demás componentes que hacen falta en el circuito. 2) Los contaminantes introducidos a través de los sellos de los cilindros, junto con otros contaminantes generados por el sistema, no necesariamente se eliminan de inmediato con el filtro externo. 3) A veces resulta difícil acomodar en un depósito hidráulico para otras bombas, motores, filtros e intercambiadores de calor.
Gráfico No16 Representación esquemática de la ubicación de los filtros en sistemas hidráulicos
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Figura No17 Plano simplificado de conexiones hidráulicas para filtros de trabajo y protección
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Capítulo 20. FILTRACIÓN DE ACEITES LUBRICANTES Mantenimiento a aceites Industriales y automotrices
OBJETIVOS Los objetivos más importantes al filtrar un aceite contaminado son: -
Eliminar del aceite partículas sólidas contaminantes como el silicio y metálicas como el hierro, cobre, estaño, etc. Prevenir que se presente en los mecanismos lubricados, el desgaste erosivo y abrasivo, por encima de los estándares establecidos. Garantizar que el aceite queda dentro de los estándares de limpieza establecidos por la Norma ISO 4406, de acuerdo con los componentes lubricados. Prolongar la vida del aceite, al eliminar del aceite, materiales que actúan como catalizadores del proceso de oxidación.
EVALUACIÓN DEL ACEITE QUE SE VA A FILTRAR Las propiedades físico-químicas que se le analizan al aceite contaminado, antes y después del proceso de filtración, son: -
Viscosidad, cSt/40°C, ASTM D88. TAN, mgr KOH/gr.ac.us., ASTM D664. TBN, mgr KOH/gr.ac.us., ASTM D664 (esta prueba se le hace solamente a los aceites de tipo automotriz). Contenido de agua, % vol., ASTM D95. Nivel de limpieza, micras: ISO 4406. Contenido de partículas metálicas, ppm, espectrofotometría de absorción atómica.
Los análisis de laboratorio que se le efectúan al aceite contaminado, antes y después del proceso de filtración tienen como objetivo lo siguiente: TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Viscosidad: garantizar que el aceite filtrado quedó dentro de los estándares de viscosidad requeridos. TAN (Número Acido Total): cuantificar el nivel de oxidación del aceite y determinar si se puede ó no filtrar, y cómo quedó, después del proceso de filtración. TBN (Número Básico Total): cuantificar el nivel de detergencia-dispersancia del aceite y determinar si se puede ó no filtrar, y cómo quedó, después del proceso de filtración. Contenido de agua: cuantificar la cantidad de agua que tiene el aceite y cómo quedó después del proceso de filtración. Nivel de limpieza: conocer la cantidad de partículas sólidas presentes en el aceite contaminado en los tamaños mayores de 2, 5, 15, 25, 50 y 100 micras y cómo quedó después del proceso de filtración. Contenido de partículas metálicas por espectrofotometría de absorción atómica: conocer la cantidad de partículas metálicas, tales como Si, Fe, Cu, Al, Cr, Pb, y Sn, en el aceite en ppm antes y después del proceso de filtración.
TIPOS DE ACEITES QUE SE PUEDEN FILTRAR Se pueden filtrar los siguientes tipos de aceites: -
Aceites circulantes, para turbinas de vapor, gas e hidráulicas. Aceites para compresores, reductores de velocidad y sistemas hidráulicos. Aceites para turbogeneradores y turbocompresores. Aceites para transformadores. Aceites para transferencia de calor. Aceites para máquinas herramientas, para temple y de proceso. Aceites para motores diesel, marinos y a gas.
METODOLOGIA La filtración del aceite se lleva a cabo utilizando el LUBRIFILTRADOR IL 2000B15, si el volumen de aceite es menor o igual a 220 galones o el SISTEMA DE FILTRACION IL10000B80, si es mayor de 220 galones. El proceso de filtración se puede llevar a cabo con el equipo rotativo en operación ó fuera de servicio según las facilidades que se tengan en la planta. El LUBRIFILTRADOR IL2000B15, se conecta por medio de dos mangueras de ¾”, una de succión y otra de descarga, al depósito de aceite del equipo rotativo cuyo aceite se quiere filtrar. La bomba de engranajes de 15 galones por minuto (gpm), succiona el aceite y lo hace fluir, pasándolo previamente a través del filtro de succión, hasta el calentador de aceite, y luego a través de los filtros primario y secundario, y finalmente hasta el depósito de aceite de la máquina, durante el número de veces que sean necesarios, para que quede bajo el código ISO 4406 requerido de limpieza. El equipo funciona con un motor eléctrico de 2 HP, 220 voltios, 60 hz, trifásico y 1800 rpm, por lo que es necesario que en la empresa existan estas facilidades eléctricas.
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El SISTEMA DE FILTRACION IL10000B10, se conecta por medio de dos mangueras de 11/2”, una de succión y otra de descarga, al depósito de aceite del equipo rotativo cuyo aceite se quiere filtrar. La bomba de engranajes de 80 galones por minuto (gpm) de aceite, succiona el aceite del depósito y lo hace fluir a través del filtro de succión, y luego por los filtros de aceite, y de allí de nuevo al depósito de aceite de la máquina, durante el número de veces que sean necesarios, para que quede bajo el código ISO 4406 requerido de limpieza. El equipo funciona con un motor eléctrico de 5 HP, 220 voltios, 60 hz, trifásico y 1800 rpm, por lo que es necesario que en la empresa existan estas facilidades eléctricas.
BENEFICIOS Los más importantes son: -
Reducción de los costos de lubricación por menos consumo de lubricantes y Horas-Hombre, por menos cambio de aceite. Disminución de los costos de mantenimiento, al reducir la rata de desgaste erosivo y abrasivo en los mecanismos lubricados. Protección del ambiente al desechar un menor volumen de aceite usado.
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Capítulo 21. TOMA DE MUESTRAS DE ACEITE PARA SU ANALISIS DE LABORATORIO Los siguientes parámetros son necesarios respetar para que la muestra que se extraiga sea la más representativa del equipo a estudiar: 1) Tomar la muestra “en caliente”, es decir que la temperatura sea la de operación y el equipo esté trabajando en ese instante. La causa de lo anterior radica que cuando trabaja, el aceite se encuentra los más homogéneo posible por la circulación forzada a la que es sometido. Esta puede realizarse durante el uso o inmediatamente después del apagado. 2) Tomar en un lugar por donde pase todo el aceite. De esta forma nos aseguramos de que no se traten de lugares estancos donde se acumulan partículas, es allí donde la cantidad recogida no representa en lo absoluto el comportamiento del equipo rotativo. 3) Tomar antes de añadir aceite limpio. Cuando se agrega aceite limpio se diluye el aceite, con sus características, haciendo que los resultados no concuerden con la realidad por que los contaminantes estarán en menor proporción. 4) Siempre en las mismas condiciones y en el mismo lugar. Así el seguimiento realizado al equipo será lo mas equivalente posible. Los resultados reflejaran la realidad innata de cada evento que le ocurre a la maquinaria. 5) En lo posible en días donde no llueva ni haya alta humedad. El riesgo de que ingrese agua al depósito de aceite es muy grande, ya que los lubricantes son altamente higroscópicos, especialmente a altas temperaturas (especialmente los Sintéticos Polialkileneglicol, son extremadamente acuofílicos por su naturaleza química). La entrada de agua es un veneno para el equipo. Como dice el dicho “cuando el agua y el aceite se juntan es porque algo malo va a pasar” los problemas fundamentales son que el agua interrumpe la película de aceite que tiene que lubricar, y que acelera la formación de ácidos que destruyen los mecanismos internos. 6) Tratar en lo posible de que no ingrese tierra al sistema. En la tierra se encuentra presente el Silicio vulgo arena, este mineral en contacto con las partes metálicas en movimiento actúa como un esmeril o lija que los desgastan rápidamente. Es sabido que una de las formas para limpiar pinturas es mediante el arenado, lo mismo le pasa a los metales frente al silicio. 7) Nunca se debe aflojar ninguna manguera o tubería, como así tampoco de conductos destinados para dirigir el aceite que ha terminado su vida útil para su destino final. Las muestras extraídas desde estos lugares se encontraran altamente contaminadas y reflejaran resultados irreales.
Cuidados para el operario: 1) En el momento de la toma de muestra nunca succionar el aceite con la boca. Ya que el aceite contaminado es altamente tóxico, además si está caliente puede provocar quemaduras. 2) Usar guantes. El problema principal es que si está muy caliente puede quemarse. 3) No fumar. La caída de cenizas aumentarán erróneamente la viscosidad del aceite. 4) Usar mascaras. Es primordial para evitar salpicaduras que pueden proyectarse al rostro. Además el ingreso de saliva también suministrará una lectura de contenido de agua erróneo.
Cuidados para con el equipo de muestreo: 1) Nunca usar estopa para la limpieza personal ni del equipo, ya sea en su mantenimiento o toma de muestras. La causa principal es que la estopa deja inevitablemente pelusas que contaminan al TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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2)
3)
4)
5)
6)
7)
lubricante interfiriendo en la lubricación de los órganos internos del equipo. Se deben usar trapos que no contengan fibras flojas tendientes a escapar como pelusas. Cuando se introduce la manguera plástica corroborar de que el extremo no toque el fondo ni que tome contacto con superficies contaminantes. Para ello medir la manguera de antemano, es decir antes de cortarla de su carretel. Un buen criterio, es la de medir con el largo de la varilla de medición. Si en el lubricante se hallan formados depósitos, estos podrían ser succionados por el equipo. Si el aceite se encuentra a alta temperatura no dejar que la manguera de la toma de muestras esté mucho tiempo en el interior del equipo a muestrear. Hay que recordar de que es un componente plástico y que su composición no difiere en gran medida de la base lubricante, por lo que es alta la posibilidad de que se ablande (por el calor, derritiéndose) y se disuelva en el aceite. El tubo plástico para la toma de muestras “Sólo tiene la vida útil de un muestreo”. El uso en más de un equipo rotativo con la misma manguera provoca que las determinaciones posteriores a la primera sean contaminadas por su antecesora. Evitar la entrada de Tierra en el frasco, anterior a la toma y posterior a ella, para ello se debe de abrir el frasco sólo en el momento de introducir en su interior el fluido a estudiar. También es de vital importancia que el frasco sea cerrado garantizando su hermeticidad, además de que de este modo se evita derrames de su contenido. Se debe de identificar con toda claridad el frasco: Tipo y marca del lubricante, Tipo de Sistema, Posición, Matrícula y Nº. Referencia dado en la Compañía (Año/Número), Compañía Fabricante del sistema, Temperatura de trabajo, horas de trabajo del equipo, horas después del último cambio de aceite, Fecha de toma de muestra). Cantidad de aceite añadido durante la marcha. Nombre del operario que tomo la muestra. Nº de muestra (para realizar un historial del equipo, con ello se hará un seguimiento de comportamiento) Detalles de Anomalías vistas en el equipo rotativo. Es necesario aclarar que mucha de esta información deberá acompañar a la muestra en un documento anexo. Por lo tanto la información primordial a colocar en el frasco ha de ser el aceite utilizado, marca y viscosidad. Número de identificación del equipo, dada por la empresa, Fecha de muestreo, ultima fecha de cambio de aceite. Ambiente en el que se encuentra. En el momento de envío se debe de depositar la botella en una bolsa de plástico polietileno debidamente sellada junto a la documentación correspondiente. Tomar una muestra de fluido puede ser muy peligroso. Tenga extrema precaución.
Si la toma de muestra se realiza sin bomba de vacío: A través de la boca de carga del depósito: 1) Se introduce el tubo por la boca de carga del depósito de aceite y se espera a que el aceite se introduzca en el interior. 2) Se tapa con el dedo la parte superior del tubo, se saca. 3) Se introduce en el frasco de plástico porta muestras. 4) Finalmente se retira el dedo que obstruía el extremo superior y por gravedad el contenido del macarrón pasará al frasco. Se repite esta operación hasta completar la cantidad requerida de muestra.
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Es recomendable disponer de un recipiente cilíndrico y un soporte. A través del drenaje: 1) Quitar el tapón de drenaje y hacer que el aceite caiga en el recipiente auxiliar que soporta el portamuestras. 2) Cuando haya caído aproxima un cuarto de litro de aceite (arrastrando la suciedad del fondo), hacer que el aceite caiga en el bote porta muestras hasta llenar la cantidad de muestra requerida. 3) Retirar de nuevo, tapar el drenaje y el frasco. Si el tapón tuviese un imán para retener las virutas, es desaconsejable este método, ya que al caer el aceite, arrastrará consigo a los metales y se obtendrán resultados erróneos del equipo rotativo.
Muestra de fluido hidráulico: Se recomienda ENJUAGAR el bote de la muestra con el propio líquido hidráulico, desechándolo después. Tomar la muestra con las máximas precauciones, ya que el fluido hidráulico es muy susceptible a la contaminación.
Si la toma se realiza mediante bomba de vacío: La Bomba de Vacío puede ser usada para obtener muestras de fluido desde el sistema colector de aceite o el tanque sin el uso de una válvula especial de muestreo.
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1) Utilice un tramo nuevo de tubo plástico (1) suficientemente largo para alcanzar al menos la mitad del camino a la parte inferior del colector de aceite o el tanque. 2) Desprenda el tornillo metálico (6). 3) Inserte una punta del tubo (1) a través del tornillo metálico (6) hasta que esta se extienda ligeramente por debajo de la parte inferior del cuerpo de la bomba (5). 4) Ajuste el tornillo metálico (6). 5) Rosque una botella SUCIA de muestra sobre el cuerpo de la bomba (5). 6) Inserte la otra punta del tubo plástico (1) dentro del colector de aceite o el tanque. 7) Tire de la manija de la bomba (2) y haga correr algo del fluido del sistema a través del tubo plástico (flushing del tubo). 8) Desenrosque la botella SUCIA de muestra y descargue el aceite. Se debe de tener especial atención en el proceso de toma e identificación de las muestras, debido a que la muestra es la única fuente de información para diagnosticar el estado de desgaste del sistema. 9) Remueva la tapa (3) de la botella LIMPIA de muestra (4). Haga esto cuidadosamente para no contaminar con ninguna suciedad la tapa o la botella. 10) Rosque la botella LIMPIA de muestra (4) fijamente sobre el cuerpo de la bomba. 11) Inserte la otra punta del tubo plástico (1) dentro del colector o el tanque y tire de la manija (2) para llenar la botella de muestra. Es muy importante sólo jalar de la bomba hasta sentir el vacío, una sola vez, no se debe de seguir bombeando, ya que se formaran burbujas debido a la evaporación parcial de los contenidos volátiles por el vacío reinante. Un único proceso llenara más vertiginosamente la botella y no se cansara al operario, si es que debe de testear varios equipos rotativos. 12) Desenrosque la botella de muestra (4) del cuerpo de la bomba (5), e inmediatamente rosque la tapa (3) sobre la botella. Ajuste firmemente la tapa. 13) Desprenda el tornillo metálico (6), y remueva y descargue el tubo plástico (1). “La eficacia de un buen análisis es que la muestra llegue lo antes posible al laboratorio de investigación”
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Capítulo 22. LUBRICACIÓN CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD (LCC)
OBJETIVOS Los objetivos de la LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD (LCC) son los siguientes: -
Implementación de los programas de lubricación que constituyen el LCC y que permitirán asegurar que todos los mecanismos de los equipos rotativos de la empresa, serán lubricados eficientemente, dentro de intervalos de tiempo precisos, y con el lubricante que más se adecue a las condiciones operacionales de los mismos, con bajos costos de lubricación y generando un efecto nulo sobre al ambiente al disponer de la manera más adecuada posible de los lubricantes luego de haber cumplido con su ciclo de servicio.
-
Implementar el Programa de Vibraciones ó mejorarlo en caso de que ya se esté ejecutando, en los equipos rotativos de la empresa.
-
Implementar el programa de monitoreo de la temperatura de operación.
-
Implementar el Programa de Confiabilidad en los equipos rotativos de la empresa de tal manera que se pueda garantizar que todos estarán en estado OP (Operando correctamente) y SB (Stand By disponible) mediante el aseguramiento de la filosofía de la Confiabilidad, Disponibilidad y Mantenibilidad de dichos equipos rotativos.
DESARROLLO La LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD se desarrolla bajo la filosofía de interrelacionar los Programas de Lubricación, Vibraciones y Confiabilidad, en los cuales estarán incluidos todos los equipos rotativos de la empresa, con miras a obtener resultados que permitan garantizar la Confiabilidad y Disponibilidad de dichos equipos rotativos. Los equipos rotativos que se van a tener en cuenta en este plan de trabajo se clasificarán como equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general, y a cada uno de estos grupos de equipos rotativos, se le seleccionará el programa de lubricación y de vibraciones que más le convenga, dentro del esquema de la LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD.
DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS ROTATIVOS -
Crítico: Es aquel equipo rotativo que al fallar para la planta generando alto lucro cesante para la empresa.
-
Esencial: Es aquel equipo rotativo que cuenta con equipo rotativo auxiliar, y que al fallar no para la planta, pero genera una situación de incertidumbre, ya que si mientras se repara llegará a fallar el equipo rotativo auxiliar, daría lugar a parada de planta.
-
De propósito general: Es aquel equipo rotativo que cuando falla no genera parada de planta ni situaciones de incertidumbre, pero que a mediano ó a largo plazo puede generar lucro cesante ó parada de planta TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD La lubricación no puede ser ajena al desarrollo de la filosofía MCC (Mantenimiento Centrado en la Confiabilidad), aplicada a los equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general de la empresa, por lo que debe estar enmarcada dentro de programas interdisciplinarios, que permitan garantizar que todos los mecanismos lubricados alcanzarán su vida de diseño, con bajos costos por consumo de energía y mantenimiento y que los equipos rotativos incluidos dentro de esta filosofía tendrán los índices de Confiabilidad y Disponibilidad esperados. Por otro lado las rutas para medición, análisis y diagnostico de las vibraciones mecánicas deben estar intrínsecamente relacionadas con los programas de lubricación, ya que en un buen número de mecanismos lubricados, el estado real de la condición vibracional de dicho mecanismo solo se podrá determinar si se complementan estas dos técnicas, ya que un mecanismo con una deficiente lubricación dará lugar a elevados valores de vibración, los que a su vez causarán el deterioro del mecanismo. La Confiabilidad es el resultado de la implementación eficiente de los programas de lubricación y de vibraciones, y su objetivo será la de medir la efectividad de los mismos. El programa LCC ó LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD, debe estar complementado con el de Vibraciones, temperatura y Confiabilidad.
PROGRAMAS DEL LCC El programa Lubricación Centrada en la Confiabilidad (LCC) es una filosofía desarrollada dentro de un programa que permite evaluar el estado actual de la lubricación de los equipos rotativos y la eficacia de los programas de lubricación que la empresa esté desarrollando, con el objetivo de analizar y evaluar sus Fortalezas y Debilidades y especificar las Recomendaciones necesarias para involucrar la lubricación de la empresa entre de los mejores estándares mundiales en lubricación y dentro de la filosofía del TPM (Mantenimiento Productivo Total). En el ANEXO No1, se muestran los diferentes programas que constituyen la LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD (LCC). Los diferentes procesos que se analizan y se evalúan dentro del PLP y sus características son las siguientes:
Proceso No1 Lubricación Correctiva Evalúa que todos los equipos rotativos y los procesos relacionados con ellos cuenten con los elementos necesarios para garantizar su correcta lubricación, lo cual se logra evaluando los siguientes pasos: -
Paso No1: Personal de lubricación Paso No2: Cuarto para almacenamiento de lubricantes Paso No3: Carta de lubricación Paso No4: Rótulos metálicos para identificación del tipo de lubricante Paso No5: Pancartas metálicas Paso No6: Válvula de drenaje y tapón Paso No7: Sistema de venteo Paso No8: Indicador del nivel de aceite Paso No9: Fugas de aceite Paso No10: Aceiteras entre 1 y 5 galones TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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-
Paso No11: Pistolas engrasadoras Paso No12: Graseras en los mecanismos lubricados con grasa Paso No13: Carro portátil de lubricación Paso No14: Equipo de filtración portátil para el trasiego de aceites nuevos Paso No15: Guardas metálicas para cadenas Paso No16: Casetas para almacenamiento de lubricantes Paso No17: Licitación de lubricantes y estandarización marca de lubricantes
Proceso No2
Lubricación Preventiva Evalúa los programas preventivos que la empresa está llevando a cabo para aplicarle de manera sistemática los lubricantes a los componentes de los equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general y el software que esté utilizando con este propósito. Se tienen en cuenta los siguientes pasos: -
Paso No1: Clasificación de los equipos rotativos en críticos, esenciales y de propósito general. Paso No2: Lubricación de mecanismos de máquinas críticas y esenciales que no se pueden monitorear. Paso No3: Cambio de filtros de aceite. Paso No4: Toma de muestras de aceite. Paso No5: Software para la programación de lubricación.
Proceso No3 Lubricación Predictiva Evalúa las metodologías utilizadas por la empresa para lubricar los componentes de los equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general, por condición y las rutas de monitoreo establecidas con este propósito. Se tienen en cuenta los siguientes pasos: -
Paso No1: Inclusión de las máquinas críticas, esenciales y de propósito general en las rutas de monitoreo. Paso No2: Instrumentos y equipos para monitoreo de la condición del lubricante, temperatura y vibraciones. Paso No3: Definición y señalización de los puntos de monitoreo en los equipos rotativos. Paso No4: Selección de los puntos de toma de muestra de aceite y montaje de las facilidades. Paso No5: Implementación de la Ruta de Tribología. Paso No6: Implementación de la Ruta de Confiabilidad. Paso No7: Cambio de filtros de aceite por conteo de partículas ISO 4406. Paso No8: Pre-filtración de aceites nuevos. Paso No9: Filtración y diálisis de aceites usados. Paso No10: Limpieza interna de máquinas. Paso No11: Flushing a sistemas de lubricación. Paso No12: Informe de Confiabilidad y disponibilidad de máquinas. Paso No13: Auditoría interna de lubricación.
Proceso No4 Lubricación Proactiva Evalúa los programas que la empresa esté desarrollando en ingeniería de lubricación para mejorar la lubricación de los equipos rotativos críticos y esenciales, con base en los datos recopilados durante el desarrollo de la Ruta de Tribología y la Ruta de Confiabilidad. Se tienen en cuenta los siguientes pasos: TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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-
Paso No1: Sistemas de lubricación nuevos ó automáticos. Paso No2: Sensores de temperatura en sitio ó en línea. Paso No3: Sistemas de enfriamiento de aceite. Paso No4: Implementación de sistemas de filtración de aceites. Paso No5: Implementación de lubricantes sintéticos. Paso No6: Implementación de programas de ahorro de energía por menor fricción.
Proceso No5 Gestión Ambiental Se analiza que está haciendo la empresa con los aceites usados y se especifican los pasos y técnicas que se deben implementar para prolongar su vida de servicio ó para desecharlos sin que impacten negativamente el ambiente. -
Paso No1: Programas para incrementar la vida de servicio de los aceites. Paso No2: Diálisis de aceites usados. Paso No3: Recolección de los aceites usados Paso No4: Punto ecológico y biodegradación de los aceites usados.
Proceso No6 Capacitación en Lubricación y Confiabilidad Se especifican los programas de capacitación en tribología, lubricación y confiabilidad que la empresa debe desarrollar para su personal de mantenimiento, lubricación y de proceso. -
Paso No1: Evaluación periódica del nivel de conocimientos. Paso No2: Charlas periódicas de 4 horas de intensidad sobre actualización en lubricación. Paso No3: Programa inteligente para autoformación y certificación en lubricación. Paso No4: Seminario PLP – Nivel I, Lubricación Efectiva. Paso No5: Seminario PLP – Nivel II, Lubricación Avanzada. Paso No6: Seminario PLP – Nivel III, Lubricación de Maquinas. Paso No7: Seminario PLP – Nivel IV, Lubricación Centrada en la Confiabilidad. Paso No8: Seminario teórico práctico PLP – Nivel I, Lubricación de Máquinas. Paso No9: Seminario teórico práctico PLP-Nivel II, Análisis de Laboratorio y Toma de Muestras de Aceite. Paso No10: Seminario teórico práctico PLP-Nivel III, Limpieza interna de máquinas y flushing hidráulico y oleoquímico. Paso No11: Seminario teórico práctico PLP-Nivel IV, Sistemas Hidráulicos. Paso No12: Seminario teórico práctico PLP-Nivel V, Rutas de Monitoreo.
PROGRAMA DE VIBRACIONES El objetivo del programa de vibraciones es el de medir, analizar y diagnosticar periódicamente el valor de las vibraciones mecánicas y el de otras variables mecánicas de los equipos rotativos críticos y esenciales de la empresa, bajo rutas de monitoreo previamente establecidas. En este caso los datos recopilados permitirán determinar la condición de los componentes de los equipos rotativos y corregir las causas que pueden dar lugar a problemas de desgaste ó a fallas catastróficas. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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PROGRAMA DE CONFIABILIDAD El objetivo de este programa es el de identificar los procesos de mejora y establecer un plan de trabajo para lograr un mejor desempeño de los activos de la empresa. La administración de la confiabilidad forma parte de un proceso ejecutado por operaciones, mantenimiento, ingeniería, proyectos, y por otras dependencias como gestión de personal, proveeduría, materiales, contratación, para asegurar un desempeño óptimo en confiabilidad y mantenimiento a costos óptimos. El proceso de administración de confiabilidad se enfoca en lo siguiente: -
Establecer una cultura de dueños de los activos de la empresa. Implantar un proceso de reducción de fallas utilizando la metodología de Análisis de Causa Raíz. Establecimiento de un programa óptimo de mantenimiento. Fortalecer el Mantenimiento Basado en Condición CBM Análisis y reporte del desempeño de unidades y equipos, y establecimiento de indicadores reales de desempeño.
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Gráfico 18. Lubricación Centrada en Confiabilidad (LCC) Fuentes de información
LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD LCC Lubricación Correctiva
ECL
Elementos requeridos para garantizar una correcta lubricación
Todos los equipos rotativos de la empresa
Lubricación Preventiva
RMA
Reengrase de mecanismos y acoples
Todos los equipos rotativos de la empresa
SAAU
Sistema de Análisis de aceites usados
Equipos rotativos críticos y esenciales
SPM
Método de pulsos de choque
Todos los equipos rotativos con rodamientos
CFA
Cambio de filtros de aceite
Todos los equipos rotativos con filtro
RTB
Ruta de Tribología
Equipos rotativos de propósito general
DAC
Diálisis de aceites contaminados
Todos los equipos rotativos lubricados con aceite
FAU
Filtración de aceites usados
Equipos rotativos críticos y esenciales lubricados con aceite
SLN
Sistemas de lubricación nuevos
CTE
Censores de temperatura
EAL
Enfriamiento de aceites lubricantes
LBS
Lubricantes sintéticos
AEF
Ahorro de energía por menor fricción
DAC
Diálisis de aceites contaminados
Todos los equipos rotativos de la empresa lubricados con aceite
PCL
Programa de capacitación
Personal de mantenimiento y proceso
PLP Lubricación Predictiva
Programa de Lubricación Productiva
Diagnostico
Fortalezas
Lubricación Proactiva
Debilidades
Recomendaciones
Gestión Ambiental Capacitación
VITRIB
Auditoria a los programas de lubricación Equipos rotativos críticos y esenciales
LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD – LCC
No 01
Elemento Personal lubricación
Fortaleza de
Si tiene
No tiene
Gráfico 19. LCC – Proceso No 01 Lubricación Correctiva LCC – Proceso No 01 Lubricación Correctiva Puntaje Debilidad Puntaje positivo negativo 100 Se improvisa -20 Falta capacitación -20 No están certificados -20 Personal insuficiente -20 0 0
Puntaje parcial
Factor parcial 0,10
0
0,00
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Puntaje global
02
Cuarto lubricantes
de
Si tiene
100
03
Cartas lubricación
de
No tiene Si tiene
0 100
04
Rótulos metálicos
No tiene Si tiene
0 100
05
Pancartas metálicas
No tiene Si tiene
0 100
06
Válvula de drenaje y tapón
No tiene Si tiene
0 100
07
Sistemas de venteo
No tiene Si tiene
0 100
08
Indicadores nivel de aceite
No tiene Si tiene
0 100
09
Fugas de aceite
No tiene Si tiene
0 100
10
Aceiteras de 1 y de 5 galones
No tiene Si tiene
0 100
11
Pistolas engrasadoras
No tiene Si tiene
0 100
12
Carro portátil lubricación
No tiene Si tiene
0 100
del
de
Mal ubicado Mal almacenamiento Alta contaminación Diseño inadecuado
Son inadecuadas No son suficientes Se llenan manualmente No son acero inoxidable Una ó varias para todo Color no estandarizado Sin rotulación
-20 -20 -20 -10 0 -20 -10 -10 -10 0 -20 -20 -10 -10 0 -20 -10 -10 0 -30 -20 -10 0 -30 -20 -10 0 -30 -20 -10 0 -30 -20 0 -10 -10 -10 -10 -20 -20 0 -10 -10 -5 -5 -20 -20 -20
Es inadecuado Capacidad insuficiente
-10 -20
Faltan máquinas Información incompleta Falta foto ó dibujo No están difundidas Falta código de color Forma no definida Falta rotular máquinas No se rotula en el taller Información incompleta Número insuficiente Mal ubicadas Faltan máquinas Válvulas inadecuadas Mal ubicadas Faltan máquinas Venteos inadecuados Venteos mal ubicados Faltan máquinas Son inadecuados Están mal montados Son comunes No se corrigen a tiempo Son inadecuadas No son suficientes Material inadecuado Una ó varias para todo Color no estandarizado Sin rotulación
0,10
0
0,00 0,10
0
0,00 0,05
0
0,00 0,03
0
0,00 0,10
0
0,00 0,10
0
0,00 0,10
0
0,00 0,02
0
0,00 0,05
0
0,00 0,05
0
0,00 0,04
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13
14
15
16
Equipo para prefiltración y filtración de aceites Guardas metálicas para cadenas
Depósito auxiliar de aceites
Marca lubricantes
de
No tiene No necesita Si tiene
0 100 100
No tiene No necesita Si tiene
0 100 100
No tiene No necesita Si tiene
0 100 100
No tiene No necesita Si tiene
0 100 100
No tiene
No tiene calentador Tiene un solo filtro
Faltan algunas cadenas No sirven para lubricar
Mal ubicado Alta contaminación Diseño inadecuado
Varias marcas No se hace licitación Sin asesoría Sin análisis de aceites
0
0 4 -20 -10 0 4 -20 -40 0 5 -20 -20 -10 0 2 -40 -20 -10 -10 0
0 4
0,00 4 0,04
0 4
0,00 4 0,05
0 5
0.00 5 0,02
0 2
0 2 0,05
0
0.00
Puntaje total: Puntaje global = Puntaje parcial x factor parcial Factor neto programa Lubricación Correctiva: 0,25 Puntaje total máximo = 20
Gráfico 20. LCC – Proceso No 02 Lubricación Preventiva
No 01
02
03
04
LCC – Proceso No 02 Lubricación Preventiva Elemento Fortaleza Puntaje Debilidad Puntaje Puntaje Factor Puntaje positivo negativo parcial parcial global Clasificación de las Si tiene 100 No hay clasificación -40 0,15 máquinas en Clasificación impropia -20 críticas, esenciales Faltan máquinas -10 y propósito general No tiene 0 0,00 Lubricación de Si tiene 100 No hay programación -20 0,20 máquinas críticas y No se lubrican todas -20 esenciales que no Se lubrican en exceso -10 se pueden Se lubrican poco -10 monitorear No tiene 0 0 0 0,00 Cambio de filtros Si tiene 100 No hay programación -20 0,15 de aceite Se utiliza cualquier filtro -10 Se cambia cuando falla -20 No hay estandarización -10 No tiene 0 0 0 0,00 Toma de muestras Si tiene 100 No hay programación -20 0,30 TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
[email protected]; www.pedroalbarracinaguillon.com; Cel. 300-6546504; Medellín - Colombia
de aceite
05
Software para programación de lubricación
Faltan procedimientos Frascos inadecuados Cualquier volumen Frasco sin información Falta análisis tendencia No tiene Si tiene
0 100
No tiene
0
Faltan máquinas Falta informe de costos Falta informe anomalías Falta reprogramación
-20 -10 -10 -5 -5 0 -20 -20 -20 -20 0
0
0,00 0,20
0
0,00
Puntaje parcial
Factor parcial 0,20
0
0,00 0,20
0
0,00 0,10
0
0,00 0,05
0
0,00 0,20
Puntaje total: Puntaje global = Puntaje parcial x factor parcial Factor neto programa Lubricación Correctiva: 0,20 Puntaje total máximo = 15
Gráfico 21. LCC – Proceso No 03 Lubricación Predictiva
No
Elemento
01
Inclusión máquinas críticas, esenciales y de propósito general en las rutas de monitoreo Instrumentos para monitoreo de la condición del lubricante, temperatura y vibraciones Señalización de los puntos de monitoreo en las máquinas Ubicación punto de toma de muestra de aceite y montaje de las facilidades Implementación de la Ruta de Tribología
02
03
04
05
Fortaleza Si tiene
No tiene Si tiene
No tiene Si tiene
No tiene Si tiene
No tiene Si tiene
LCC – Proceso No 03 Lubricación Predictiva Puntaje Debilidad positivo 100 Faltan máquinas Inclusión al azar Rutas mal diseñadas Rutas sin programación 0 100 Son inadecuados Están incompletos Falta capacitación Se utilizan poco Son de mala calidad 0 100 Están incompletos Faltan puntos Ubicación incorrecta 0 100 Ubicación incorrecta Faltan máquinas Accesorios incorrectos 0 100 Se hace sensorialmente Sin programación Faltan Instrumentos
Puntaje negativo -10 -10 -10 -20 0 -10 -10 -20 -10 -5 0 -10 -10 -30 0 -30 -10 -10 0 -20 -10 -20
TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Puntaje global
Falta capacitación Faltan máquinas 06
Implementación de la Ruta de Confiabilidad
07
Cambio de filtros de aceite por Conteo de Partículas ISO 4406 Pre-filtración de aceites nuevos
08
09
Filtración y diálisis de usados
10
Limpieza interna de máquinas
11
Flushing a sistemas de lubricación y cambio de aceites
12
Informe confiabilidad disponibilidad máquinas
13
Auditoria interna de lubricación
de y de
No tiene Si tiene
0 100
No tiene Si tiene
0 100
No tiene Si tiene
0 100
No tiene Se tiene
0 100
No tiene Si tiene
0 100
No tiene Si tiene
100
No tiene Si tiene
0 100
No tiene Si tiene
0 100
No tiene
0
Faltan instrumentos Falta capacitación Faltan máquinas Falta análisis de aceites Falta termografía Falta vibraciones Filtros sin toma muestra No se calcula el βx No se calcula eficiencia Filtros sin estandarizar Equipos inadecuados Se hace al azar Filtros inadecuados Sin análisis laboratorio Se mezclan aceites Para otras aplicaciones No se certifican Se desechan aceites Sin fluido de limpieza Sin equipos adecuados No se certifica Faltan máquinas Falta capacitación Sin fluido de limpieza Sin equipos adecuados Se hace manualmente No se certifica Faltan máquinas Falta análisis laboratorio Falta termografía Falta vibraciones Frecuencia inadecuada Faltan máquinas Frecuencia inadecuada Personal inexperto
-30 -10 0 -20 -10 -10 -15 -15 -15 0 -30 -20 -10 0 -30 -20 -10 0 -20 -20 -10 -20 -10 0 -20 -20 -10 -20 -10 0 -20 -20 -10 -20 0 -10 -20 -20 -20 -5 -10 -20 -10 0
0
0,00 0,20
0
0,00 0,10
0
0,00 0,10
0
0,00 0,10
0
0,00 0,10
0
0,00 0,05
0
0,00 0,10
0
0,00 0,05
0
0,00
Puntaje total: Puntaje global = Puntaje parcial x factor parcial Factor neto programa Lubricación Correctiva: 0,25 Puntaje total máximo = 25 TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
[email protected]; www.pedroalbarracinaguillon.com; Cel. 300-6546504; Medellín - Colombia
Gráfico 22. LCC – Proceso No 04 Lubricación Proactiva
No
Elemento
01
Sistemas de lubricación nuevos ó automáticos Sensores de temperatura
02
03
Sistemas de enfriamiento de aceite 04 Implementación de lubricantes sintéticos. 05 Implementación de lubricantes vegetales. 06 Implementación de programas de ahorro de energía. Puntaje total:
Fortaleza Si tiene No tiene Si tiene No tiene Si tiene No tiene Si tiene No tiene Si tiene No tiene Si tiene No tiene
LCC – Proceso No 04 Lubricación Proactiva Puntaje Debilidad positivo 100 Falta investigación Falta inversión 0 100 Falta investigación Falta inversión 0 100 Falta investigación Faltan inversión 0 100 Falta capacitación Falta inversión 0 100 Falta investigación Falta inversión 0 100 Faltan investigación Falta inversión 0
Puntaje negativo -30 -30 0 -20 -20 0 -10 -10 0 -50 -30 0 -50 -30 0 -20 -10 0
Puntaje parcial
Factor parcial 0,10
0
0,00 0,10
0
0,00 0,20
0
0,00 0,20
0
0,00 0,20
0
0,00 0,20
0
0,00
Puntaje global = Puntaje parcial x factor parcial Factor neto programa Lubricación Correctiva: 0,25 Puntaje total máximo = 15
TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Puntaje global
Gráfico 23. LCC – Proceso No 05 Gestión ambiental
No
Elemento
Fortaleza
01
Programa para incrementar la vida de servicio de los aceites usados
02
Recolección aceites usados
03
Punto ecológico
04
Biodegradación aceites usados
de
Si tiene
No tiene Si tiene No tiene Si tiene
No tiene Si tiene No tiene
LCC – Proceso No 05 Gestión ambiental Puntaje Debilidad positivo 100 Falta análisis laboratorio Falta filtrar Falta dializar Falta enfriamiento 0 100 Se mezclan aceites Se entregan sin control 0 100 Falta investigación Falta inversión Se hace sin control 0 100 Falta investigación Falta inversión 0
Puntaje negativo -20 -20 -20 -20 0 -20 -30 0 -40 -10 -20 0 -20 -10 0
Puntaje parcial
Factor parcial 0,40
0
0,00 0,20
0
0,00 0,20
0
0,00 0,20
0
0,00
Puntaje total: Puntaje global = Puntaje parcial x factor parcial Factor neto programa Lubricación Correctiva: 0,25 Puntaje total máximo = 12,5
TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
[email protected]; www.pedroalbarracinaguillon.com; Cel. 300-6546504; Medellín - Colombia
Puntaje global
Gráfico 24. LCC – Proceso No 06 Capacitación en Lubricación y Confiabilidad
No
Elemento
01
Evaluación periódica del nivel de conocimientos
02
Charlas mensuales de 4 horas sobre actualización de conocimientos en lubricación Programa inteligente para autoformación y certificación en lubricación
03
04
05
06
07
08
09
Seminario LCCNivel I Lubricación Efectiva
Seminario LCCNivel II Lubricación Avanzada
Seminario LCCNivel III Lubricación de Máquinas
Seminario LCCNivel IV Lubricación Centrada en la Confiabilidad Seminario teóricopráctico LCC-Nivel I Lubricación de máquinas Seminario teóricopráctico LCC-Nivel
Fortaleza Si tiene
No tiene Si tiene
No tiene
No tiene No necesita Si tiene
No tiene No necesita Si tiene
No tiene No necesita Si tiene
No tiene No necesita Si tiene
No tiene No necesita Si tiene
No tiene No necesita
LCC – Proceso No 06 Capacitación en Lubricación y Confiabilidad Puntaje Debilidad positivo 100 Es incompleta Frecuencia inadecuada Falta personal a evaluar 0 100 Es incompleta Frecuencia inadecuada Intensidad inadecuada Falta de asistencia 0 Falta inversión Faltan temas Falta certificación Faltan facilitadores 0 100 100 Falta inversión Falta de asistencia Falta de instructores 0 100 100 Falta inversión Falta de asistencia Falta de instructores 0 100 100 Faltan inversión Falta de asistencia Falta de instructores 0 100 Falta de inversión Falta de asistentes Falta de instructores 0 100 Falta de inversión Falta de asistentes Falta de instructores 0 100 Falta de inversión Falta de asistentes
Puntaje negativo -30 -30 -20 0 -20 -20 -20 -10 0 -30 -20 -10 -20 0 10 -50 -30 -10 0 10 -50 -30 -10 0 10 -50 -10 -10 0 10 -50 -10 -10 0 10 -50 -10 -10 0 10 -50 -10
Puntaje parcial
Factor parcial 0,05
0
0,00
0
0,05 0,10
0 10
0,00 10 0,05
0 10
0,00 10 0,05
0 10
0,00 10 0,10
0 10
0,00 10 0,10
0 10
0 10
10 0,10
0,00 10 0,10
TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
[email protected]; www.pedroalbarracinaguillon.com; Cel. 300-6546504; Medellín - Colombia
Puntaje global
II Análisis de laboratorio 10
11
12
Seminario teóricopráctico LCC-Nivel III Limpieza interna de máquinas Seminario teóricopráctico LCC-Nivel IV Sistemas hidráulicos Seminario teóricopráctico LCC-Nivel V Rutas de monitoreo
Falta de instructores No tiene No necesita Si tiene
0 100
No tiene No necesita Si tiene
0 100
No tiene No necesita Si tiene
0 100
No tiene No necesita
0 100
Falta de inversión Falta de asistentes Falta de instructores
Falta de inversión Falta de asistentes Falta de instructores
Falta de inversión Falta de asistentes Falta de instructores
-10 0 10 -50 -10 -10 0 10 -50 -10 -10 0 10 -50 -10 -10 0 10
0 10
0,00 10 0,10
0 10
0,00 10 0,10
0 10
0,00 10 0,10
0 10
0 10
Puntaje total: Puntaje global = Puntaje parcial x factor parcial Factor neto programa Lubricación Correctiva: 0,25 Puntaje total máximo = 12,5
TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
[email protected]; www.pedroalbarracinaguillon.com; Cel. 300-6546504; Medellín - Colombia
Capítulo 23. AUDITORIA TRIBOLOGICA (ATRIB) Inspección del proceso de lubricación de los equipos rotativos
OBJETIVO El objetivo de la AUDITORIA TRIBOLOGICA (ATRIB), es el de verificar el estado de la lubricación de los mecanismos lubricados con aceite ó con grasa, incluyendo el lubricante, el sistema de lubricación y otros aspectos que tengan que ver con su correcto funcionamiento, y emitir un informe en el cual se especifiquen aquellos equipos rotativos a los cuales es necesario corregirles el estado de la lubricación ó mejorarla mediante lubricantes ó mejores métodos de lubricación, que garanticen su correcto funcionamiento, alta confiabilidad y bajos costos de mantenimiento.
PROGRAMAS DE LUBRICACION Los programas de lubricación que se deben desarrollar en la empresa son: -
Ruta de Tribología (RT). Programa de Reengrase de Mecanismos de Propósito General (PRMG). Programa de Reengrase de Mecanismos Especiales (PRME). Programa de Análisis de Aceites Usados (SAAU). Programa Reengrase de Acoples (PRA). Programa Monitoreo y Reengrase de Motores Eléctricos (SPM). Programa de Cambio de Filtros de Aceite (PCFA).
RESPONSABLES DE LOS PROGRAMAS DE LUBRICACION Los responsables de la ejecución de los programas de lubricación en la empresa son las siguientes personas: -
Operadores: deben verificar y corregir el estado de la lubricación de los mecanismos lubricados con aceite. Ruta de Tribología Operativa (RTO). Operadores: deben re-engrasar los mecanismos contemplados en el Programa Reengrase de Mecanismos de Propósito General (PRMG). Operadores: deben tomarle las muestras de aceite a los equipos rotativos contemplados en el Programa de Análisis de Aceites Usados (SAAU). Mantenedor de primera línea ó Lubricador: debe reengrasar los mecanismos contemplados en el Programa Reengrase de Mecanismos Especiales (PRME). Mantenedor de primera línea ó Lubricador: debe reengrasar los acoples de piñones contemplados en el Programa Reengrase de Acoples (PRA). Mantenedor de primera línea ó Lubricador: debe cambiar los filtros de aceite contemplados en el Programa de Cambio de Filtros de Aceite (PCFA). Monitoreo: deben monitorear y lubricar los motores eléctricos contemplados en el Programa Monitoreo y Reengrase de Motores Eléctricos (SPM). Ingeniero de Confiabilidad: debe elaborar las OT´s correctivas y predictivas con base en los resultados del SAAU. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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PARTICIPANTES Los responsables de llevar a cabo la AUDITORIA TRIBOLOGICA (ATRIB), son las siguientes personas: -
El ingeniero de Confiabilidad. El supervisor de operaciones. El operador de planta.
PERIODICIDAD La AUDITORIA TRIBOLOGICA (ATRIB), se lleva a cabo una vez al mes, la intensidad depende del número de equipos rotativos que se vayan a inspeccionar, y el día en que se debe realizar puede ser cualquier día del mes, y debe ser diferente para cada mes.
METODOLOGIA La metodología para llevar a cabo la AUDITORIA TRIBOLOGICA (ATRIB), es la siguiente: -
-
Inspeccionar visualmente, ó mediante la ayuda de herramientas de monitoreo, tales como analizadores de aceite portátiles e instrumentos de medida de la temperatura, el estado de la lubricación de los mecanismos de todos los equipos rotativos que estén funcionando, teniendo en cuenta lo programado en el FORMATO VISITA DE TRIBOLOGIA. Llenar el FORMATO VISITA DE TRIBOLOGIA, con las anomalías encontradas. Los responsables de realizarla deben firmar el FORMATO VISITA DE TRIBOLOGIA. El ingeniero de Confiabilidad elabora un informe que incluye el nombre del equipo en el cual se encontró alguna anomalía, el tipo de anomalía, los correctivos que es necesario llevar a cabo y el responsable de corregirla. El ingeniero de Confiabilidad le envía el informe elaborado a los Departamentos de Operaciones y Mantenimiento.
ANOMALIAS REPORTADAS Las siguientes son las anomalías que se pueden reportar en la AUDITORIA TRIBOLOGICA (ATRIB): -
FI (01): Falta Indicador del nivel de aceite. FV (02): Falta Válvula y tubería de drenaje. FT (03): Falta Tubo de ventilación. FB (04): Falta Botella ó Depósito de Aceite Auxiliar. FM (05): Falta Rótulo metálico que identifica el tipo de lubricante. AN (06): Alto Nivel de aceite. BN (07): Bajo Nivel de aceite. FA (08): Fuga de Aceite. AP (09): Aceite con partículas metálicas. AQ (10): Aceite Quemado. AE (11): Aceite Emulsionado. AA (12): Aceite Con Agua. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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-
AT(13): Alta Temperatura del mecanismo. EI (14): Enfriador de Aceite Inadecuado. TD (15): Tubería de Drenaje de aceite taponada. TI (16): Tubería de Drenaje Inadecuada. TC (17): Tubería de Circulación de aceite taponada. TA (18): Tubería de Circulación de agua Taponada. FE (19): Falta Tubería de enfriamiento. FA (20): Falta aislamiento ó Inadecuado. GD (21): Grasera Defectuosa ó no tiene. FR (22): Falta reengrasar. TR (23): Tubería para Reengrase en mal estado ó no hay.
REGISTRO DE LA INFORMACION La información recopilada durante la AUDITORIA TRIBOLOGICA (ATRIB), se deben registrar y analizar con el fin de llevar a cabo los correctivos que sean necesarios de manera inmediata por parte del ingeniero de confiabilidad, del operador, del mantenedor de primera línea ó lubricador y del personal de Monitoreo. Para registrar la información en planta de la condición de la lubricación de los equipos rotativos se utiliza el FORMATO AUDITORIA TRIBOLOGICA (ATRIB).
INFORMES Y RECOMENDACIONES Una vez recopilada la información de la AUDITORIA TRIBOLOGICA (ATRIB), el ingeniero de confiabilidad debe elaborar un informe que incluya los siguientes aspectos: -
Número total de anomalías en lubricación encontradas. Número total de cada tipo de anomalía en lubricación encontrada. Correctivos que es necesario llevar a cabo a corto y a mediano plazo. Responsable de corregir la anomalía en lubricación. El porcentaje de equipos rotativos con anomalías en lubricación, con respecto al total de equipos rotativos que están operando, por sección, planta y para toda la empresa.
El informe descrito se elaborará para cada Departamento, Planta y para toda la Empresa.
BENEFICIOS La ejecución de la AUDITORIA TRIBOLOGICA (ATRIB), permite obtener los siguientes beneficios: - Asegurar en tiempo real y de manera inmediata que los mecanismos de los equipos rotativos que se encuentran en operación, están correctamente lubricados. - Corregir las anomalías en lubricación que presentan los equipos rotativos. - Asegurar que los programas de lubricación preventiva y predictiva que llevan a cabo el operador, el mantenedor de primera línea ó el lubricador y el personal de monitoreo, sean eficientes en cuanto a su calidad y cumplimiento. - Garantizar que los equipos rotativos cuentan con los elementos necesarios para asegurar su correcta lubricación. - Garantizar que el proceso de lubricación establecido en la empresa está basado en la filosofía de la LUBRICACIÓN CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD. TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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FECHA DE INICIO La fecha de inicio de la VISITA DE TRIBOLOGIA (VITRIB) se debe programar una vez que se hayan implementado los diferentes programas de lubricación especificados en el Numeral 2.
TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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Tabla 25. Formato Visita de Tribología mensual TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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TRIBOS INGENIERIA SAS, Teléfono (574)-2570379,
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