TRIBOLOGIA Y LUBRICACION.

SEMINARIO DE TRIBOLOGIA Y LUBRICACIÓN

TRIBOLOGIA Palabra que viene del latín tribo=fricción y logo=tratado Ciencia relacionada en principio sólo con la fricción y en la actualidad extendida a todos los fenómenos que limitan la vida de los equipos. • Sistema tribológico. Es un sistema natural o artificial de elementos materiales, por lo menos dos, donde se presenta la fricción y en casos extremos, el desgaste. • Sistema tribotécnico. Sistema particular o grupo funcional, donde existen varios puntos de fricción, los cuales tienen la función de transmitir energía o movimiento. LA FRICCION Se puede definir como la resistencia al movimiento relativo entre dos cuerpos en contacto. Al frotar un cuerpo contra otro, debe vencerse una resistencia. A esta fuerza que se opone al deslizamiento se le conoce como fricción.

El valor de la fricción de un cuerpo deslizante es igual a la fuerza necesaria para vencerla.

CAUSAS: Ninguna superficie metálica es completamente lisa; aún superficies con acabados que se aproximan a la perfección presentan asperezas cuando se examinan en un microscopio. Las diminutas protuberancias en una superficies interfieren el movimiento relativo de dos cuerpos cuando rozan entre sí dando origen a la fricción al tratar de entrelazarse y agarrarse. EFECTOS DE FRICCION La fricción no solo puede ser considerada desde el punto de vista negativo por efectos que produce en maquinaria; también produce efectos positivos. Sin fricción no sería posible caminar (percibimos la sensación de esta dificultad cuando caminamos sobre el hielo), y muchos de los elementos que aprovechamos, como el automóvil, el freno (el frenado de un automóvil es posible gracias a la fricción, primero entre la balata y el disco y después entre la llanta y el pavimento), la piedra de esmeril, etc., no tendrían razón de ser. En los órganos de las maquinas consideramos la fricción como indeseable porque casi todos requieren del deslizamiento de una parte contra otra. Para vencer la fricción se requiere trabajo y la energía así gastada supone pérdida de potencia y eficiencia. Además donde hay fricción sólida ocurre desgaste, pérdida de material por la acción cortante de las asperezas opuestas y el rompimiento de las minúsculas superficies soldadas. Uno de los problemas de los ingenieros es controlar la fricción; incrementar la fricción donde se requiere (frenos) y reducir donde no es conveniente (cojinetes). La fricción origina calor, produce pérdida de potencia y desgaste de las partes en movimiento, desde el punto que se inicia un rápido deterioro hasta una falla total en la parte en contacto. La fricción es conceptualizada tradicionalmente en la forma de un bloque sobre una superficie horizontal. Se aplica una fuerza al bloque que tiende a moverlo a lo largo de la superficie, tal como lo muestra la figura. Además de la fuerza horizontal F, también existe una fuerza normal N entre el bloque y la superficie, mostrada aquí como resultante del peso del bloque. Conforme se incrementa gradualmente la fuerza F desde un valor bajo, no hay movimiento del bloque por la fricción entre las dos superficies. Finalmente, F alcanza un

cierto valor ( llamado Fs ) que vence la fricción y el bloque comienza a deslizarse. Esto define el coeficiente de fricción estática µs:

µs = Fs /N Una vez que el bloque está en movimiento, la fuerza requerida para mantenerlo en movimiento baja a un valor Fk , que es la fuerza cinética. En la mayoría de la situaciones mecánicas, la fuerza cinética se aproxima al 75% de la fuerza estática, pero esto depende de los materiales involucrados; para alguna combinación de materiales la diferencia entre la fuerza cinética y estática es cero. El coeficiente de fricción cinética µ se puede calcular:

µ= Fk /N Existen varias teorías que explican la fricción la más aceptada es la teoría de la adhesión, la cual sostiene que dos superficies deslizantes (no lubricadas) están en contacto una con la otra solo en una pequeña fracción del área aparente entre ellas. Esto es verdad aun cuando las superficies sean bastante lisas. Cuando se observa en una vista muy amplificada, cada superficie se caracteriza por asperezas microscópicas que hacen contacto con su opuesta sólo en ciertos puntos. Estos puntos comprenden el área real de contacto Ar entre las dos superficies. A causa de que el área real soporta la carga normal, los esfuerzos involucrados en estos puntos de contacto son muy altos y conducen a deformaciones plásticas y adhesión en algunos casos. Debido a la naturaleza aleatoria de las superficies, algunas asperezas experimentan esfuerzos más grandes que otros, de manera que la adhesión ocurre solamente en los puntos donde los esfuerzos son muy altos y hay un contacto físico muy estrecho. También depende del material en contacto y su condición ( que tan limpia y seca está la superficie, por ejemplo). Para romper estos enlaces adhesivos conforme las superficies se mueven, una con respecto a la otra, se requiere una fuerza F, la la cual se aplica contra las uniones como una fuerza cortante. Estas conexiones suman un área equivalente al área real de contacto. De la misma manera, la fuerza normal N implica la resistencia a la fluencia del material (la resistencia a la fluencia del material más débil es la apropiada

aquí) aplicada sobre el área real de contacto. Entonces podemos definir el coeficiente de fricción de acuerdo a la teoría de adhesión como:

Donde:

µ= F /N=τAr/YAr=τ/Y

τ- esfuerzo cortante Y- esfuerzo de fluencia a la compresión de las asperezas. TIPOS DE FRICCION

• Fricción externa. Se da entre cuerpos diferentes. • Fricción interna. Se genera entre partículas de un mismo cuerpo. TIPOS DE FRICCION EXTERNA Dependiendo del movimiento relativo: - Fricción de deslizamiento. Se presenta durante el movimiento relativo tangencial de los elementos sólidos en un sistema tribológico. - Fricción de rodamiento. Se presenta durante el movimiento relativo de rodadura entre los elementos sólidos de un sistema tribológico. - Fricción de rotación. Se presenta durante el movimiento relativo de rotación entre los elementos sólidos de un sistema tribológico. Dependiendo de las condiciones de contacto: - Fricción estática. Pérdida de energía mecánica al inicio y al final del movimiento relativo tangencial entre dos zonas materiales en contacto.

- Fricción móvil. Pérdida de energía mecánica durante el movimiento relativo de zonas materiales en contacto. - Fricción de choque. Pérdida de energía mecánica al inicio y al final del movimiento relativo normal (perpendicular) entre zonas materiales en contacto. ESTADOS DE FRICCION - Fricción metal-metal. La fricción metal-metal es un estado de fricciónque se presenta en diferentes fenómenos tribotécnicos. Tiene lugar en un elemento lubricado como consecuencia del rompimiento de la película límite o por agotamiento de lo aditivos antidesgaste del lubricante. La fricción metal-metal no siempre se debe evitar. Hay casos en donde es imprescindible que ocurra, como por ejemplo en las líneas de ferrocarril, en donde es necesario que que las superficies estén completamente exentas de algún tipo de lubricante para poder rodar y frenar rápidamente. - Fricción pura. Es un estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por dos elementos que corresponden a los materiales base. La fricción pura raras veces se encuentra en la práctica industrial y por lo general, se obtiene a nivel de laboratorio, bajo un control muy riguroso de los experimentos. Durante la fricción pura las superficies están libres de cualquier película contaminante. La magnitud del coeficiente de fricción pura varía entre 0,8 a 10 y más. - Fricción sólida. Estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por tres elementos que presentan características de cuerpos sólidos. Durante la fricción sólida el tercer elemento está presente en forma de capas de un compuesto adheridas al metal base. En la práctica industrial este estado de fricción se halla ampliamente difundido. Se entienden como compuestos la película límite de aditivo antidesgaste, las capas de óxidos, suciedad, etc. La magnitud del coeficiente de fricción varía entre 0,2 a 0,8. - Fricción fluida. Estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por tres elementos, presentando uno de ellos propiedades líquidas. La obtención de la fricción fluida está condicionada a la existencia de un lubricante líquido que separa las superficies de los elementos sólidos, que constituyen el sistema tribológico. - Fricción hidrodinámica. Estado de fricción en el cual las condiciones hidrodinámicas se logran a través del movimiento relativo del par friccionante, cuando se encuentra sometido a ciertas condiciones de

velocidad y de carga. En este estado de fricción juega un papel muy importante la viscosidad del lubricante empleado. Los valores del coeficiente de fricción varían en el rango de 0,001-0,002 en dependencia de la viscosidad del lubricante. - Fricción hidrostática. Es un estado de fricción que se presenta en aquellos mecanismos que giran a bajas velocidades y que soportan grandes cargas y donde, para formar la película hidrodinámica, es necesario inyectar aceite a presión antes y durante el movimiento del mecanismo. - Fricción gaseosa. Estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por tres elementos y uno de ellos presenta propiedades gaseosas. Dentro de la fricción gaseosa, una de las formas más difundidas es la que utiliza aire como elemento gaseoso y este separa las superficies de los elementos sólidos, que constituyen el sistema tribológico. La fricción aerodinámica se logra a través del movimiento relativo de los elementos sólidos, mientras que la aerostática se alcanza por medio de una presión exterior. - Fricción mixta. Es un estado de fricción integrado por lo menos por dos estados de fricción, que se presentan simultáneamente en un sistema tribológico. La fricción mixta, formada por los estados de fricción sólida y fluida se encuentra ampliamente difundida en la práctica industrial, sobre todo en aquellas uniones tribotécnicas que se caracterizan por bajas velocidades y grandes cargas ( lubricación elastohidrodinámica o EHL). Durante la fricción mixta, las propiedades de los materiales, que constituyen la unión, juegan un papel de primer orden. La magnitud del coeficiente de fricción mixta varía entre 0,05 y 0,2. LEYES DE LA FRICCION METAL- METAL POR DESLIZAMIENTO La fricción metal-metal presenta las siguientes características: - Es directamente proporcional al peso del elemento que desliza o rueda. - Es independiente del área aparente de las superficies de contacto. Es función del area efectiva, la cual es la suma de las zonas en contacto dadas por las irregularidades de ambas superficies. Por esta razón, el área de contacto no coincide en general con el área geométrica de las superficies que se rozan. - No depende de la velocidad de deslizamiento. - Varía según la naturaleza de los materiales y del acabado superficial.

LEYES DE LA FRICCION METAL-MATAL POR RODADURA - Varía con la carga. - Es inversamente proporcional al diámetro del elemento rodante. - Es menor para superficies pulidas que para superficies rugosas.

REDUCCION DE LA FRICCION Las fuerzas de fricción pueden ser disminuidas por los siguientes factores, los cuales pueden controlarse: 1. La carga: Influye en forma directamente proporcional a la fricción; sin embargo, es parte de todo mecanismo y en la mayoría de los casos s difícil modificar. 2. Naturaleza de los materiales: Dependiendo de su naturaleza química, los cuerpos pueden presentar mayor o menor fricción. EJEMPLO: Dos superficies de acero que deslizan presentan mayor fricción que dos superficies de teflón bajo las mismas condiciones de trabajo. 3. El acabado de las superficies: Los coeficientes de fricción son mayores cuando las superficies son ásperas que cuando son pulidas. 4. Forma de los cuerpos: La fricción por rodamiento es menor que la fricción por deslizamiento. Los cuerpos esféricos o cilíndricos, por lo tanto, ocasionan menor fricción. 5. La lubricación utilizada. DESGASTE Es consecuencia directa de del rozamiento metal-metal entre dos superficies y se define como el deterioro sufrido a causa de la intensidad de la interacción

de sus rugosidades superficiales. El desgaste puede llegar a ser crítico, haciendo que las piezas de una máquina pierdan sus tolerancias y queden inservibles, causando costosos daños y elevadas pérdidas de producción. TIPOS DE DESGASTE • ADHESIVO. Se presenta cuando las irregularidades de una superficie interactúan directamente con las de otra, se adhieren y se soldan, dando lugar en la mayoría de los casos al desprendimiento de partículas.

Causas: - Falta de aplicación de un lubricante. - Rompimiento de la película límite por agotamiento o por sobrecarga. - Un bajo nivel, viscosidad o presión del aceite en el sistema. - Un alto nivel, viscosidad o presión del aceite en el sistema. Soluciones: - Cambiar el aceite dentro de las frecuencias normales. - No sobre cargar los mecanismos. - Mantener el nivel, viscosidad y presión del aceite. • ABRASIVO. Es el resultado de la presencia entre las superficies en movimiento relativo de partículas extrañas de igual o mayor dureza a la de los materiales que los conforman. Las partículas abrasivas se incrustan

ellas mismas en una de las superficies y actúan como una herramienta de corte, removiendo material de la otra superficie. Causas: - Problemas de filtración - Presencia de partículas sólidas de igual o mayor tamaño al juego dinámico. - Presencia de partículas sólidas de menor tamaño al juego dinámico con incremento de la carga. - Las partículas sólidas provienen de algún otro tipo de desgaste o del medio ambiente. • CORROSIVO. Es el deterioro lento y progresivo de las superficies metálicas al estar presente sustancias ácidas que afectan la metalurgia de los mecanismos. Este tipo de desgaste también se puede presentar por vibraciones en el sistema, que interrumpen la película lubricante y hacen que la humedad del ambiente corroa las superficies.

Causas: - Intervalos de uso del aceite muy prolongado (aceite oxidado) - Contaminación del aceite con ácidos o con agua. - Vibraciones y humedad en el ambiente (maquinaria textil) Soluciones: - Cambiar el aceite dentro del intervalo de vida útil. - Utilizar el lubricante adecuado para condiciones de vibración y humedad. • EROSIVO. Es causado por un fluido a alta presión y puede llagar a ser crítico si tiene partículas sólidas en suspensión, las cuales al impactar sobre las superficies arrancan material de ellas, debido al efecto de los momentum de las partículas. La perdida de material puede ser significativa, provocando roturas por fatiga. Causas: - Alto nivel del aceite. - Alta viscosidad del aceite. - Alta presión del sistema. - Partículas sólidas en el aceite fluyendo a alta presión. Soluciones: - Mantener el nivel, la viscosidad y la presión del aceite en el sistema dentro del rango normal. - Implementar sistemas de filtración. - Cambiar el aceite con mas frecuencia. • FATIGA SUPERFICIAL. Se presenta como consecuencia de los esfuerzos cíclicos de tensión, compresión y esfuerzos cortantes sobre una superficie, los cuales dan como resultado grietas profundas de fatiga que causan finalmente la aparición de picaduras y escamas.

Causas: - Es inevitable con el tiempo. - Se puede incrementar con la presencia de partículas del mismo tamaño o ligeramente más grandes que el juego dinámico y que no se adhiere a ninguna superficie en movimiento. Soluciones: - Un proceso tribológico positivo. - Mantener el aceite limpio. • POR CAVITACION. Tiene lugar cuando el aceite fluye a través de una región donde la presión es menor que la de su presión de vapor, esto hace que el aceite hierva y forme burbujas de vapor, las cuales son transportadas por el aceite hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor

regresa al estado líquido en forma súbita, generando fugas sobre las superficies metálicas que dan lugar a la aparición de picaduras y grietas. Causas: - Entrada de aire en el sistema de lubricación. - Alta tendencia del aceite a formar espuma. Soluciones: - Inspeccionar el sistema de lubricación. - Seleccionar correctamente el lubricante. - Incremento de la presión en el sistema o utilizando aceites con presiones de vapor bajas a altas temperaturas. • POR CORRIENTES ELECTRICAS. Se presenta como consecuencia del paso de corrientes eléctricas a través de los elementos de una máquina, como en el caso de los rodamientos y cojinetes lisos en turbomaquinaria. Causas: - Toma a tierra defectuosa (Motores eléctricos) - Corrientes parásitas (torbomaquinaria) Soluciones: - Inspeccionar la toma a tierra en equipos rotatorios. • POR DIFUSION. La difusión metálica puede ser un factor de desgaste a altas temperaturas. La difusión es un proceso de transferencia de masa, que se acelera al incrementarse la temperatura; por ejemplo, un proceso de maquinado implica el contacto íntimo entre el material de trabajo y la herramienta de corte a temperaturas que se aproximan algunas a veces a los 1100o C. Bajo estas condiciones la difusión es un mecanismo de desgaste significativo en la herramienta. Causas: - Altas temperaturas. Soluciones: - Utilizar lubricante, refrigerante. PROBLEMAS OCACIONADOS POR EL DESGASTE

- Mayor consumo de repuestos por aumento en las reparacionesy en el mantenimiento. - Reducción en la producción por paros de maquinaria. - Vida útil más corta de la maquinaria. - En motores de combustión interna da lugar a pérdida de potencia, mayor consumo de combustible, etc. - Posibilidad de accidentes ante el peligro de rotura de piezas al sobrepasar los límites permisibles de diseño. FORMAS DE REDUCIR EL DESGASTE - Utilizando los lubricantes más apropiados para la diferentes condiciones de operación. - Frecuencia de lubricación adecuada, con el fin de determinar los cambios de aceite y los reengrases correctos. - Buenos programas de mantenimiento preventivo, incluyendo principalmente la limpieza y/o el cambio de los filtros de aire y de aceite. - No sometiendo los equipos a condiciones diferentes a las de diseño. CONCEPTO DE LUBRICACION

Lubricación es interponer entre dos superficies, generalmente metálicas expuestas a fricción, una película fluida que las separe a pesar de la presión que se ejerza para juntarlas. La lubricación elimina el contacto directo de las superficies metálicas, impide su desgaste y reduce al mínimo el rozamiento que produce pérdida de potencia. IMPORTANCIA DE LA LUBRICACION Los costosísimos y complicados equipos industriales que requieren la industria moderna no podrían funcionar, ni siquiera unos minutos, sin el beneficio de una correcta lubricación. El costo de ésta resulta insignificante comparado con el valor de los equipos a los que brinda protección. La utilización del lubricante correcto en la forma y cantidad adecuada ofrece entre otros los siguientes beneficios. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Reduce el desgaste de las piezas en movimiento. Menor costo de mantenimiento de la máquina. Ahorro de energía. Facilita el movimiento. Reduce el ruido. Mantiene la producción.

FUNCIONES DE LOS LUBRICANTES Los lubricantes deben rebajar al máximo los rozamientos de los órganos móviles facilitando el movimiento, pero además deben reunir propiedades tales como: 1. Soportar grandes presiones sin que la película lubricante se rompa.

2. Actuar como refrigerante. 3. Facilitar la evacuación de impurezas. ELEMENTOS BASICOS QUE REQUIEREN LUBRICACION Por complicada que parezca una máquina, los elementos básicos que requieren lubricación son:

1. Cojinetes simples y antifricción, guías, levas, ect. 2. Engranajes rectos, helicoidales, sin fin, etc., que puedan estar descubiertos o cerrados. 3. Cilindros como los de los compresores, bombas y motores de combustión interna. 4. Cadenas, acoples flexibles y cables. Tipos de Lubricación El tipo de lubricación que cada sistema necesita se basa en la relación de los componentes en movimiento. Hay tres tipos básicos de lubricación: limítrofe, hidrodinámica, y mezclada. Para saber qué tipo de lubricación ocurre en cada caso, necesitamos saber la presión entre los componentes a ser lubricados, la velocidad relativa entre los componentes, la viscosidad del lubricante y otros factores. Desde hace relativamente poco tiempo se ha empezado a hablar de un cuarto tipo de lubricación: elasto-hidrodinámica, pero no la voy a mencionar ya que no aporta conceptos únicos y se usa solamente en aplicaciones de muy alta tecnología. La Lubricación Limítrofe ocurre a baja velocidad relativa entre los componentes y cuando no hay una capa completa de lubricante cubriendo las piezas. Durante lubricación limítrofe, hay contacto físico entre las superficies y hay desgaste. La cantidad de desgaste y fricción entre las superficies depende de un número de variables: la calidad de las superficies en contacto, la distancia entre las superficies, la viscosidad del lubricante, la cantidad de lubricante presente, la presión, el esfuerzo impartido a las superficies, y la velocidad de movimiento. Todo esto afecta la lubricación limítrofe. La mayor cantidad del desgaste ocurre al prender el motor. Esto sucede por la baja lubricación limítrofe, ya que el aceite se ha "caído" de las piezas al fondo del cráter…produciendo contacto de metal-a-metal. Una vez que arrancó el motor, una nueva capa de lubricante es establecida con la ayuda de la bomba de aceite a medida que los componentes adquieren velocidad de operación.

En algún momento de velocidad crítica la lubricación limítrofe desaparece y da lugar a la Lubricación Hidrodinámica. Esto sucede cuando las superficies están completamente cubiertas con una película de lubricante. Esta condición existe una vez que una película de lubricante se mantiene entre los componentes y la presión del lubricante crea una "ola" de lubricante delante de la película que impide el contacto entre superficies. Bajo condiciones hidrodinámicas, no hay contacto físico entre los componentes y no hay desgaste. Si los motores pudieran funcionar bajo condiciones hidrodinámicas todo el tiempo, no habría necesidad de utilizar ingredientes anti-desgaste y de alta presión en las fórmulas de lubricantes. Y el desgaste sería mínimo!

La propiedad que más afecta lubricación hidrodinámica es la viscosidad. La viscosidad debe ser lo suficientemente alta para brindar lubricación (limítrofe) durante el arranque del motor con el mínimo de desgaste, pero la viscosidad también debe ser lo suficientemente baja para reducir al mínimo la "fricción viscosa" del aceite a medida que es bombeada entre los metales (cojinetes) y las bancadas, una vez que llega a convertirse en lubricación hidrodinámica. Una de las reglas básicas de lubricación es que la menor cantidad de fricción innecesaria va a ocurrir con el lubricante de menor viscosidad posible para cada función específica. Esto es que cuanto más baja la viscosidad, menos energía se desperdicia bombeando el lubricante. Por ejemplo, los locos que corren los "Dragsters" de NHRA y IHRA en el cuarto de milla en los Estados Unidos (USA) le ponen aceite del "SAE 0" ó "SAE 5", pues reduce la fricción interior del motor, dándoles máxima potencia (pero alto desgaste, ya que la viscosidad es demasido baja). Ellos quieren la mayor cantidad de HP, y no les importa si hay desgaste, ya que desarman el motor después de cada carrera. La Lubricación Mezclada es exactamente eso: una mezcla inestable de lubricación limítrofe e hidrodinámica. Por ejemplo, cuando enciendes el motor (o cuando arranca un componente, si es otro equipo), la velocidad de los componentes aumenta velozmente y por una pequeña fracción de segundo se produce lubricación mezclada. En otras situaciones, cuando el esfuerzo y la velocidad de los componentes varía ampliamente durante el uso (durante manejo en montaña o en tráfico, por ejemplo) la temperatura puede hacer que el lubricante se "queme" más rápido y que así la lubricación hidrodinámica sea difícil de adquirir (ya que el lubricante ha perdido el beneficio de ciertos aditivos que se "quemaron"), dejando así el motor trabajando en una condición de lubricación mezclada, que producirá más desgaste.

Por ejemplo, mucha gente anda en un cambio (velocidad) más alto que el que deben usar, cosa que causa pocas vueltas de motor, y tal vez menor consumo, pero aumenta el desgaste tremendamente. ¿Cómo es eso? Supongamos que un motor viene en 3ra a 3.000 rpm, o en 4ta a 2.000 rpm y que el vehículo se acerca a una pendiente o cuesta…el conductor decide dejarlo en 4ta para subir…el motor empieza a trabajar más duro (mayor esfuerzo) para subir…la temperatura interior y el esfuerzo interno del motor aumenta, pero las revoluciones (que se reflejan en el tacómetro) del motor no…el aceite se calienta, la fricción aumenta (fíjense en la cantidad de aceite en medio del carril en la ruta en el lado de la subida de una pendiente... y verán, pero NO en el lado de la bajada)…¿por qué?, porque el motor levanta presión, temperatura y fricción en la subida, y no en la bajada. Al aumentar el esfuerzo, sería lógico aumentar la cantidad de aceite que pasa por cada superficie bajo fricción, pero al dejar el motor en 4ta, las revoluciones siguen siendo 2.000, como en la recta antes de la subida, por más que el esfuerzo del motor es mucho mayor en la subida y para mantener buena lubricación se necesitarían más revoluciones en el motor…¿qué se debería de hacer...bajarle un cambio o velocidad!. Se debe aumentar las revoluciones para que la bomba de aceite pueda mandar más lubricante sobre los componentes bajo mayor fricción! Es más o menos así: · Si dejas la lubricación constante (al dejarlo en pocas revoluciones) pero aumentas el esfuerzo del motor, aumentarás el desgaste. · Si aumentas el esfuerzo, entonces aumenta las revoluciones del motor (bajándole un cambio de la caja de velocidades) para aumentar la lubricación, ya que al levantar vueltas, aceleras la bomba de aceite! Esto es un ejemplo de lubricación hidrodinámica perdiendo efecto y convirtiéndose en lubricación mezclada (de alto desgaste de componentes). Lo bueno es que las subidas no son eternas , así que ningún motor trabaja en condiciones de lubricación mezclada 100% del tiempo, si no, no duraría mucho.

No voy a hacer distinciones entre los diferentes tipos de baleros, ya que una vez que el aceite llega a la condición de lubricación hidrodinámica se convierte en el tercer elemento físico del balero, agarrado "en sandwich" entre las superficies, impartiendo sus características a la ecuación de fricción de deslice y fricción rotatoria; de hacerlo dificultaría entender las cosas aún más… Lubricación Elasto-hidrodinámica

A medida que la presión o la carga se incrementan, la viscosidad del aceite también aumenta. Cuando el lubricante converge hacia la zona de contacto, las dos superficies se deforman elásticamente debido a la presión del lubricante. En la zona de contacto, la presión hidrodinámica desarrollada en el lubricante causa un incremento adicional en la viscosidad que es suficiente para separar las superficies en el borde de ataque del área de contacto. Debido a esta alta viscosidad y al corto tiempo requerido para que el lubricante atraviese la zona de contacto, hacen que el aceite no pueda escapar, y las superficies permanecerán separadas. La carga tiene un pequeño efecto en el espesor de la capa, debido a que a estas presiones, la capa de aceite es más rígida que las superficies metálicas. Por lo tanto, el efecto principal de un incremento en la carga es deformar las superficies metálicas e incrementar el área de contacto, antes que disminuir el espesor de la capa de lubricante.

FACTORES QUE AFECTAN LA LUBRICACION El desempeño de un lubricante se ve afectado por varios factores. Los principales en términos generales son: 1. Factores de operación: Entre los factores de operación principales que afectan la lubricación tenemos: a. b. c. d.

La carga. La temperatura. La velocidad. Posibles contaminantes.

2. Factores de diseño: Entre los factores de diseño se pueden considerar entre otros: a. b. c. d.

Materiales empleados en los elementos. Textura y acabado de las superficies. Construcción de la máquina. Métodos de aplicación del lubricante.

TIPOS O SISTEMAS DE LUBRICACION a. Manual. b. Centralizada o automática. TIPOS DE LUBRICANTES De acuerdo a su estado los lubricantes se pueden clasificar así: 1. 2. 3. 4.

Gaseoso (aire) Líquidos (aceite) Semi-sólidos (grasas) Sólidos, Por ejemplo: (Bisulfuro de molibdeno, grafito, talco)

Se destacan por su mayor utilización en la industria los aceites y las grasas. SEGÚN SU NATURALEZA LOS LUBRICANTES SE CLASIFICAN: 1.

VEGETALES:

Extraídos de las plantas y frutos, poco usados en la lubricación industrial pues comparados con los lubricantes minerales quedan en gran desventaja en lo que respecta al poder lubricante. Se les da mayor utilización en los alimentos. Podemos citar entre otros: Los aceites de oliva, soya, maíz, coco, algodón, higuerilla, etc. 2.

ANIMALES:

Son extraídos de la lana, de los huesos y tejidos adíposo de los animales terrestres y marinos. También son poco usados en la lubricación industrial, se les utiliza en procesos industriales. Por ejemplo, en la fabricación de jabones. Entre los más conocidos citaremos: La lanolina, la manteca de cerdo, el aceite de ballena, etc. 3. MINERALES: Los lubricantes minerales por sus características son los más utilizados en la industria. Se pueden clasificar así: a. Los derivados de los hidrocarburos, del petróleo, del carbón de piedra. b. Los lubricantes sólidos como; el bisulfuro de molibdeno, el grafito, el tungsteno, el talco y otros. ELABORACION DE LUBRICANTES A PARTIR DE CRUDOS DE PETROLEO La palabra petróleo está formada por “Petra” piedra y “Oleum” aceite, esto es aceite de piedra y lo componen en su mayor porcentaje hidrocarburos, contienen además, en pequeños porcentajes oxígeno, nitrógeno, azufre, etc.

Se encuentra una gran variedad de petróleos crudos y se puede decir que no existen en el mundo dos pozos que contengan petróleo crudo de igual composición química, pero en forma general se han agrupado según la base predominante, esto es: Base parafínica Base nafténica o asfáltica Base mixta (parafínica- nafténica)

Estructura Básica de los Lubricantes La mayoría de los lubricantes son derivados de hidratos de carbono (hidrocarburos). Hay lubricantes basados en otras químicas, pero en general son para usos muy especializados, donde lubricantes comunes no se pueden usar. La materia prima para lubricantes puede ser derivada de grasas y aceites animales, vegetales o aceites crudas (petróleo). Como verán, no he listado los lubricantes sintéticos por separado, ya que los lubricantes sintéticos son basados en las mismas materias primas. Increíble, no? Sigan leyendo… Sea el tipo de lubricante que sea, siempre se empieza con la “base”. La base se prepara con un proceso de refinado. El refinado es una especie de destilación de elementos componentes de la materia prima que son evaporados a distintas

temperaturas y condensados en distintos receptáculos. A este lubricante básico se le agregan aditivos antioxidantes y anticorrosivos. Estos aditivos son absolutamente necesarios en todos los lubricantes base o básicos para brindar resistencia a la corrosión a los metales con los que el lubricante va a estar en contacto y resistencia a la oxidación para el lubricante mismo. La oxidación es muy común entre los aceites, y es fácilmente reconocida, por ejemplo, en la cocina de casa (la manteca y otras cosas que contienen aceite y se ponen rancias). Todos los lubricantes base eventualmente se oxidan y se degradan. Esto es lo que hace que la grasa vieja se oscurezca y se endurezca. Los aditivos son importantísimos y esenciales para brindar durabilidad y consistencia a los lubricantes. Una vez que el lubricante base ha sido combinado con los dos aditivos mencionados anteriormente (anti-óxido y anti-corrosión), cosa que se hace inmediatamente después de refinarse, se la agrega un segundo “paquete” de aditivos. Este paquete provee a cada lubricante sus características. Lo que es interesante saber es que la materia prima afecta la calidad final tanto como cada uno de los aditivos que integran la mezcla. Una materia prima de baja calidad va a pasar los requerimientos legales para la venta, pero se va a degradar mucho más rápido que un lubricante hecho con los mismos aditivos pero con una mejor materia prima. A su vez, una buena materia prima combinada con aditivos de baja calidad va a producir un lubricante que no posee todo su “potencial”. ACEITES LUBRICANTES En la actualidad los aceites se derivan del petróleo. El petróleo crudo es esencialmente una mezcla de gasolina, kerosene, aceite combustible y diesel, fracciones lubricantes, asfalto y gas natural disuelto. Estos productos a su vez son mezclas a menudo de miles de compuestos diferentes, cada uno de los cuales hierve a una temperatura definida. Para aplicaciones en las cuales las condiciones son extremadamente severas, los aceites de petróleo se refuerzan a menudo con la adición de ciertos agentes especiales (aditivos). La elección del lubricante adecuado es de suma importancia puesto que se tienen numerosos puntos para considerar en vista del servicio que se deba prestar.

Si tomamos como referencia lo concerniente al coeficiente de fricción debe observarse: 1. La viscosidad y hasta cierto punto que de sus propiedades depende la facultad de un aceite para quedar entre dos superficies en movimiento. 2. Con el aumento de temperatura se reduce la viscosidad y viceversa. 3. Con una película completa de espesor constante crece la fricción líquida a medida que aumenta la velocidad del movimiento. Para elegir en cada caso el lubricante adecuado se dispone de aceites de petróleo que varían en viscosidad, punto de ebullición, estabilidad química y otras características ya que todo lubricante debe: 1. 2. 3. 4.

Humedecer las superficies que necesitan lubricación. Poseer la viscosidad adecuada. No evaporarse excesivamente en el servicio. No ser perjudicial a las sustancias con las que se pone en contacto y no tener tendencia a formar goma, barniz, sedimento y otros materiales que puedan estorbar su acción propia. 5. Poseer tal estabilidad contra las alteraciones químicas, que ninguna de las propiedades mencionadas se haga insuficiente en el servicio. El aceite lubricante o simplemente “aceite” es una compleja mezcla de hidrocarburos que representa una de las clasificaciones más importantes de productos derivados de la refinación del petróleo crudo, encontrándose una gran variedad tanto de tipos como de grados. Una de las propiedades más importantes y toda la historia de la lubricación gira alrededor de ella, es la viscosidad. LA VISCOSIDAD de un fluido es su resistencia a fluir libremente. Fluidos

espesos como la melaza tienen alta viscosidad porque no fluyen con rapidez. Fluidos delgados como el agua, fluyen rápidamente y tienen bajas viscosidades.

LA VISCOSIDAD La viscosidad es la resistencia que opone el aceite a fluir libremente. La viscosidad es una de las propiedades más importantes de un aceite lubricante. Es uno de los factores responsables de la formación de la capa de lubricación, bajo distintas condiciones de espesor de esta capa. La viscosidad afecta la generación de calor en rodamientos, cilindros y engranajes debido a la fricción interna del aceite. Esto afecta las propiedades sellantes del aceite y la velocidad de su consumo. Determina la facilidad con la que las máquinas se pueden poner en funcionamiento a varias temperaturas, especialmente a las bajas. La operación satisfactoria de una dada pieza de un equipo depende fundamentalmente del uso de un aceite con la viscosidad adecuada a las condiciones de operación esperadas.

VISCOSIDAD DINAMICA

El concepto básico de la viscosidad se muestra en la figura, donde una placa se mueve a una velocidad constante V sobre una capa de aceite. El aceite se adhiere a ambas caras de las placas, la móvil y la estacionaria. El aceite en contacto con la cara de la placa móvil viaja a la misma velocidad que ésta, mientras que el aceite en contacto con la placa estacionaria tiene velocidad nula. Entre ambas placas, se puede visualizar al aceite como si estuviera compuesto por muchas capas, cada una de ellas siendo arrastrada por la superior a una fracción de la velocidad V, proporcional a su distancia de la placa estacionaria. Una fuerza F debe ser aplicada a la placa móvil para vencer a la fricción entre las capas fluidas. Dado que esta fricción esta relacionada con la viscosidad, la fuerza necesaria para mover la placa es proporcional a la viscosidad. La viscosidad se puede determinar midiendo la fuerza necesaria para vencer la resistencia a la fricción del fluido en una capa de dimensiones conocidas. La viscosidad determinada de esta manera se llama dinámica o absoluta. La viscosidad dinámica normalmente se expresa en poise (P) o centipoise (cP, donde 1 cP = 0,01 P), o en unidades del Sistema Internacional como pascalessegundo (Pa-s, donde 1 Pa-s = 10 P). La viscosidad dinámica, la cual es función sólo de la fricción interna del fluido, es la cantidad usada más frecuentemente en el diseño de cojinetes y el cálculo de flujo de aceites. VISCOSIDAD CINEMATICA Debido a que es más conveniente medir la viscosidad de manera tal que tenga en cuenta la densidad del aceite, para caracterizar a los lubricantes normalmente se utiliza la viscosidad cinemática.

La viscosidad cinemática de un fluido es su viscosidad dinámica dividida por su densidad, ambos medidos a la misma temperatura, y expresada en unidades consistentes. Las unidades más comunes que se utilizan para expresar la viscosidad cinemática son: stokes (St) o centistokes (cSt, donde 1 cSt = 0,01 St), o en unidades del SI como milímetros cuadrados por segundo (mm2/s, donde 1 mm2/s = 1 cSt). La viscosidad dinámica en centipoise se puede convertir en viscosidad cinemática en centistokes dividiéndola por la densidad del fluido en gramos por centímetro cúbico (g/cm3) a la misma temperatura. La viscosidad cinemática en milímetros cuadrados por segundo se puede convertir en viscosidad dinámica en pascal-segundos multiplicando por la densidad en gramos por centímetro cúbico y dividiendo el resultado por 1000. MEDICION DE LA VISCOSIDAD Los procedimientos y el equipo para medir la viscosidad son numerosos. Algunos emplean los principios fundamentales de la mecánica de fluidos para tener la viscosidad en sus unidades básicas. Viscómetro de tambor giratorio

VISCO ELITE

Modelo

Gama de viscosidade

Velocidades fixas

Visco Elite L

15 – 2.000.000 cP

0.3 – 200

Visco Elite R

100 – 13.000.000 cP

0.3 – 200

Visco Elite H

2 – 1.060.000 Poise

0.3 – 200

Se hace girar el tambor exterior a una velocidad angular constante, mientras que el tambor interior se mantiene estacionario, el fluido que esta en contacto con el tambor giratorio tiene una velocidad lineal, conocida, mientras que el fluido que está en contacto con el tambor interior tiene una velocidad cero. µ = τ/(∆υ/∆y)

Viscómetro de tubo capilar

Lo constituyen dos recipientes conectados por un tubo largo de diámetro pequeño. (p1 – p2) D2

µ =  32 v L

Viscómetro estándar calibrados capilares de vidrio

Utilizados para medir la viscosidad cinemática de líquidos transparentes y opacos.

Viscosímetro capilar

Viscosímetros capilares automáticos y semiautomáticos

ViscoClock

Equipos de medida de la viscosidad capilar automáticos y semiautomáticos que facilitan este trabajo y con los que se obtienen valores de medida precisos y reproducibles. El ViscoClock es un medidor automático del tiempo de caída. Es una alternativa al cronómetro que le ahorrará tiempo y dinero y con la que eliminará el error humano en el cronometraje.

Viscómetro de caída de bola

VISCO BALL

BOLA nº 1 2 3 4 5 6

Gama medida ( mPa s) 0.6 a 10 7 a 130 30 a 700 200 a 4.800 1.500 a 45.000 > 7.500

Este funciona haciendo que una bola esférica caiga libremente a través del fluido y midiendo el tiempo requerido para que ésta recorra una distancia conocida. (ys – yf) D2 µ =  18v GRADOS DE VISCOSIDAD SAE La Sociedad de Ingenieros automotrices (SAE) ha desarrollado un sistema de valoración en aceites para motor y lubricantes de engranajes y de ejes que indica la viscosidad de los aceites a temperaturas específicas. Los aceites que tienen el sufijo W deben tener viscosidades cinemáticas en los intervalos indicados a 100º C. Los aceites de multiviscosidad, como el SAE 10W – 30, deben cumplir con las normas en las condiciones de baja y de alta temperaturas.

La especificación de valores de viscosidad máxima a baja temperatura para aceites está relacionada con la capacidad del aceite para fluir hacia las superficies que necesitan lubricación, a las velocidades de motor que se alcanzan durante el inicio del funcionamiento a bajas temperaturas. La viscosidad de bombeo indica la capacidad del aceite para fluir hacia la entrada de la bomba de aceite de un motor. Las especificaciones del intervalo de viscosidades a altas temperaturas se relacionan con la capacidad del aceite de proporcionar una película de aceite satisfactoria para llevar las cargas esperadas mientras no se tenga una viscosidad excesivamente alta que pudiera aumentar la fricción y las pérdidas de energía generadas por las partes en movimiento.

Alta temperatura Baja temperatura- Viscosidad dinámica Grado de viscosidad SAE 0W 5W 10W 15W 20W 25W 20 30 40 50 60

Condición de manivela* (cP) Máx. a (ºC) 3250 a -30 3500 a -25 3500 a -20 3500 a -15 4500 a -10 6000 a -5 -. -

Viscosidad Condición de cinemática + bombeo# a 100ºC (cSt) (cP) Máx. a (ºC) Min. Máx. 30000 a - 35 3.8 30000 a -30 3.8 30000 a -25 4.1 30000 a- 20 5.6 30000 a- 15 5.6 30000 a- 10 9.3 5.6