Elementos lubricados con grasa

Jesús Terradillos, Manuel Bilbao

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1. INTRODUCCIÓN

El propósito de la lubricación es la separación de dos superficies con deslizamiento relativo entre sí de tal manera que no se produzca ningún tipo de desgaste o daño en ellas. Lo que se pretende es que el rozamiento en el proceso de deslizamiento sea lo más pequeño posible. Para conseguir esto se intenta, siempre que sea posible, que haya una película de lubricante de espesor suficiente entre las dos superficies en contacto para evitar el desgaste.

La lubricación de las máquinas ha cambiado mucho en los últimos años, no sólo por la evolución de los lubricantes sino también por la utilización de los sistemas de engrase, cada vez más sofisticados. El mercado de grasas lubricantes no queda exento de cambios. Aparecen necesidades de lubricación más exigentes, y se requieren grasas de mayor calidad para periodos de lubricación más largos.

2. LUBRICACIÓN Y DISEÑO DE ELEMENTOS

Los componentes de la maquinaria industrial que necesitan habitualmente lubricación con grasa son:

1- Cojinetes 2- Rodamientos 3- Engranajes 4- Otras partes en movimiento

En este artículo se van a desarrollar los dos primeros puntos.

1.1. Cojinetes

Normalmente, el cojinete está fabricado por un material o aleación más blando que la pieza contra la que se mueve. Existen diferentes tipos de cojinetes en función de la aplicación.

A) Cojinetes longitudinales (Journal Bearings). El cojinete solo soporta al eje de la línea de carga.

B) Cojinetes de Guía (Guide Bearings). En este tipo de cojinetes se reparte mejor la carga. Normalmente, esta es menos que en los Cojinetes de Eje. Su superficie interior suele tener surcos para distribuir el lubricante y liberar presión.

C) Cojinete de Empuje (Thrust Bearing). Estos cojinetes acomodan el movimiento axial de un eje que rota.

Lubricación de Cojinetes.

Dependiendo de si la película de lubricante es capaz de separar las superficies a lubricar la lubricación, podrá ser de dos tipos:

Lubricación de Película Mixta (Boundary or Mixed Film Lubrication). Cuando no se forma la película y las superficies no están completamente separadas y existe algún tipo de contacto metal-metal.

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Lubricación Hidrodinámica (Hydrodynamic lubrication). Se forma la capa de lubricante con una presión suficiente como para poder separar las dos superficies a lubricar.

a) Lubricación de Película Mixta. Se pueden generar productos de descomposición del lubricante. Un caso típico es cuando se pone en marcha una máquina. Una parte de la grasa se va a mover con el eje y la otra va a permanecer más o menos estacionaria con el cojinete.

b) Lubricación Hidrodinámica. Si se aumenta la velocidad puede llegarse a formar la capa de película de lubricante. Los cojinetes suelen tener surcos para permitir a la grasa acceder a todas las partes en la longitud del cojinete.

c) Elección del lubricante. La elección entre grasa y aceite depende de la relación entre la velocidad del eje y la viscosidad.

Los cojinetes que funcionan a bajas velocidades utilizan aceites de viscosidad alta o grasas, mientras que los que van a altas velocidades necesitan aceites ligeros.

La grasa o aceite elegido debe tener la suficiente viscosidad como para mantener una capa de fluido continua.

1.2. Rodamientos

Un rodamiento está formado generalmente por bolas o rodillos situados en un compartimiento estanco y con un eje en movimiento.

A) Rodamientos de Bolas. El funcionamiento es similar al de un Cojinete. Pueden estar cerrados para impedir fugas de lubricante, o para evitar la entrada de contaminación externa: agua, polvo o suciedad.

B) Rodamientos de Rodillos. − Rodamientos Cilíndricos. Pueden soportar altas cargas radiales, y pueden operar

a altas velocidades. − Rodamientos Afilados. Puede soportar tanto cargas radiales como de empuje.

Muy usado en la industria de los coches. − Rodamientos Esféricos. Están limitados en velocidad soportando altas cargas

radiales y de choque. − Rodamientos de Aguja. Poseen una alta capacidad para soportar cargas.

Lubricación de Rodamientos.

La lubricación de rodamientos cumple tres funciones:

1. Reducir la fricción por rodadura y deslizamiento. 2. Proteger las superficies de los rodamientos contra la corrosión y el pitting. 3. Actuar como un sello. 1) Fuente de Fricción. La rodadura es la principal fuente de fricción en un rodamiento.

La fricción por rodadura aumenta debido a la deformación del metal cuando una bola o rodillo, bajo una presión, se mueve a lo largo del rodamiento. Se forma una

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deformación en la superficie interna del rodamiento debido a la resistencia al movimiento que ofrece.

Además se produce calor por fricción. Esto genera una acción abrasiva y un desgaste por deslizamiento.

Se genera desgaste por deslizamiento cuando los elementos del rodamiento están separados entre sí. También se produce cuando se disminuye la velocidad ya que se reduce la fuerza centrifuga de los elementos del rodamiento.

La fricción también se puede generar por corrosión en la superficie del metal, obteniéndose partículas de óxido abrasivo.

2) Capa Elastohidrodinámica (EHD). Los lubricantes que se usan en estos elementos están sujetos a altas presiones entre las zonas de contacto de los elementos del rodamiento, sufriendo un dramático aumento de la viscosidad.

Estos contactos a altas presiones deforman elásticamente la superficie del rodamiento aumentando la zona de contacto que soporte la carga. La combinación entre la deformación de la superficie y la acción de la lubricación hidrodinámica (EHD) produce una fina capa de lubricante elastohidrodinamico que es la que se da en las zonas de contacto de los rodamientos.

3) Lubricación con Grasas. La grasa se introduce en el rodamiento, pero solo una pequeña parte ejerce el papel de lubricar las zonas de contacto; el resto permanece intacta y funciona como un sello.

Cuando se cambia la grasa por una nueva, debido a que tiene que circular por los elementos se genera en un primer momento un aumento en la temperatura debido a la fricción y a turbulencias. Una vez que la grasa se ha asentado la temperatura disminuye a unos estados normales.

3. CRITERIO DE SELECCIÓN DE LA GRASA

La selección del lubricante depende en gran medida de las características del aceite o grasa que se vaya a utilizar. Dependiendo de la aplicación suele ser más conveniente utilizar un aceite o una grasa. Las grasas lubricantes suelen ser más convenientes en las siguientes aplicaciones:

a) Equipos que funcionan de manera intermitente o están largos periodos de tiempo parados.

b) Condiciones de funcionamiento extremas (altas temperaturas, presión, cargas por impacto, bajas velocidades).

Las grasas se utilizan fundamentalmente para:

a) Prevenir el desgaste b) Reducir la frecuencia de relubricación. c) Actuar como sellante. d) Proteger frente a la corrosión y herrumbre. e) Inhibidor de la oxidación.

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f) Suspender los aditivos sólidos. g) Reducir el ruido y vibración. h) Minimizar las fugas, chorreos y salpicaduras.

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Características de las grasas.

Propiedades Sodio Calcio (convencional)

Calcio (anhidro) Litio Complejo

de Aluminio Complejo de Calcio

Complejo de Litio Poliurea Arcillas

orgánicas Punto de Gota (ºC) 163-177 96-104 135-143 177-204 >260 >260 >260 243 >260 Temperatura máx.

uso 121 93 110 135 177 177 177 177 177

Resistencia al agua P-F G-E E G G-E F-E G-E G-E F-E Estabilidad al trabajo F F-G G-E G-E G-E F-G G-E P-G F-G

Estabilidad a la oxidación P-G P-E F-E F-E F-E P-G F-E G-E G

Protección herrumbre G-E P-E P-E P-E G-E F-E F-E F-E P-E

Bombabilidad P-F G-E F-E F-E F-G P-F G-E G-E G

Apariencia De lisa a fibrosa

Lisa, mantecosa

Lisa, mantecos

a

Lisa, manteco

sa

Lisa, mantecosa

Lisa, mantecosa

Lisa, mantecosa

Lisa, mantecosa

Lisa, mantecosa

Otras propiedades Adhesivas, cohesiva EP EP

EP, reversibl

e

EP, reversible

EP, antidesgaste EP EP

Volumen producción y tendencia Decayendo Decayendo Sin

cambios El Lider Aumentando Decayendo Aumentando Aumentando Decayendo

P = Pobre, F =Regular, G = bueno, E = Excelente

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En general, las principales aplicaciones de las grasas se encuentran en:

a) Automoción. b) Industria.

Servicio Requerimientos

Alta Temperatura

Espesantes de altas temperaturas Aceite con alta viscosidad Aceite con punto de inflamación alto Alto grado NLGI Resistencia a la oxidación

Baja Temperatura

Bajo porcentaje de espesante Grado NLGI bajo Aceite de baja viscosidad Aceite con un punto congelación bajo Resistencia a la herrumbre

Rango de temperatura de funcionamiento amplio

Espesantes de altas temperaturas Torque a bajas temperaturas bueno Buena bombabilidad Baja evaporación Resistencia a la oxidación Resistencia a la herrumbre

Sujeción al agua

Bajo rociado Consistencia firme Resistencia a la herrumbre

Extrema Presión

Valores de desgaste bajos Valores test de desgaste de EP altos Aditivos sólidos Aceite de alta viscosidad

Multipropuesta

Habitual EP-Antidesgaste Resistencia a la oxidación Resistencia a la herrumbre Bombeabiliad aceptable Resistencia al agua

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− Automoción.

Los rodamientos que se encuentran en las ruedas de un automóvil son la parte más crítica a lubricar. Trabajan bajo condiciones muy severas de temperatura y presión en ambientes hostiles (agua, nieve, polvo, barro, etc.). Están sujetos a cargas repentinas y altas temperaturas durante el frenado. Es importante que la grasa no se ablande demasiado ya que podrían producirse fugas, provocando fallos en el frenado.

• Desgaste (Fretting). Este daño en la pieza se genera debido a las cargas, ya que producen pequeñas vibraciones durante un largo tiempo. También se puede dar cuando un automóvil rueda por una carretera con muchos baches. Otra forma es cuando se tiene parado el automóvil mucho tiempo.

A veces las grasas tornan a un color rojo-marrón por la formación de óxidos rojos debidos a este “fretting”. Como los óxidos rojos son abrasivos, pueden generar desgaste en el elemento.

Dependiendo de los aditivos presentes en las grasas, algunas previenen mejor este fenómeno que otras. Por ejemplo, una grasa blanda con una viscosidad del aceite base baja, protege mejor que una dura.

• Vida del Rodamiento de la Rueda. Se puede aumentar utilizando una grasa adecuada, cambiándola cuando lo recomienda el fabricante y haciendo un seguimiento de la misma, comprobando las partículas presentes etc.

• Grasa de Juntas Universales. Se usan cuando se soportan grandes cargas.

• Grasa del Chasis. Para maquinaria pesada se necesitan grasas con una viscosidad aparente alta a velocidades de cizallamiento altas.

• Grasas de Chasis con Amplios Intervalos de Lubricación (ELI). Se usan en sistemas que se engrasan y sellan durante su fabricación y que normalmente no requieren relubricación más que en largos intervalos de tiempo.

• Grasas Multipropuesta. Se suelen usar en cualquiera de los elementos descritos antes.

• Grasas de Extrema Presión (EP). Estas grasas soportan altas cargas.

• Lubricantes de “Track Roller”. Estas grasas son especiales, son blandas NLGI 0 o semifluidas. Estos lubricantes deben tener unas buenas cualidades sellantes para proteger contra los abrasivos, tener una buena capacidad de soportar carga, proteger contra el desgaste tanto a bajas como altas velocidades bajo altas cargas de funcionamiento, y resisten al lavado con agua.

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− Industriales

• Aplicaciones en laminados (Steel Mill). Estas maquinas trabajan en ambientes muy hostiles.

• Papeleras. El problema fundamental de estas grasas es que trabajan con altas cantidades de agua, por lo cual debe poseer unas extraordinarias cualidades de lavado al agua y anticorrosivas.

4. MÉTODOS DE APLICACIÓN DE GRASAS

Las grasas se aplicar en función del número de cojinetes o otras partes en movimiento implicadas, y en las condiciones bajo las cuales la máquina funciona.

− Llenado a mano.

Aplicar la grasa antes de ensamblar las partes para su puesta en marcha. Este tipo de engrasado utiliza mucha grasa que no se aprovecha y permite la entrada de partículas extrañas y suciedad al sistema.

− Llenado con copa de grasa por compresión.

La grasa se introduce en una copa y esta se coloca en el lugar de engrase. A continuación se presiona para que vaya saliendo un hilo de grasa y se introduzca en la máquina. De esta manera se puede ir engrasando poco a poco. El fallo que tiene es que el reparto no es uniforme ni eficiente. Además, requiere frecuente atención.

− Llenado con copa de grasa automática.

Es un método más evolucionado que el anterior. Posee un reservorio de grasa con un dispositivo ON-OFF. De esta manera se controla el flujo de grasa que entra en el sistema. Tanto este sistema como el anterior no son recomendables para condiciones de trabajo con amplias variaciones de temperatura donde la consistencia de la grasa puede verse afectada.

− Aplicación de presión.

Es el método más usado para la aplicación de la grasa aplicando una presión adecuada. La grasa se introduce al sistema mediante una válvula con una bola que permite introducirse la grasa en el sistema. Cuando se deja de aplicar presión, la válvula se cierra para impedir que entre suciedad y que no se produzcan fugas.

Se elige este método frente a la copa de grasa por diferentes motivos:

• Con lubricación a presión, es posible lavar los cojinetes eliminando la grasa vieja y contaminantes.

• Una presión adecuada protege más efectivamente los cojinetes frente a la entrada de partículas extrañas.

• Este sistema es más efectivo porque la grasa usada se reduce al mínimo en el sistema.

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− Sistema de centralización automático.

Este sistema es con mucho el más económico de los métodos de engrasado. Permite lubricar varias partes de la máquina a la vez y en funcionamiento. Elimina los posibles problemas del engrasado a mano, facilitando también el engrasado de partes de la máquina de difícil acceso.

5. CONSIDERACIONES MEDIOAMBIENTALES

− Biodegradabilidad.

Una de las áreas en las cuales se está trabajando más, hoy en día, es la de mejorar las formulaciones de las grasas para optimizar el proceso de degradación, para que sea lo más natural posible. Las grasas biodegradables están compuestas esencialmente por los mismos componentes que las no biodegradables. La principal diferencia es el aceite base utilizado para la fabricación. Se están empezando a introducir cada vez más aceites vegetales y sintéticos biodegradables en sustitución de los minerales que no son biodegradables.

El reto actual está en utilizar aceites vegetales. Sin embargo, en aquellas aplicaciones en las cuales la temperatura es muy alta no queda más remedio que utilizar los aceites sintéticos, pero son bastante caros.

Las grasas biodegradables se fabrican con jabones de calcio, los cuales tienen una temperatura menor de trabajo. Otras grasas biodegradables se crean a partir de jabones de arcillas, poliurea y aluminio complejo, pero todas ellas tienen limitaciones de aplicación y/o costo.

Los componentes de una grasa biodegradable son:

− Aceite base 75-95%: Vegetal o Sintético. − Espesante 5-20%: Jabones convencionales. − Aditivos 1-8%: Inhibidores de la oxidación, Inhibidores de la corrosión, agentes

antidesgaste/EP. − Polímeros.

La Biodegradabilidad es la mayor consideración medioambiental a tener en cuenta, pero no es la única. Otros factores importantes que se deben tener en cuenta son:

• Toxicidad del producto final. • Uso de metales pesados (Pb, Sb). • Uso de cloro para dar características EP. • Aplicaciones para sellado de por vida para reducir la cantidad de grasas usadas. • Grasas, con formulaciones poliméricas, para reducir las fugas.

- Aplicaciones Sensibles.

Las aplicaciones o sectores industriales más típicos que tienen un alto impacto medioambiental, son entre otras:

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• Trenes (grasas de reborde y curva). • Minería (grasas de engranaje abierto). • Acería (lubricantes de laminación -rolling mill-). • Agricultura (lubricantes para la industria transformadora del algodón). • Construcción (lubricantes para máquinas de perforar). • Marina. • Selvicultura (lubricantes de levas). • Eólica

- Responsabilidad Global

Hoy en día ya no tienen tanta importancia los problemas de costo y funcionamiento para la formulación y fabricación de las grasas, sino que se empiezan a tener en cuenta otros factores:

• Restricciones ambientales. • Biodegradabilidad. • Aumento de la conciencia del impacto ambiental a través del ciclo de vida del

producto, desde la formulación y fabricación hasta su uso final. • Mayor información del producto respecto al manejo, uso, eliminación, y riesgo

potencial.

6. DIAGNÓSTICO DE APLICACIÓN DE GRASAS.

Síntoma Posible Causa Comprobar

Rodamientos Ruido excesivo Estado del cojinete Cojinete gastado

Sobrecalentamiento

Sobre-engrasado Aplicación demasiado frecuente Cojinete con demasiada grasa

Lubricación deficiente Frecuencia de engrasado insuficiente

Producto incorrecto

Viscosidad del aceite base incorrecta Habilidad deficiente de soportar la carga (Calidad EP) Excesiva fuga de lubricante

Fuga excesiva de lubricante

Juntas

Daño mecánico Hinchamiento o disminución excesiva Instalación incorrecta

Grado NLGI incorrecto Grasa demasiado blanda para la aplicación o se emblandece en servicio

Incompatibilidad de grasas Mezcla de las grasas

Recambio frecuente del rodamiento Desgaste excesivo

Poca capacidad de soportar cargas Lubricación deficiente Contaminación de arena, polvo, agua

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Demasiado tiempo de vida del rodamiento Grado NLGI incorrecto

Desalineamiento Alineamiento correcto Cojinetes Planos

Sobrecalientamiento

Distribución de la grasa inadecuada en el cojinete Grado NLGI incorrecto

Lubricación deficiente Surcos de los cojinetes incorrectos Lubricación deficiente

Aplicación de la grasa incorrecta

Estabilidad mecánica de la grasa en servicio

Desgaste excesivo

Lubricación deficiente Lubricación infrecuente Lubricación deficiente

Mala aplicación de la grasa

Poca capacidad de soportar cargas Rango de temperatura de la grasa

Engranajes C errados

Fugas excesivas

Grasa demasiado blanda para la aplicación Grado NLGI incorrecto

Incompatibilidad de grasas Contaminación con grasa incompatible

Ruido Falta de lubricación Nivel de lubricante inadecuado Grado NLGI incorrecto

Sobrecalentamiento Falta de lubricación

Nivel de lubricante inadecuado Grado NLGI incorrecto

Hacerse churros Sobrelubricación Grado NLGI incorrecto

Rotura del diente Normalmente no está relacionado con el lubricante

Picado Relacionado con el mal diseño o con la fatiga

Cuando no está relacionado con el lubricante, una grasa o aceite base con una viscosidad alta puede ayudar a retrasar el picado

Desgaste y “scoring”

Falta de lubricación de la película Nivel de lubricante inadecuado

Aplicación inadecuada de la grasa

Consistencia, calidad EP, y viscosidad del aceite base

Desgaste abrasivo Contaminación Desalineamiento Alineamiento correcto

Engranajes abiertos

Desgaste del engranaje Falta de lubricación de la película

Lubricante inadecuado Frecuencia de aplicación inadecuada

Buildup en los engranajes o en las roots

Lubricación excesiva

Lubricación demasiado frecuente Tipo apropiado de lubricante Contaminación

Superficies deslizantes Movimiento no Lubricación insuficiente Frecuencia de aplicación

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uniforme (stick slip) Tipo apropiado de lubricante Juntas Universales

Desgaste excesivo Lubricación insuficiente

Tipo apropiado de lubricante Frecuencia de lubricación de la grasa

Motores Eléctricos Mal funcionamiento eléctrico Excesivas fugas de grasa Frecuencia de lubricación

Altas temperaturas Sobre lubricación Enganches (Couplings)

Enganche seco Fuga excesiva de grasa

Daño en los sellos Grado NLGI inadecuado Keyway abiertos

Grasa endurecida Separación por centrifugación Tipo de lubricante adecuado

Desgaste excesivo Grasa incorrecta Tipo de lubricante adecuado Lubricadores Centralizados

No hay grasa en los puntos de aplicación

Resevóreos vacíos Llenar con el lubricante adecuado

Mal funcionamiento de la bomba Suministro de aire/electricidad

Plugged metering blocks Tipo de lubricante adecuado Sistema airbound

Presión del sistema alta Plugged metering devices Contaminación

Válvula de alivio funciona mal Comprobar y reparar

Grado NLGI inadecuado Tipo adecuado de lubricante Aplicaciones Húmedas

Ruido, alto desgaste Lubricación insuficiente

Frecuencia de aplicación Tipo adecuado de lubricante

Lavado del lubricante Tipo adecuado de lubricante

Herrumbre excesiva Aplicación inadecuada de la grasa Tipo adecuado de lubricante

Alta Temperatura

Ruido, alto desgaste Lubricación insuficiente Frecuencia de aplicación Tipo adecuado de lubricante

Fuga excesiva

Incompatibilidad de grasas Tipo adecuado de lubricante

Grado NLGI inadecuado Contaminación con grasa incompatible

Viscosidad del aceite base inadecuada

Contaminación con grasa incompatible

Sellos La grasa y el sello son incompatibles

Endurecimiento de la grasa

Aplicación de la grasa inadecuada Tipo de espesante

Oxidación de la grasa