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Teoría y Práctica de la Lubricación
Las funciones básicas de un lubricante son:
reducción de la fricción, disipación del calor y dispersión de los
contaminantes. El diseño de un lubricante para realizar estas funciones es una
tarea compleja, que involucra un cuidadoso balance de propiedades, tanto del
aceite de base como de los aditivos.
Reducción de la Fricción
La reducción de la fricción se realiza manteniendo una película de
lubricante entre las superficies que se mueven una con respecto de la otra,
previniendo que entren en contacto y causen un daño superficial. La fricción
es un elemento común en la vida diaria. Una persona puede caminar por una rampa
inclinada sin resbalar debido a la alta fricción entre la suela de sus zapatos
y la rampa, y puede deslizarse montaña abajo en sus esquíes porque la
fricción entre éstos y la nieve es baja. Ambos casos ilustran la fricción
entre dos superficies ordinarias.
La cantidad de resistencia al movimiento debido a la fricción se puede
expresar en términos del coeficiente de fricción:
Este coeficiente es casi constante para cualquier par de superficies. Para
metales limpios, con una terminación superficial ordinaria, expuestos a la
atmósfera, el valor es aproximadamente 1. Para el mismo metal, contaminado por
el manipuleo, el valor cae a alrededor de 0,3. Para sistemas bien diseñados y
lubricados, el coeficiente puede ser tan bajo como 0,005. Bajo condiciones muy
especiales, se pueden obtener valores tan bajos como 0,000005. En contraste, los
coeficientes para superficies metálicas limpias en el vacío, pueden ser tan
altos como 200 o más, y la soldadura en frío debido a la adhesión puede
ocurrir. La lubricación es de dos tipos generales basado en el ambiente
operacional, esto es, carga y velocidad del equipamiento y viscosidad del
lubricante. Las superficies lisas separadas por una capa de lubricante no entran
en contacto, y por lo tanto no contribuyen a las fuerzas de fricción. Esta
condición se llama lubricación hidrodinámica. Se llega al límite de la
lubricación cuando hay un contacto intermitente entre las superficies,
resultanto en fuerzas de fricción significativas.
Lubricación hidrodinámica
Mantener una capa de líquido intacta entre superficies que se mueven una
respecto de la otra, se logra generalmente mediante el bombeo del aceite. Entre
un cigueñal y su asiento existe una capa de aceite que hace que el cigueñal
flote. El espesor de esta capa depende de un balance entre la entrada y la
salida de aceite.
El espesor de equilibrio de la capa de aceite se puede alterar por:
- Incremento de la carga, que expulsa aceite
- Incremento de la temperatura, que aumenta la pérdida de aceite
- Cambio a un aceite de menor viscosidad, que también aumenta la pérdida
de aceite
- Reducción de la velocidad de bombeo, que disminuye el espesor de la capa
La lubricación de un cigueñal que rota dentro de su bancada es un ejemplo
clásico de la teoría de la fricción hidrodinámica, como fue descripta por
Osborne Reynolds en 1886. La teoría asume que bajo estas condiciones, la
fricción ocurre solamente dentro de la capa fluída, y que es función de la
viscosidad del fluído.
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.
Pérdida de lubricación
Las hipótesis simples hechas durante la discusión anterior, no siempre son
válidas en la práctica. Bajo ciertas condiciones - tales como carga repentina,
alta carga durante largo tiempo, alta temperatura, baja velocidad, o baja
viscosidad - el sistema de lubricación no se mantiene en régimen
hidrodinámico. Se llega a una situación en la cual existe un contacto
intermitente entre las superficies metálicas, resultando en un aumento
significativo de la temperatura, y una posterior destrucción de las superficies
en contacto. Bajo estas circunstancias, la capa fluída no es capaz de proteger
las superficies, y se deben emplear otras técnicas, como ser el agregado de
aditivos formantes de capas protectoras sobre las superficies móviles.
Viscosidad del lubricante
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.
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 fluídas. 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 fluído 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 pascales-segundo
(Pa-s, donde 1 Pa-s = 10 P). La viscosidad dinámica, la cual es función sólo
de la fricción interna del fluído, es la cantidad usada más frecuentemente en
el diseño de cojinetes y el cálculo de flujo de aceites. 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 fluído 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 milímetos 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 fluído 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. Resumiendo:
Se han utilizado otros sistemas de medida, incluyendo Saybolt, Redwood y
Engler, debido a su familiaridad para muchas personas, pero son raros los
instrumentos desarrollados para realizar las mediciones en estas unidades. La
mayoría de las determinaciones de viscosidad se realizan en centistokes y se
convierten a valores de otros sistemas. La viscosidad de cualquier fluído
cambia con la temperatura, incrementándose a medida que baja la temperatura, y
disminuyendo a medida que ésta aumenta. La viscosidad también puede cambiar
con un cambio en el esfuerzo o velocidad de corte .
Para comparar los aceites con base de petróleo con respecto a variaciones de
viscosidad con la temperatura, el método ASTM D 2270 proporciona una manera de
calcular el índice de viscosidad (IV). Este es un número arbitrario utilizado
para caracterizar la variación de la viscosidad cinemática de un producto de
petróleo con la temperatura. El cálculo se basa en mediciones de la viscosidad
cinemática a 40 y 100 ºC. Para aceites de viscosidad cinemática similar, a
índices de viscosidad más grandes, más pequeño el efecto de la temperatura.
Los beneficios de un IV más alto son:
- Viscosidad más alta a mayor temperatura, lo cual resulta en un menor
consumo de aceite y desgaste del motor.
- Menor viscosidad a bajas temperaturas, lo cual permite un mejor arranque
en frío del motor y menor consumo de combustible durante el calentamiento.
La medición de viscosidades absolutas bajo condiciones reales ha reemplazado
al concepto de índice de viscosidad convencional para evaluar lubricantes bajo
condiciones de operación.
Otro factor en la medición de viscosidades es el efecto del esfuerzo de
corte o velocidad de corte. Para ciertos fluídos, llamados Newtonianos, la
viscosidad es independiente del esfuerzo o la velocidad de corte. Cuando esta
condición no se cumple, los fluídos son llamados no-newtonianos.
Las mediciones de viscosidad cinemática se realizan a velocidades de corte
bajas (100 s-1). Se dispone de otros métodos para medir la
viscosidad a velocidades de corte que simulan las condiciones de operación del
lubricante. Dentro de los diferentes instrumentos disponibles mara la medición
de la viscosidad cinemática, se pueden mencionar:
- Viscosímetros capilares: que miden la velocidad de flujo de un
volumen fijo de fluído a través de un orificio de diámetro pequeño, a
una temperatura constante y controlada. La velocidad de corte puede variar
entre casi 0 a 106 s-1 cambiando el diámetro del
capilar y la presión aplicada. Los tipos de viscosímetros capilares y sus
modos de operación son:
- Viscosímetros de capilar de vidrio - el fluído para a través
de un orificio de diámetro fijo bajo la influencia de la gravedad. La
velocidad de corte es menos de 10 s-1. Todas las viscosidades
cinemátidas de lubricantes para automóviles se miden con
viscosímetros capilares.
- Viscosímetros capilares de alta presión - aplicando un gas a
presión, se fuerza a un volumen determinado del fluído a pasar a
través de un capilar de vidrio de pequeño diámetro. La velocidad de
corte se puede variar hasta 106 s-1 . Esta
técnica se utiliza comúnmente para simular la viscosidad de los
aceites para motor en las condiciones de operación.
Esta viscosidad se llama alta temperatura-alto corte (HTHS por su sigla
en inglés) y se mide a 150 ºC y 106 s-1
Viscosímetros rotatorios, que usan el torque de un eje rotatorio
para medir la resistencia al flujo del fluído. El Simulador de Cigueñal
Frío (CCS), el mini-viscosímetro rotatorio (MRV), el viscosímetro
Brookfield y el Simulador de Cojinete Cónico (TBS) son viscosímetros
rotatorios. La velocidad de corse se puede cambiar modificando las dimensiones
del rotor, el espacio entre el rotor y la pared del estator, y la velocidad de
rotación.
- Simulador de Cigueñal frío: El CCS mide la viscosidad aparente
en el rango de 500 a 200.000 cP. Los rangos de velocidades de corte van
entre 104 y 105 s-1. El rango normal de
temperaturas de operación está entre 0 a -40 ºC. El CCS ha demostrado
una excelente correlación con los datos de cigueñales de máquinas a
bajas temperaturas.La clasificación de viscosidades SAE J300 especifica
el comportamiento viscoso de aceites para motor a bajas temperaturas
mediante límites del CCS y requisitos del MRV.
- Mini-viscosímetro Rotatorio(ASTM D 4684): La prueba con el MRV,
que está relacionado con el mecanismo de bombeo, es una medición a baja
velocidad de corte. La baja velocidad de enfriamiento es la
característica clave del método. Se trata una muestra para que tenga una
historia térmica que incluya ciclos de calentamiento, enfriamiento lento
y remojado. El MRV mide una aparente tensión admisible, la cual, si es
más grande que el valor umbral, indica un posible problema de bombeo por
mezcla con aire. Por sobre una cierta viscosidad (normalmente definida
como 60.000 cP por la SAE J300), el aceite podría estar sujeto a una
falla de bombeo por un mecanismo llamado comportamiento de "flujo
límite". Un aceite SAE 10W, por ejemplo, se requiere para tener una
viscosidad máxima de 60.000 cP a -30 ºC sin tensión admisible. Este
método también mide una viscosidad aparente bajo velocidades de corte de
1 a 50 s-1
- Viscosímetro Brookfield: Determina un amplio rango de
viscosidades (1 a 105 P) bajo una baja velocidad de corte (hasta 102
s-1). Se usa principalmente para determinar la viscosidad a
baja temperatura de aceites para engranajes, transmisiones automáticas,
convertidores de torque y aceites hidráulicos para tractores,
automóviles e industriales. La temperatura del ensayo se mantiene
constante en el rango de -5 a -40 ºC.
La técnica de ensayo Brookfield mide la viscosidad Brookfield de una
muestra a medida que es esfriada a velocidad constante de 1 ºC por hora.
Como el MRV, este método intenta correlacionar las características de
bombeo de un aceite a baja temperatura. El ensayo informa el punto de
gelificación, definido como la temperatura a la cual la muestra llega a
30.000 cP. El índice de gelificación se define como la relación entre la
mayor velocidad de cambio en el incremento de la viscosidad desde -5 ºC y
la temperatura más baja del ensayo. Este método encuentra aplicación en
aceites de motores, y es requerido por la ILSAC GF-2.
- Simulador de Cojinete Cónico: Esta técnica también mide
viscosidades a altas temperaturas y velocidades de corte (ver Viscosímetro
capilar de alta presión). Se obtienen altas velocidades de corte usando
distancias extremadamente pequeñas entre las paredes del rotor y estator.
Los requerimientos físicos tanto para aceites para cigueñal como para
engranajes están definidos por la SAE J300
Otra importante función de un lubricante es actuar como un enfriador,
removiendo el calor generado por la fricción o por otras fuentes tales
como la ocmbustión o el contacto con sustancias a alta temperatura. Para
realizar esta función, el lubricante debe permanecer relativamente sin
cambios. Los cambios en la estabilidad térmica y estabilidad a la
oxidación harán disminuir la eficiencia del lubricante. Para resolver
estos problemas es que generalmente se agregan los aditivos.
Suspensión de contaminantes
La habilidad de un lubricante para permanecer efectivo en la presencia
de contaminantes es bastante importante. Entre estos contaminantes se
cuentan agua, productos ácidos de la combustión y materia particulada.
Los aditivos son generalmente la respuesta para
minimizar los efectos adversos de los contaminantes.
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