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Aceites antrac Aceites de piz de lignito Uauidos

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Page 1: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

DE ORIGEN MINERAL (Continuacioacuten)

Estado fiacutesico Designacioacuten Aplicaciones

Talco y mica Para incorporar a las grasas ( como cargas inertes

Grafito Como lubricante seco en distintas formas de aplicaciones Para aceites grafitados Para grasas grafitadas

Azufre en estado Pulverizado o en solucioacuten(libre coloidal en casos de gripaje Azufre combinado Para aceites de corte y como

aditivo r Bisulfuro de Lubricante seco en distintas molibdeno formas de aplicacioacuten

Aceites con el MoS2

incorporado en el proceso de fabricacioacuten Grasas al bisulfuro de molibdeno

Parafinas y ceras Productos anti-herrumbrerMinerales shy

Aceites antracenicos [ Para despueacutes de refin~d os

agregarles productos espesantes

Aceites de pizarra o Aceites de sustitucioacuten de 1~3 de lignito petroliacuteferos con altos

Uauidos contenidos de iexcl ~ -r

(Contin u acioacuten) shyAceites de petroacuteleos r De maxlmo empleo y el

grupo maacutes importante de los lubricantes existentes

shy

Pastosos Petrolatum Recubrimientos anti-herrumbre vaselinas preparacioacuten de lubricantes

especiales o productos complejos etc

Fuente (Crespo 1972)

Aacute 91 Lubricantes minerales

0 1911 Aceites minerales )

Forman la mayor parte de los lubricantes de uso comuacuten son derivados de los hidrocarburos (petroacuteleo) y elaborados a partir de sus bases parafinicas naftasicas y aromaacuteticas

- Aceites parafinicos ( )

Cadena parafinica CNH2N + 2

Son relativamente estables a altas temperaturas y contienen una alta proporcioacuten de cera disuelta esto permite que tiendan a solidificarse a temperaturas maacutes altas que los aceites nafteacutenicos

--- O - ()-----shy- Aceites nafteacutenicos

Cadena nafteacutenica CNH2N

Contienen un alto porcentaje de asfalto y son menos estables que los parafiacutenicos a temperaturas altas pero contienen muy poca ce ra y estq ptr~ ite que permanezcan liacutequidos a bajas temperaturas La viscosidad de estos aceites variacutea maacutes que la de los parafinicos con los cambios de temperatura y por esto los aceites nafteacutenicos son inferiores a los parafinicos a temperaturaS superiores de 150degF En lubricantes estos aceites se conocen tambieacuten con el Qombre de asfaacutelticos

- Aceites mezclados

Son una mezcla de aceites nafteacutenicos y parafiacutenicos

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I

192 Lubricantes sinteacuteticos

SOLtabricadOS mediante reacciones quiacutemicas de sintesis de algunos compuestos tales como_~eres polimeros poliglicoles com~estos clorinados o flurinados- hidrocarburos sintetizados (SHF) obtenidos a partir de Ia~ mismas basesde QetrOacuteJeo sometidas a procesos posteriores de refinacioacuten Gracias-a_sus caracteristicas mejoradas ganan cada diacutea presencia en el mercad_o_a pesar de-su mayor costo

Los lubricantes sinteacuteticos se utilizan donde los aceites minerales no ofre~na

proteccieacuten con~ ya sea porque operan a altas o bajas temperatura~ o eQ ambientes criticos como es el caso de compresores centrifugos en plantas petroqu iacutemicas que comprimen gases de hidrocarburos como el isobutano que a a lugar a un alto grado de dilucioacuten disminuyendo peligrosamente el espesor de la peliacutecula lubricante

El desarrollo de los aceites lubricantes ha esta determinado por las exigencias de algunas maacutequinas y procesos y particulares mecanismos los cuales han sobrepasado las posibilidades ofrecidas por los aceites derivados del petroacuteleo ello ha obligado a investigadores y teacutecnicos de lubricacioacuten al estudio y formulacioacuten de lubricantes sinteacuteticos cuya importancia y apl icacioacuten sigue en constante aumento Igualmente la crisis energeacutetica ha planteado la necesidad de formular y fabricar lubricantes de larga duracioacuten y maacutes amables en el ambiente Ver figura 11

Los lubricantes sinteacuteticos ameritan su utilizacioacuten cuando se quieren ampliar las frecuencias (periacuteodos) de cambio reducir el consumo de potencia reducir la reposicioacuten de partes (repuestos) y alcanzar la maacutexima capacidad productiva de la maquinaria

En los cuadros 17 18 Y 19 se presentan las principales bases de los aceites sinteacuteticos y una comparacioacuten de las principales bases lubricantes

1 93 Lubricantes grasos

1931 Aceites orgaacutenicos

Son extraiacutedos de los animales vegetales y peces Estos fueron por muchos antildeos los uacutenicos lubricantes fluidos conocidos Todos ellos se descomponen maacutes o menos con facilidad por la accioacuten del caluumlr y tienden a oxidarse formando gomas a temperaturas comparativamente bajas En la actualidad se usan mezclados con

eites minerales

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TAN ~--~~~~~~~~~--------~

mgrKOH Qr oc u bull

4 5 2 3 -lNOS DE SERVICIO

FIGURA 11 Comparacioacuten de duracioacuten de un aceite sinteacutetico y un aceite mineral

Fuente (Albarraciacuten 1993)

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CUADRO 17 Propiedades de aceites minerales y sinteacuteticos

PROPIEDAD Aromaacuteshy Estere E~lerM Eater

Ao~lla iexclIca do Pallllklshy de Elerltl fluQr~ di mineral Polialtaoacuteshy alquila- aacutecido Pollhmiddot lene aacutecido SIII de earboshy polishy

tiplco lefina tados dlbAacutellco litre gllcol odoacuterlco cona8 silicato nos enll

Caracterlslic8S Viscosidad middotIemper atura M B M E MB a p E E M P

De sempello a bajas temperaturas p B B B 8 8 M B 8 B P

Estabi lidad 8 la oidaci6n

(con inh lb idor) M M8 M M6 M r 8 M8 M8 E MB

Olmpatibilidad con aceites

m inerales E E B M P M P M P B

Volatilidad M B [3 E E O B O O M 8

Olmpat ibilidad con

pinluras y barn ices E E E B M M P B M 8 M

Estabilidad la hidrOacute liSI S E E E M M B M [3 P M8 E

CatBCI9fistcas an1iherrurnbr e (con Inhlbidor) E E E M M 8 M B

Soubilidad con ad ll iyos E 8 E M8 MB M 8 P

Tendencia a ab landar el BUNA N L N L M F L F L L M L

P( oplfdade~ lubrlC8nllJ B B B Me MB B E M M E E

Estubilodacl reacute rmlc~ M M M 8 8 B M 118 8 Me E

Rsr slencia alluiexclgo p p P M M M E M M E I~

CoSIO ba o medio mecio m edio m edIO m eritO medio alto 8110 m uy iexcliexcl1 1O muy alto

---shyOtJ~(JIIJ con P utl1 0 L LHfJ J M Mt(t( bullbull J J (J Ulu-middotnJ I1D bullbull ylflJun eacute E rtJtJ t lf u Nm~und f fl~liacute

F UEl llc (Albarraciacuten 1993)

CUADRO 18 Principales bases sinteacuteticas

Utilizacioacuten Bases Aplic2cJoacuten

Principal Polialfaolefinas (PAO)-------- Auto Ind a ro Diesteres------------------------- I nd a u [O aero Esteres polloles----------------- Aero auto Ir eJ Polialquiien glicoles (PAG) -- Ind A ro

Medio Polibutenos----------------------shy I nd a u o Dialquil Benceno (OA3) auto In Esteres de fosfatos In aero

Menor Siacutelicones Esteres de polifenil

Aero Ind aulO Aero

En orden de importancia decrec iente

Auto Automotriz Ind Industrial (Compresores) Aero Aerospacial

Fuente (Ruiz 1992)

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CUADRO 19 Caracteriacutesticas de algunas bases lubricantes

Base Ventaja Desventajas

Aceite mineral

Esteres pinturas (Dilata)

Hidrocarburos

DialquiJ bencenos

Polialquilicen Glicoles

Siexclliexclcones

middot Costo middot Disponibilidad

middot Detergencia

middot Ranngo de T emperat middot Compatibilidad con

sellos y pinturas (encoge)

middot Indice de viscosidad

Bajas temperaturas middot Refrigerante compatibilidad

middot Dificultades para miscibilidad

middot Desplazamiento del agua

middot Indice de viscosidad middot Resistencia quiacutemica

middot altas temperaturas middot Estabi lidad a la oxidacioacuten middot Bajas temperaturas middot Formacioacuten de depoacutesitos

Compatibilidad con sellos y

middot Solubilidad de aditivo middot Depoacutesitos middot disponibilidad

middot Volatilidad middot Indice de viscosidad

middot Lubricidad

middot Lubricidad middot Compatibilidad con los sellos encoge) middot Costo

Fuente (Ruiz 1992)

Todos los aceites orgaacutenicos son compuestos de alcoholes y aacuteCidos grasos y todos f contienen aacutecido libre especialmente al calentarse u oxidarse en presencia del

) agua

Muchos de estos aceites como el de CASTOR tienen grandes moleacuteculas aacutecidas en un extremo y aceitosas en el otro El aacutecido se combina con el metal dejando los hidr9carburos en forma de una carpeta Si la pelicula lubricante se rompe estas colas se deslizan unas sobre otras prev iniendo el contacto metaacutelico Esta es la razoacuten de mezclarlos con los aceites minerales dando asiacute proteccioacuten adicional en caso de cargas pesadas o inadecuijdo suministro de aceite Tales mezclas son conocidas como aceites compuestos Otra ventaja de los aceites orgaacutenicos es sus habilidad para formar emulsiones estables con el agua Estas emulsiones tienen muy buena cualidad de lubricantes

Estos aceites provienen de los animales y de los vegetales Antiguamente se utilizaban como lubricantes hoy en diacutea se mezclan con aceites minerales con el fin de proporcionar algunas propiedades tales como untuosidad o adherencia

Las materias primas o fuentes mas conocidas y utilizadas son Higuerilla nCInO castor y cebos

11 94 Lubricantes compuestos (compound )

Es una mezcla de aceites minerales (85) y aceites orgaacutenicos (15)

0 95 Compuestos Bituminosos

- Se forman a partir de aceites minerales mas fosfatos Tienen la caracteriacutestica de

~poder adherirse fuertemente a las superficies Se utilizan en engranajes de baja velocidad y gran tamantildeo

96 Presentacion fisica de los lubricantes

Los lubricantes pueden tener las siguientes presentaciones

961 Soacutelidos

ELmaacutes-comuacutemrlenle-usado es el grafito el cual se adhier~_ a I ~s sectuperficles en capas formandomiddotescamas tienen la oteacuteljas de g-~ Jienden a Uena [ lo_s vaciacuteos de 1ordfssuperficies- metaacute1icas Pueden usarse como polvo aplicado directamente o en suspensioacuten coloide con aceite En la uacuteltima forma tienden a separarse en forma de un lodo que se deposita en los tanques o en los conductos especialmente cuando estaacuten sometidos a fuerzas centriacutefugas Su uso en sistemas de lubricacioacuten forzada debe evitarse

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Los grados comercialmente de grafitos contienen impurezas y no deben usarse como lubricantes a menos que esteacuten preparados para este servicio Se usan tambieacuten como lubricantes mica talco y Jaboacuten de roca estos son inferiores al grafito pero tienen mas resistencia a la oxidacioacuten a altas temperaturas En antildeos recientes se han desarrollado lubricantes soacutelidos como el molibdeno y el sulfuro de tugsteno que resisten altas presiones y temperaturas (750degF y 100000 Ibpulg2

) Otros lubricantes soacutelidos antildeadidos a los aceites en suspensiones son jabones de plomo otros compuestos orgaacutenicos de plomo foacutesforo cloro y azufre Antildeadimos a los aceites en pequentildeas cantidades sirven como aditivos de extrema presioacuten que reaccionan con los materiales de los cojinetes para formar superficies de bajo coeficiente de friCCioacuten

g stos l ubricaJJ~~ se utilizan PJ condiciones de servICIO muy severas tales como temperatura~ altas carfjas--aHas y medio ambiente muy contamintildeadQs S e utilizao_tarnhieacuteA -uandO--Jo$ meGan~smos- de lusrfcac+oacuteR son inaccesibles y_se requiere por este motivo periodos de lubricacioacuten muy largos

Ejemplos de estos lubricantes El grafito el bisulfuro de molibdeno el bisulfuro de tugsteno el teflon el polietileno la mica el nltruro de boro la plata el cadmio el plomo y algunos poliacutemeros

9 62 Semisoacutelidos

r ~S-ordmD-Compuestos que por su consistencia pueden permanecer mas faacutecilmente sobre las superficies formando la peliacutecula lubricante Es el caso--tiacutepiee de las ~ grasas las cuales estaacuten formadas por una base lubricante y un jaboacuten que puede_

ser de calcio sodio aluminio etc De acuerdo con la consistencia es mas o J menos soacutelida

3 grasa se--empleeacute normales de velocidad y temperatura La-grasa tiene algunas ventajas sobre-el aceite Por ejemplo la instalacioacuten es mas sencilla y proporciona proteccioacuten contra la humedad de impurezas

1962 1 Grasas lubricantes

Lo que se denomina pastas son generalmente mezclas de aceites lubricantes soacutelidos como el grafito el bisulfuro de molibdeno y otros Las grasas son llfl

producto con vaLias presentaciones desde el soacutelido hasta el semifluido y se obtiene por la dispersioacuten de un agente Uaboacuten metaacutelico) en un liacutequidoJ ubricante (acerte-middot bmiddotase) Por lo general todas las grasas tienen una base de Jaboacuten para impartirle cuerpo y ciertas caracteristicas ) Los tipos de Jabones metaacutelicos empleados en la elaboracioacuten de grasas son los de SOdiO calcio litio bario y aluminio Ademaacutes existen algunas grasa que no tienen base de jaboacuten sino un

7-1

compuesto quiacutemico que le da ciertas caractenstlcas especiales En el cuadro 20 se senalan las temperaturas de operacioacuten de las grasas lubricantes

r a facultad de las grasas lubricantes de operar en tan diferentes aplicaciones bajo una amplia variedad de condiciones y medio ambientales constituyen un testimonio ae la flexibilidad de su composicioacuten Las grasas son formulas complejas de espesantes componentes estructurales bases fluidas y aditivos disenados para cumplir requisitos de aplicacioacuten especiacutefica ~_~eacutel_Qq() se usan como lubricante-- lasmiddot grasas tienen -un comportamiento muy p_arecido al de los_ aceites Red~cen_friccLoacutengenerando una pelicula que separa_ las superficies en movimmiddotiemo Sin embarg9 tienen Ia ventaja de permanecer donde se aplicanL y tienen menos_Qrobabilidad de escapar de una maacutequina o de las superficies que lubrican si se -encuentran oajo efectos de la fuerza de gravedad o middot fuerza centriacutefuga Al mi~ tieJTlpo las geasas pueden formar un sello efectIVO contreacutel la humedad-y -conta-m-tnCtntes soacutelidos~

La composicioacuten de la grasa se puede definir como

Aceite base + Agente espesante + Aditivos

1 1 1 -Mineral Jaboacuten (calCIO sodiO litio) AdheSIvidad antidesgaste

antioxidante EP (colorantes anticorrosIvo antiespumantes estabili zadores

El aceite da a las grasas sus caracteriacutesticas lubricantes y el espesante las propiedades fiacutes icas tales como soportar altas temperaturas humedad aacuteCidos y otros tipos de contaminantes Se podriacutea deCir que una grasa es una especie de esponja saturada de aceite que a medida que trabaja dosificado sobre el mecanismo que estaacute lubricado En el cuadro 21 se resentildea ciertas caracteriacutesticas importantes de algunas grasas lubricantes Tambieacuten en la figura 12 se muestra el efecto de la temperatura sobre la frecuencia o Intervalos de lubricacioacuten factor importante que incide sobre los costos de manten imiento

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CUADRO 20 Temperatura de operacioacuten de grasas lubricantes

Espesante Temperatura

Oc OF

150

Jaboacuten de sodio 120

Jaboacuten de calcio 65

250

Jaboacuten de litio 120 250

Jaboacuten complejo de aluminio 120 250

Jaboacuten complejo de calcio 135 275

Jaboacuten complejo de litio 150 300

Sinteacuteticas 205 400

Fuente (Terpel)

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77

CUADRO 21 Propiedades de grasa lubricantes

Espisanti Textura Punto di Esta bili dad Rsi slincia Apli cacioacuten Condiciones goteo al trabaj o al agua de operacioacuten

ALU t-- lI NIO SUAVE (911f10) POBRE SU COSTO LIMITA SU Re sistencia al lavado ( 195 -2 30) BUENA USO Buena adhesividad

CO~ lPLE J O SUAVE 24 0-270 BUENA QUENA DF AL W-lI NIO ( 465-52 0)

CA LCI O SUAVE 99 -1 02 BUENA EXCF LENTE Cojinetes Agi tacioacuten y batid o no (2 10-2 16) sencillos critico re ist~ntis al

bombas agua laado J en chasis

IIIDIW E I [ SI I Vrshy 140- 1 IXCU 11 E luacuteTIL lE donde puede 1 DI C I ( 10 285-3 1)1) darse O C ()nt~c to eun N aliment l

COII II I() SI 1 T 2(J shy OU 1lt111 11 I l lll Nn Telllper31 ll lJ Se end ureL e IJI C Ilt ID FII3f()Si 1))lJ -57U a DJja

111 1() Sll VE 170-200 P() fllZ L l lliexcliexclA Rod~mientos

i3 11 1- lJll) coj rK h 11 shy

cillas l h~ i i

ho mhas agultl JlInt ~

uni eacuter ~k s

13 ltrmiddot IIX 1- 1 shy VE 17U-2 00 Il ULi middot l3lH N fl E llfl l) (3 ~1)- 39 1))

L-shy __

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

SItA VE

gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

POORE A

EXCELENTL

rOBRE A rXCEII 1 11

BUENA

fXCFLF1lT

()

l

SI IT1I C SI iAT gt2-19 (gt)80

I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

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Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

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- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

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este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 2: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

(Contin u acioacuten) shyAceites de petroacuteleos r De maxlmo empleo y el

grupo maacutes importante de los lubricantes existentes

shy

Pastosos Petrolatum Recubrimientos anti-herrumbre vaselinas preparacioacuten de lubricantes

especiales o productos complejos etc

Fuente (Crespo 1972)

Aacute 91 Lubricantes minerales

0 1911 Aceites minerales )

Forman la mayor parte de los lubricantes de uso comuacuten son derivados de los hidrocarburos (petroacuteleo) y elaborados a partir de sus bases parafinicas naftasicas y aromaacuteticas

- Aceites parafinicos ( )

Cadena parafinica CNH2N + 2

Son relativamente estables a altas temperaturas y contienen una alta proporcioacuten de cera disuelta esto permite que tiendan a solidificarse a temperaturas maacutes altas que los aceites nafteacutenicos

--- O - ()-----shy- Aceites nafteacutenicos

Cadena nafteacutenica CNH2N

Contienen un alto porcentaje de asfalto y son menos estables que los parafiacutenicos a temperaturas altas pero contienen muy poca ce ra y estq ptr~ ite que permanezcan liacutequidos a bajas temperaturas La viscosidad de estos aceites variacutea maacutes que la de los parafinicos con los cambios de temperatura y por esto los aceites nafteacutenicos son inferiores a los parafinicos a temperaturaS superiores de 150degF En lubricantes estos aceites se conocen tambieacuten con el Qombre de asfaacutelticos

- Aceites mezclados

Son una mezcla de aceites nafteacutenicos y parafiacutenicos

67

I

192 Lubricantes sinteacuteticos

SOLtabricadOS mediante reacciones quiacutemicas de sintesis de algunos compuestos tales como_~eres polimeros poliglicoles com~estos clorinados o flurinados- hidrocarburos sintetizados (SHF) obtenidos a partir de Ia~ mismas basesde QetrOacuteJeo sometidas a procesos posteriores de refinacioacuten Gracias-a_sus caracteristicas mejoradas ganan cada diacutea presencia en el mercad_o_a pesar de-su mayor costo

Los lubricantes sinteacuteticos se utilizan donde los aceites minerales no ofre~na

proteccieacuten con~ ya sea porque operan a altas o bajas temperatura~ o eQ ambientes criticos como es el caso de compresores centrifugos en plantas petroqu iacutemicas que comprimen gases de hidrocarburos como el isobutano que a a lugar a un alto grado de dilucioacuten disminuyendo peligrosamente el espesor de la peliacutecula lubricante

El desarrollo de los aceites lubricantes ha esta determinado por las exigencias de algunas maacutequinas y procesos y particulares mecanismos los cuales han sobrepasado las posibilidades ofrecidas por los aceites derivados del petroacuteleo ello ha obligado a investigadores y teacutecnicos de lubricacioacuten al estudio y formulacioacuten de lubricantes sinteacuteticos cuya importancia y apl icacioacuten sigue en constante aumento Igualmente la crisis energeacutetica ha planteado la necesidad de formular y fabricar lubricantes de larga duracioacuten y maacutes amables en el ambiente Ver figura 11

Los lubricantes sinteacuteticos ameritan su utilizacioacuten cuando se quieren ampliar las frecuencias (periacuteodos) de cambio reducir el consumo de potencia reducir la reposicioacuten de partes (repuestos) y alcanzar la maacutexima capacidad productiva de la maquinaria

En los cuadros 17 18 Y 19 se presentan las principales bases de los aceites sinteacuteticos y una comparacioacuten de las principales bases lubricantes

1 93 Lubricantes grasos

1931 Aceites orgaacutenicos

Son extraiacutedos de los animales vegetales y peces Estos fueron por muchos antildeos los uacutenicos lubricantes fluidos conocidos Todos ellos se descomponen maacutes o menos con facilidad por la accioacuten del caluumlr y tienden a oxidarse formando gomas a temperaturas comparativamente bajas En la actualidad se usan mezclados con

eites minerales

68

TAN ~--~~~~~~~~~--------~

mgrKOH Qr oc u bull

4 5 2 3 -lNOS DE SERVICIO

FIGURA 11 Comparacioacuten de duracioacuten de un aceite sinteacutetico y un aceite mineral

Fuente (Albarraciacuten 1993)

69

CUADRO 17 Propiedades de aceites minerales y sinteacuteticos

PROPIEDAD Aromaacuteshy Estere E~lerM Eater

Ao~lla iexclIca do Pallllklshy de Elerltl fluQr~ di mineral Polialtaoacuteshy alquila- aacutecido Pollhmiddot lene aacutecido SIII de earboshy polishy

tiplco lefina tados dlbAacutellco litre gllcol odoacuterlco cona8 silicato nos enll

Caracterlslic8S Viscosidad middotIemper atura M B M E MB a p E E M P

De sempello a bajas temperaturas p B B B 8 8 M B 8 B P

Estabi lidad 8 la oidaci6n

(con inh lb idor) M M8 M M6 M r 8 M8 M8 E MB

Olmpatibilidad con aceites

m inerales E E B M P M P M P B

Volatilidad M B [3 E E O B O O M 8

Olmpat ibilidad con

pinluras y barn ices E E E B M M P B M 8 M

Estabilidad la hidrOacute liSI S E E E M M B M [3 P M8 E

CatBCI9fistcas an1iherrurnbr e (con Inhlbidor) E E E M M 8 M B

Soubilidad con ad ll iyos E 8 E M8 MB M 8 P

Tendencia a ab landar el BUNA N L N L M F L F L L M L

P( oplfdade~ lubrlC8nllJ B B B Me MB B E M M E E

Estubilodacl reacute rmlc~ M M M 8 8 B M 118 8 Me E

Rsr slencia alluiexclgo p p P M M M E M M E I~

CoSIO ba o medio mecio m edio m edIO m eritO medio alto 8110 m uy iexcliexcl1 1O muy alto

---shyOtJ~(JIIJ con P utl1 0 L LHfJ J M Mt(t( bullbull J J (J Ulu-middotnJ I1D bullbull ylflJun eacute E rtJtJ t lf u Nm~und f fl~liacute

F UEl llc (Albarraciacuten 1993)

CUADRO 18 Principales bases sinteacuteticas

Utilizacioacuten Bases Aplic2cJoacuten

Principal Polialfaolefinas (PAO)-------- Auto Ind a ro Diesteres------------------------- I nd a u [O aero Esteres polloles----------------- Aero auto Ir eJ Polialquiien glicoles (PAG) -- Ind A ro

Medio Polibutenos----------------------shy I nd a u o Dialquil Benceno (OA3) auto In Esteres de fosfatos In aero

Menor Siacutelicones Esteres de polifenil

Aero Ind aulO Aero

En orden de importancia decrec iente

Auto Automotriz Ind Industrial (Compresores) Aero Aerospacial

Fuente (Ruiz 1992)

71

CUADRO 19 Caracteriacutesticas de algunas bases lubricantes

Base Ventaja Desventajas

Aceite mineral

Esteres pinturas (Dilata)

Hidrocarburos

DialquiJ bencenos

Polialquilicen Glicoles

Siexclliexclcones

middot Costo middot Disponibilidad

middot Detergencia

middot Ranngo de T emperat middot Compatibilidad con

sellos y pinturas (encoge)

middot Indice de viscosidad

Bajas temperaturas middot Refrigerante compatibilidad

middot Dificultades para miscibilidad

middot Desplazamiento del agua

middot Indice de viscosidad middot Resistencia quiacutemica

middot altas temperaturas middot Estabi lidad a la oxidacioacuten middot Bajas temperaturas middot Formacioacuten de depoacutesitos

Compatibilidad con sellos y

middot Solubilidad de aditivo middot Depoacutesitos middot disponibilidad

middot Volatilidad middot Indice de viscosidad

middot Lubricidad

middot Lubricidad middot Compatibilidad con los sellos encoge) middot Costo

Fuente (Ruiz 1992)

Todos los aceites orgaacutenicos son compuestos de alcoholes y aacuteCidos grasos y todos f contienen aacutecido libre especialmente al calentarse u oxidarse en presencia del

) agua

Muchos de estos aceites como el de CASTOR tienen grandes moleacuteculas aacutecidas en un extremo y aceitosas en el otro El aacutecido se combina con el metal dejando los hidr9carburos en forma de una carpeta Si la pelicula lubricante se rompe estas colas se deslizan unas sobre otras prev iniendo el contacto metaacutelico Esta es la razoacuten de mezclarlos con los aceites minerales dando asiacute proteccioacuten adicional en caso de cargas pesadas o inadecuijdo suministro de aceite Tales mezclas son conocidas como aceites compuestos Otra ventaja de los aceites orgaacutenicos es sus habilidad para formar emulsiones estables con el agua Estas emulsiones tienen muy buena cualidad de lubricantes

Estos aceites provienen de los animales y de los vegetales Antiguamente se utilizaban como lubricantes hoy en diacutea se mezclan con aceites minerales con el fin de proporcionar algunas propiedades tales como untuosidad o adherencia

Las materias primas o fuentes mas conocidas y utilizadas son Higuerilla nCInO castor y cebos

11 94 Lubricantes compuestos (compound )

Es una mezcla de aceites minerales (85) y aceites orgaacutenicos (15)

0 95 Compuestos Bituminosos

- Se forman a partir de aceites minerales mas fosfatos Tienen la caracteriacutestica de

~poder adherirse fuertemente a las superficies Se utilizan en engranajes de baja velocidad y gran tamantildeo

96 Presentacion fisica de los lubricantes

Los lubricantes pueden tener las siguientes presentaciones

961 Soacutelidos

ELmaacutes-comuacutemrlenle-usado es el grafito el cual se adhier~_ a I ~s sectuperficles en capas formandomiddotescamas tienen la oteacuteljas de g-~ Jienden a Uena [ lo_s vaciacuteos de 1ordfssuperficies- metaacute1icas Pueden usarse como polvo aplicado directamente o en suspensioacuten coloide con aceite En la uacuteltima forma tienden a separarse en forma de un lodo que se deposita en los tanques o en los conductos especialmente cuando estaacuten sometidos a fuerzas centriacutefugas Su uso en sistemas de lubricacioacuten forzada debe evitarse

73

Los grados comercialmente de grafitos contienen impurezas y no deben usarse como lubricantes a menos que esteacuten preparados para este servicio Se usan tambieacuten como lubricantes mica talco y Jaboacuten de roca estos son inferiores al grafito pero tienen mas resistencia a la oxidacioacuten a altas temperaturas En antildeos recientes se han desarrollado lubricantes soacutelidos como el molibdeno y el sulfuro de tugsteno que resisten altas presiones y temperaturas (750degF y 100000 Ibpulg2

) Otros lubricantes soacutelidos antildeadidos a los aceites en suspensiones son jabones de plomo otros compuestos orgaacutenicos de plomo foacutesforo cloro y azufre Antildeadimos a los aceites en pequentildeas cantidades sirven como aditivos de extrema presioacuten que reaccionan con los materiales de los cojinetes para formar superficies de bajo coeficiente de friCCioacuten

g stos l ubricaJJ~~ se utilizan PJ condiciones de servICIO muy severas tales como temperatura~ altas carfjas--aHas y medio ambiente muy contamintildeadQs S e utilizao_tarnhieacuteA -uandO--Jo$ meGan~smos- de lusrfcac+oacuteR son inaccesibles y_se requiere por este motivo periodos de lubricacioacuten muy largos

Ejemplos de estos lubricantes El grafito el bisulfuro de molibdeno el bisulfuro de tugsteno el teflon el polietileno la mica el nltruro de boro la plata el cadmio el plomo y algunos poliacutemeros

9 62 Semisoacutelidos

r ~S-ordmD-Compuestos que por su consistencia pueden permanecer mas faacutecilmente sobre las superficies formando la peliacutecula lubricante Es el caso--tiacutepiee de las ~ grasas las cuales estaacuten formadas por una base lubricante y un jaboacuten que puede_

ser de calcio sodio aluminio etc De acuerdo con la consistencia es mas o J menos soacutelida

3 grasa se--empleeacute normales de velocidad y temperatura La-grasa tiene algunas ventajas sobre-el aceite Por ejemplo la instalacioacuten es mas sencilla y proporciona proteccioacuten contra la humedad de impurezas

1962 1 Grasas lubricantes

Lo que se denomina pastas son generalmente mezclas de aceites lubricantes soacutelidos como el grafito el bisulfuro de molibdeno y otros Las grasas son llfl

producto con vaLias presentaciones desde el soacutelido hasta el semifluido y se obtiene por la dispersioacuten de un agente Uaboacuten metaacutelico) en un liacutequidoJ ubricante (acerte-middot bmiddotase) Por lo general todas las grasas tienen una base de Jaboacuten para impartirle cuerpo y ciertas caracteristicas ) Los tipos de Jabones metaacutelicos empleados en la elaboracioacuten de grasas son los de SOdiO calcio litio bario y aluminio Ademaacutes existen algunas grasa que no tienen base de jaboacuten sino un

7-1

compuesto quiacutemico que le da ciertas caractenstlcas especiales En el cuadro 20 se senalan las temperaturas de operacioacuten de las grasas lubricantes

r a facultad de las grasas lubricantes de operar en tan diferentes aplicaciones bajo una amplia variedad de condiciones y medio ambientales constituyen un testimonio ae la flexibilidad de su composicioacuten Las grasas son formulas complejas de espesantes componentes estructurales bases fluidas y aditivos disenados para cumplir requisitos de aplicacioacuten especiacutefica ~_~eacutel_Qq() se usan como lubricante-- lasmiddot grasas tienen -un comportamiento muy p_arecido al de los_ aceites Red~cen_friccLoacutengenerando una pelicula que separa_ las superficies en movimmiddotiemo Sin embarg9 tienen Ia ventaja de permanecer donde se aplicanL y tienen menos_Qrobabilidad de escapar de una maacutequina o de las superficies que lubrican si se -encuentran oajo efectos de la fuerza de gravedad o middot fuerza centriacutefuga Al mi~ tieJTlpo las geasas pueden formar un sello efectIVO contreacutel la humedad-y -conta-m-tnCtntes soacutelidos~

La composicioacuten de la grasa se puede definir como

Aceite base + Agente espesante + Aditivos

1 1 1 -Mineral Jaboacuten (calCIO sodiO litio) AdheSIvidad antidesgaste

antioxidante EP (colorantes anticorrosIvo antiespumantes estabili zadores

El aceite da a las grasas sus caracteriacutesticas lubricantes y el espesante las propiedades fiacutes icas tales como soportar altas temperaturas humedad aacuteCidos y otros tipos de contaminantes Se podriacutea deCir que una grasa es una especie de esponja saturada de aceite que a medida que trabaja dosificado sobre el mecanismo que estaacute lubricado En el cuadro 21 se resentildea ciertas caracteriacutesticas importantes de algunas grasas lubricantes Tambieacuten en la figura 12 se muestra el efecto de la temperatura sobre la frecuencia o Intervalos de lubricacioacuten factor importante que incide sobre los costos de manten imiento

75

CUADRO 20 Temperatura de operacioacuten de grasas lubricantes

Espesante Temperatura

Oc OF

150

Jaboacuten de sodio 120

Jaboacuten de calcio 65

250

Jaboacuten de litio 120 250

Jaboacuten complejo de aluminio 120 250

Jaboacuten complejo de calcio 135 275

Jaboacuten complejo de litio 150 300

Sinteacuteticas 205 400

Fuente (Terpel)

76

77

CUADRO 21 Propiedades de grasa lubricantes

Espisanti Textura Punto di Esta bili dad Rsi slincia Apli cacioacuten Condiciones goteo al trabaj o al agua de operacioacuten

ALU t-- lI NIO SUAVE (911f10) POBRE SU COSTO LIMITA SU Re sistencia al lavado ( 195 -2 30) BUENA USO Buena adhesividad

CO~ lPLE J O SUAVE 24 0-270 BUENA QUENA DF AL W-lI NIO ( 465-52 0)

CA LCI O SUAVE 99 -1 02 BUENA EXCF LENTE Cojinetes Agi tacioacuten y batid o no (2 10-2 16) sencillos critico re ist~ntis al

bombas agua laado J en chasis

IIIDIW E I [ SI I Vrshy 140- 1 IXCU 11 E luacuteTIL lE donde puede 1 DI C I ( 10 285-3 1)1) darse O C ()nt~c to eun N aliment l

COII II I() SI 1 T 2(J shy OU 1lt111 11 I l lll Nn Telllper31 ll lJ Se end ureL e IJI C Ilt ID FII3f()Si 1))lJ -57U a DJja

111 1() Sll VE 170-200 P() fllZ L l lliexcliexclA Rod~mientos

i3 11 1- lJll) coj rK h 11 shy

cillas l h~ i i

ho mhas agultl JlInt ~

uni eacuter ~k s

13 ltrmiddot IIX 1- 1 shy VE 17U-2 00 Il ULi middot l3lH N fl E llfl l) (3 ~1)- 39 1))

L-shy __

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

SItA VE

gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

POORE A

EXCELENTL

rOBRE A rXCEII 1 11

BUENA

fXCFLF1lT

()

l

SI IT1I C SI iAT gt2-19 (gt)80

I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 3: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

I

192 Lubricantes sinteacuteticos

SOLtabricadOS mediante reacciones quiacutemicas de sintesis de algunos compuestos tales como_~eres polimeros poliglicoles com~estos clorinados o flurinados- hidrocarburos sintetizados (SHF) obtenidos a partir de Ia~ mismas basesde QetrOacuteJeo sometidas a procesos posteriores de refinacioacuten Gracias-a_sus caracteristicas mejoradas ganan cada diacutea presencia en el mercad_o_a pesar de-su mayor costo

Los lubricantes sinteacuteticos se utilizan donde los aceites minerales no ofre~na

proteccieacuten con~ ya sea porque operan a altas o bajas temperatura~ o eQ ambientes criticos como es el caso de compresores centrifugos en plantas petroqu iacutemicas que comprimen gases de hidrocarburos como el isobutano que a a lugar a un alto grado de dilucioacuten disminuyendo peligrosamente el espesor de la peliacutecula lubricante

El desarrollo de los aceites lubricantes ha esta determinado por las exigencias de algunas maacutequinas y procesos y particulares mecanismos los cuales han sobrepasado las posibilidades ofrecidas por los aceites derivados del petroacuteleo ello ha obligado a investigadores y teacutecnicos de lubricacioacuten al estudio y formulacioacuten de lubricantes sinteacuteticos cuya importancia y apl icacioacuten sigue en constante aumento Igualmente la crisis energeacutetica ha planteado la necesidad de formular y fabricar lubricantes de larga duracioacuten y maacutes amables en el ambiente Ver figura 11

Los lubricantes sinteacuteticos ameritan su utilizacioacuten cuando se quieren ampliar las frecuencias (periacuteodos) de cambio reducir el consumo de potencia reducir la reposicioacuten de partes (repuestos) y alcanzar la maacutexima capacidad productiva de la maquinaria

En los cuadros 17 18 Y 19 se presentan las principales bases de los aceites sinteacuteticos y una comparacioacuten de las principales bases lubricantes

1 93 Lubricantes grasos

1931 Aceites orgaacutenicos

Son extraiacutedos de los animales vegetales y peces Estos fueron por muchos antildeos los uacutenicos lubricantes fluidos conocidos Todos ellos se descomponen maacutes o menos con facilidad por la accioacuten del caluumlr y tienden a oxidarse formando gomas a temperaturas comparativamente bajas En la actualidad se usan mezclados con

eites minerales

68

TAN ~--~~~~~~~~~--------~

mgrKOH Qr oc u bull

4 5 2 3 -lNOS DE SERVICIO

FIGURA 11 Comparacioacuten de duracioacuten de un aceite sinteacutetico y un aceite mineral

Fuente (Albarraciacuten 1993)

69

CUADRO 17 Propiedades de aceites minerales y sinteacuteticos

PROPIEDAD Aromaacuteshy Estere E~lerM Eater

Ao~lla iexclIca do Pallllklshy de Elerltl fluQr~ di mineral Polialtaoacuteshy alquila- aacutecido Pollhmiddot lene aacutecido SIII de earboshy polishy

tiplco lefina tados dlbAacutellco litre gllcol odoacuterlco cona8 silicato nos enll

Caracterlslic8S Viscosidad middotIemper atura M B M E MB a p E E M P

De sempello a bajas temperaturas p B B B 8 8 M B 8 B P

Estabi lidad 8 la oidaci6n

(con inh lb idor) M M8 M M6 M r 8 M8 M8 E MB

Olmpatibilidad con aceites

m inerales E E B M P M P M P B

Volatilidad M B [3 E E O B O O M 8

Olmpat ibilidad con

pinluras y barn ices E E E B M M P B M 8 M

Estabilidad la hidrOacute liSI S E E E M M B M [3 P M8 E

CatBCI9fistcas an1iherrurnbr e (con Inhlbidor) E E E M M 8 M B

Soubilidad con ad ll iyos E 8 E M8 MB M 8 P

Tendencia a ab landar el BUNA N L N L M F L F L L M L

P( oplfdade~ lubrlC8nllJ B B B Me MB B E M M E E

Estubilodacl reacute rmlc~ M M M 8 8 B M 118 8 Me E

Rsr slencia alluiexclgo p p P M M M E M M E I~

CoSIO ba o medio mecio m edio m edIO m eritO medio alto 8110 m uy iexcliexcl1 1O muy alto

---shyOtJ~(JIIJ con P utl1 0 L LHfJ J M Mt(t( bullbull J J (J Ulu-middotnJ I1D bullbull ylflJun eacute E rtJtJ t lf u Nm~und f fl~liacute

F UEl llc (Albarraciacuten 1993)

CUADRO 18 Principales bases sinteacuteticas

Utilizacioacuten Bases Aplic2cJoacuten

Principal Polialfaolefinas (PAO)-------- Auto Ind a ro Diesteres------------------------- I nd a u [O aero Esteres polloles----------------- Aero auto Ir eJ Polialquiien glicoles (PAG) -- Ind A ro

Medio Polibutenos----------------------shy I nd a u o Dialquil Benceno (OA3) auto In Esteres de fosfatos In aero

Menor Siacutelicones Esteres de polifenil

Aero Ind aulO Aero

En orden de importancia decrec iente

Auto Automotriz Ind Industrial (Compresores) Aero Aerospacial

Fuente (Ruiz 1992)

71

CUADRO 19 Caracteriacutesticas de algunas bases lubricantes

Base Ventaja Desventajas

Aceite mineral

Esteres pinturas (Dilata)

Hidrocarburos

DialquiJ bencenos

Polialquilicen Glicoles

Siexclliexclcones

middot Costo middot Disponibilidad

middot Detergencia

middot Ranngo de T emperat middot Compatibilidad con

sellos y pinturas (encoge)

middot Indice de viscosidad

Bajas temperaturas middot Refrigerante compatibilidad

middot Dificultades para miscibilidad

middot Desplazamiento del agua

middot Indice de viscosidad middot Resistencia quiacutemica

middot altas temperaturas middot Estabi lidad a la oxidacioacuten middot Bajas temperaturas middot Formacioacuten de depoacutesitos

Compatibilidad con sellos y

middot Solubilidad de aditivo middot Depoacutesitos middot disponibilidad

middot Volatilidad middot Indice de viscosidad

middot Lubricidad

middot Lubricidad middot Compatibilidad con los sellos encoge) middot Costo

Fuente (Ruiz 1992)

Todos los aceites orgaacutenicos son compuestos de alcoholes y aacuteCidos grasos y todos f contienen aacutecido libre especialmente al calentarse u oxidarse en presencia del

) agua

Muchos de estos aceites como el de CASTOR tienen grandes moleacuteculas aacutecidas en un extremo y aceitosas en el otro El aacutecido se combina con el metal dejando los hidr9carburos en forma de una carpeta Si la pelicula lubricante se rompe estas colas se deslizan unas sobre otras prev iniendo el contacto metaacutelico Esta es la razoacuten de mezclarlos con los aceites minerales dando asiacute proteccioacuten adicional en caso de cargas pesadas o inadecuijdo suministro de aceite Tales mezclas son conocidas como aceites compuestos Otra ventaja de los aceites orgaacutenicos es sus habilidad para formar emulsiones estables con el agua Estas emulsiones tienen muy buena cualidad de lubricantes

Estos aceites provienen de los animales y de los vegetales Antiguamente se utilizaban como lubricantes hoy en diacutea se mezclan con aceites minerales con el fin de proporcionar algunas propiedades tales como untuosidad o adherencia

Las materias primas o fuentes mas conocidas y utilizadas son Higuerilla nCInO castor y cebos

11 94 Lubricantes compuestos (compound )

Es una mezcla de aceites minerales (85) y aceites orgaacutenicos (15)

0 95 Compuestos Bituminosos

- Se forman a partir de aceites minerales mas fosfatos Tienen la caracteriacutestica de

~poder adherirse fuertemente a las superficies Se utilizan en engranajes de baja velocidad y gran tamantildeo

96 Presentacion fisica de los lubricantes

Los lubricantes pueden tener las siguientes presentaciones

961 Soacutelidos

ELmaacutes-comuacutemrlenle-usado es el grafito el cual se adhier~_ a I ~s sectuperficles en capas formandomiddotescamas tienen la oteacuteljas de g-~ Jienden a Uena [ lo_s vaciacuteos de 1ordfssuperficies- metaacute1icas Pueden usarse como polvo aplicado directamente o en suspensioacuten coloide con aceite En la uacuteltima forma tienden a separarse en forma de un lodo que se deposita en los tanques o en los conductos especialmente cuando estaacuten sometidos a fuerzas centriacutefugas Su uso en sistemas de lubricacioacuten forzada debe evitarse

73

Los grados comercialmente de grafitos contienen impurezas y no deben usarse como lubricantes a menos que esteacuten preparados para este servicio Se usan tambieacuten como lubricantes mica talco y Jaboacuten de roca estos son inferiores al grafito pero tienen mas resistencia a la oxidacioacuten a altas temperaturas En antildeos recientes se han desarrollado lubricantes soacutelidos como el molibdeno y el sulfuro de tugsteno que resisten altas presiones y temperaturas (750degF y 100000 Ibpulg2

) Otros lubricantes soacutelidos antildeadidos a los aceites en suspensiones son jabones de plomo otros compuestos orgaacutenicos de plomo foacutesforo cloro y azufre Antildeadimos a los aceites en pequentildeas cantidades sirven como aditivos de extrema presioacuten que reaccionan con los materiales de los cojinetes para formar superficies de bajo coeficiente de friCCioacuten

g stos l ubricaJJ~~ se utilizan PJ condiciones de servICIO muy severas tales como temperatura~ altas carfjas--aHas y medio ambiente muy contamintildeadQs S e utilizao_tarnhieacuteA -uandO--Jo$ meGan~smos- de lusrfcac+oacuteR son inaccesibles y_se requiere por este motivo periodos de lubricacioacuten muy largos

Ejemplos de estos lubricantes El grafito el bisulfuro de molibdeno el bisulfuro de tugsteno el teflon el polietileno la mica el nltruro de boro la plata el cadmio el plomo y algunos poliacutemeros

9 62 Semisoacutelidos

r ~S-ordmD-Compuestos que por su consistencia pueden permanecer mas faacutecilmente sobre las superficies formando la peliacutecula lubricante Es el caso--tiacutepiee de las ~ grasas las cuales estaacuten formadas por una base lubricante y un jaboacuten que puede_

ser de calcio sodio aluminio etc De acuerdo con la consistencia es mas o J menos soacutelida

3 grasa se--empleeacute normales de velocidad y temperatura La-grasa tiene algunas ventajas sobre-el aceite Por ejemplo la instalacioacuten es mas sencilla y proporciona proteccioacuten contra la humedad de impurezas

1962 1 Grasas lubricantes

Lo que se denomina pastas son generalmente mezclas de aceites lubricantes soacutelidos como el grafito el bisulfuro de molibdeno y otros Las grasas son llfl

producto con vaLias presentaciones desde el soacutelido hasta el semifluido y se obtiene por la dispersioacuten de un agente Uaboacuten metaacutelico) en un liacutequidoJ ubricante (acerte-middot bmiddotase) Por lo general todas las grasas tienen una base de Jaboacuten para impartirle cuerpo y ciertas caracteristicas ) Los tipos de Jabones metaacutelicos empleados en la elaboracioacuten de grasas son los de SOdiO calcio litio bario y aluminio Ademaacutes existen algunas grasa que no tienen base de jaboacuten sino un

7-1

compuesto quiacutemico que le da ciertas caractenstlcas especiales En el cuadro 20 se senalan las temperaturas de operacioacuten de las grasas lubricantes

r a facultad de las grasas lubricantes de operar en tan diferentes aplicaciones bajo una amplia variedad de condiciones y medio ambientales constituyen un testimonio ae la flexibilidad de su composicioacuten Las grasas son formulas complejas de espesantes componentes estructurales bases fluidas y aditivos disenados para cumplir requisitos de aplicacioacuten especiacutefica ~_~eacutel_Qq() se usan como lubricante-- lasmiddot grasas tienen -un comportamiento muy p_arecido al de los_ aceites Red~cen_friccLoacutengenerando una pelicula que separa_ las superficies en movimmiddotiemo Sin embarg9 tienen Ia ventaja de permanecer donde se aplicanL y tienen menos_Qrobabilidad de escapar de una maacutequina o de las superficies que lubrican si se -encuentran oajo efectos de la fuerza de gravedad o middot fuerza centriacutefuga Al mi~ tieJTlpo las geasas pueden formar un sello efectIVO contreacutel la humedad-y -conta-m-tnCtntes soacutelidos~

La composicioacuten de la grasa se puede definir como

Aceite base + Agente espesante + Aditivos

1 1 1 -Mineral Jaboacuten (calCIO sodiO litio) AdheSIvidad antidesgaste

antioxidante EP (colorantes anticorrosIvo antiespumantes estabili zadores

El aceite da a las grasas sus caracteriacutesticas lubricantes y el espesante las propiedades fiacutes icas tales como soportar altas temperaturas humedad aacuteCidos y otros tipos de contaminantes Se podriacutea deCir que una grasa es una especie de esponja saturada de aceite que a medida que trabaja dosificado sobre el mecanismo que estaacute lubricado En el cuadro 21 se resentildea ciertas caracteriacutesticas importantes de algunas grasas lubricantes Tambieacuten en la figura 12 se muestra el efecto de la temperatura sobre la frecuencia o Intervalos de lubricacioacuten factor importante que incide sobre los costos de manten imiento

75

CUADRO 20 Temperatura de operacioacuten de grasas lubricantes

Espesante Temperatura

Oc OF

150

Jaboacuten de sodio 120

Jaboacuten de calcio 65

250

Jaboacuten de litio 120 250

Jaboacuten complejo de aluminio 120 250

Jaboacuten complejo de calcio 135 275

Jaboacuten complejo de litio 150 300

Sinteacuteticas 205 400

Fuente (Terpel)

76

77

CUADRO 21 Propiedades de grasa lubricantes

Espisanti Textura Punto di Esta bili dad Rsi slincia Apli cacioacuten Condiciones goteo al trabaj o al agua de operacioacuten

ALU t-- lI NIO SUAVE (911f10) POBRE SU COSTO LIMITA SU Re sistencia al lavado ( 195 -2 30) BUENA USO Buena adhesividad

CO~ lPLE J O SUAVE 24 0-270 BUENA QUENA DF AL W-lI NIO ( 465-52 0)

CA LCI O SUAVE 99 -1 02 BUENA EXCF LENTE Cojinetes Agi tacioacuten y batid o no (2 10-2 16) sencillos critico re ist~ntis al

bombas agua laado J en chasis

IIIDIW E I [ SI I Vrshy 140- 1 IXCU 11 E luacuteTIL lE donde puede 1 DI C I ( 10 285-3 1)1) darse O C ()nt~c to eun N aliment l

COII II I() SI 1 T 2(J shy OU 1lt111 11 I l lll Nn Telllper31 ll lJ Se end ureL e IJI C Ilt ID FII3f()Si 1))lJ -57U a DJja

111 1() Sll VE 170-200 P() fllZ L l lliexcliexclA Rod~mientos

i3 11 1- lJll) coj rK h 11 shy

cillas l h~ i i

ho mhas agultl JlInt ~

uni eacuter ~k s

13 ltrmiddot IIX 1- 1 shy VE 17U-2 00 Il ULi middot l3lH N fl E llfl l) (3 ~1)- 39 1))

L-shy __

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

SItA VE

gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

POORE A

EXCELENTL

rOBRE A rXCEII 1 11

BUENA

fXCFLF1lT

()

l

SI IT1I C SI iAT gt2-19 (gt)80

I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 4: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

TAN ~--~~~~~~~~~--------~

mgrKOH Qr oc u bull

4 5 2 3 -lNOS DE SERVICIO

FIGURA 11 Comparacioacuten de duracioacuten de un aceite sinteacutetico y un aceite mineral

Fuente (Albarraciacuten 1993)

69

CUADRO 17 Propiedades de aceites minerales y sinteacuteticos

PROPIEDAD Aromaacuteshy Estere E~lerM Eater

Ao~lla iexclIca do Pallllklshy de Elerltl fluQr~ di mineral Polialtaoacuteshy alquila- aacutecido Pollhmiddot lene aacutecido SIII de earboshy polishy

tiplco lefina tados dlbAacutellco litre gllcol odoacuterlco cona8 silicato nos enll

Caracterlslic8S Viscosidad middotIemper atura M B M E MB a p E E M P

De sempello a bajas temperaturas p B B B 8 8 M B 8 B P

Estabi lidad 8 la oidaci6n

(con inh lb idor) M M8 M M6 M r 8 M8 M8 E MB

Olmpatibilidad con aceites

m inerales E E B M P M P M P B

Volatilidad M B [3 E E O B O O M 8

Olmpat ibilidad con

pinluras y barn ices E E E B M M P B M 8 M

Estabilidad la hidrOacute liSI S E E E M M B M [3 P M8 E

CatBCI9fistcas an1iherrurnbr e (con Inhlbidor) E E E M M 8 M B

Soubilidad con ad ll iyos E 8 E M8 MB M 8 P

Tendencia a ab landar el BUNA N L N L M F L F L L M L

P( oplfdade~ lubrlC8nllJ B B B Me MB B E M M E E

Estubilodacl reacute rmlc~ M M M 8 8 B M 118 8 Me E

Rsr slencia alluiexclgo p p P M M M E M M E I~

CoSIO ba o medio mecio m edio m edIO m eritO medio alto 8110 m uy iexcliexcl1 1O muy alto

---shyOtJ~(JIIJ con P utl1 0 L LHfJ J M Mt(t( bullbull J J (J Ulu-middotnJ I1D bullbull ylflJun eacute E rtJtJ t lf u Nm~und f fl~liacute

F UEl llc (Albarraciacuten 1993)

CUADRO 18 Principales bases sinteacuteticas

Utilizacioacuten Bases Aplic2cJoacuten

Principal Polialfaolefinas (PAO)-------- Auto Ind a ro Diesteres------------------------- I nd a u [O aero Esteres polloles----------------- Aero auto Ir eJ Polialquiien glicoles (PAG) -- Ind A ro

Medio Polibutenos----------------------shy I nd a u o Dialquil Benceno (OA3) auto In Esteres de fosfatos In aero

Menor Siacutelicones Esteres de polifenil

Aero Ind aulO Aero

En orden de importancia decrec iente

Auto Automotriz Ind Industrial (Compresores) Aero Aerospacial

Fuente (Ruiz 1992)

71

CUADRO 19 Caracteriacutesticas de algunas bases lubricantes

Base Ventaja Desventajas

Aceite mineral

Esteres pinturas (Dilata)

Hidrocarburos

DialquiJ bencenos

Polialquilicen Glicoles

Siexclliexclcones

middot Costo middot Disponibilidad

middot Detergencia

middot Ranngo de T emperat middot Compatibilidad con

sellos y pinturas (encoge)

middot Indice de viscosidad

Bajas temperaturas middot Refrigerante compatibilidad

middot Dificultades para miscibilidad

middot Desplazamiento del agua

middot Indice de viscosidad middot Resistencia quiacutemica

middot altas temperaturas middot Estabi lidad a la oxidacioacuten middot Bajas temperaturas middot Formacioacuten de depoacutesitos

Compatibilidad con sellos y

middot Solubilidad de aditivo middot Depoacutesitos middot disponibilidad

middot Volatilidad middot Indice de viscosidad

middot Lubricidad

middot Lubricidad middot Compatibilidad con los sellos encoge) middot Costo

Fuente (Ruiz 1992)

Todos los aceites orgaacutenicos son compuestos de alcoholes y aacuteCidos grasos y todos f contienen aacutecido libre especialmente al calentarse u oxidarse en presencia del

) agua

Muchos de estos aceites como el de CASTOR tienen grandes moleacuteculas aacutecidas en un extremo y aceitosas en el otro El aacutecido se combina con el metal dejando los hidr9carburos en forma de una carpeta Si la pelicula lubricante se rompe estas colas se deslizan unas sobre otras prev iniendo el contacto metaacutelico Esta es la razoacuten de mezclarlos con los aceites minerales dando asiacute proteccioacuten adicional en caso de cargas pesadas o inadecuijdo suministro de aceite Tales mezclas son conocidas como aceites compuestos Otra ventaja de los aceites orgaacutenicos es sus habilidad para formar emulsiones estables con el agua Estas emulsiones tienen muy buena cualidad de lubricantes

Estos aceites provienen de los animales y de los vegetales Antiguamente se utilizaban como lubricantes hoy en diacutea se mezclan con aceites minerales con el fin de proporcionar algunas propiedades tales como untuosidad o adherencia

Las materias primas o fuentes mas conocidas y utilizadas son Higuerilla nCInO castor y cebos

11 94 Lubricantes compuestos (compound )

Es una mezcla de aceites minerales (85) y aceites orgaacutenicos (15)

0 95 Compuestos Bituminosos

- Se forman a partir de aceites minerales mas fosfatos Tienen la caracteriacutestica de

~poder adherirse fuertemente a las superficies Se utilizan en engranajes de baja velocidad y gran tamantildeo

96 Presentacion fisica de los lubricantes

Los lubricantes pueden tener las siguientes presentaciones

961 Soacutelidos

ELmaacutes-comuacutemrlenle-usado es el grafito el cual se adhier~_ a I ~s sectuperficles en capas formandomiddotescamas tienen la oteacuteljas de g-~ Jienden a Uena [ lo_s vaciacuteos de 1ordfssuperficies- metaacute1icas Pueden usarse como polvo aplicado directamente o en suspensioacuten coloide con aceite En la uacuteltima forma tienden a separarse en forma de un lodo que se deposita en los tanques o en los conductos especialmente cuando estaacuten sometidos a fuerzas centriacutefugas Su uso en sistemas de lubricacioacuten forzada debe evitarse

73

Los grados comercialmente de grafitos contienen impurezas y no deben usarse como lubricantes a menos que esteacuten preparados para este servicio Se usan tambieacuten como lubricantes mica talco y Jaboacuten de roca estos son inferiores al grafito pero tienen mas resistencia a la oxidacioacuten a altas temperaturas En antildeos recientes se han desarrollado lubricantes soacutelidos como el molibdeno y el sulfuro de tugsteno que resisten altas presiones y temperaturas (750degF y 100000 Ibpulg2

) Otros lubricantes soacutelidos antildeadidos a los aceites en suspensiones son jabones de plomo otros compuestos orgaacutenicos de plomo foacutesforo cloro y azufre Antildeadimos a los aceites en pequentildeas cantidades sirven como aditivos de extrema presioacuten que reaccionan con los materiales de los cojinetes para formar superficies de bajo coeficiente de friCCioacuten

g stos l ubricaJJ~~ se utilizan PJ condiciones de servICIO muy severas tales como temperatura~ altas carfjas--aHas y medio ambiente muy contamintildeadQs S e utilizao_tarnhieacuteA -uandO--Jo$ meGan~smos- de lusrfcac+oacuteR son inaccesibles y_se requiere por este motivo periodos de lubricacioacuten muy largos

Ejemplos de estos lubricantes El grafito el bisulfuro de molibdeno el bisulfuro de tugsteno el teflon el polietileno la mica el nltruro de boro la plata el cadmio el plomo y algunos poliacutemeros

9 62 Semisoacutelidos

r ~S-ordmD-Compuestos que por su consistencia pueden permanecer mas faacutecilmente sobre las superficies formando la peliacutecula lubricante Es el caso--tiacutepiee de las ~ grasas las cuales estaacuten formadas por una base lubricante y un jaboacuten que puede_

ser de calcio sodio aluminio etc De acuerdo con la consistencia es mas o J menos soacutelida

3 grasa se--empleeacute normales de velocidad y temperatura La-grasa tiene algunas ventajas sobre-el aceite Por ejemplo la instalacioacuten es mas sencilla y proporciona proteccioacuten contra la humedad de impurezas

1962 1 Grasas lubricantes

Lo que se denomina pastas son generalmente mezclas de aceites lubricantes soacutelidos como el grafito el bisulfuro de molibdeno y otros Las grasas son llfl

producto con vaLias presentaciones desde el soacutelido hasta el semifluido y se obtiene por la dispersioacuten de un agente Uaboacuten metaacutelico) en un liacutequidoJ ubricante (acerte-middot bmiddotase) Por lo general todas las grasas tienen una base de Jaboacuten para impartirle cuerpo y ciertas caracteristicas ) Los tipos de Jabones metaacutelicos empleados en la elaboracioacuten de grasas son los de SOdiO calcio litio bario y aluminio Ademaacutes existen algunas grasa que no tienen base de jaboacuten sino un

7-1

compuesto quiacutemico que le da ciertas caractenstlcas especiales En el cuadro 20 se senalan las temperaturas de operacioacuten de las grasas lubricantes

r a facultad de las grasas lubricantes de operar en tan diferentes aplicaciones bajo una amplia variedad de condiciones y medio ambientales constituyen un testimonio ae la flexibilidad de su composicioacuten Las grasas son formulas complejas de espesantes componentes estructurales bases fluidas y aditivos disenados para cumplir requisitos de aplicacioacuten especiacutefica ~_~eacutel_Qq() se usan como lubricante-- lasmiddot grasas tienen -un comportamiento muy p_arecido al de los_ aceites Red~cen_friccLoacutengenerando una pelicula que separa_ las superficies en movimmiddotiemo Sin embarg9 tienen Ia ventaja de permanecer donde se aplicanL y tienen menos_Qrobabilidad de escapar de una maacutequina o de las superficies que lubrican si se -encuentran oajo efectos de la fuerza de gravedad o middot fuerza centriacutefuga Al mi~ tieJTlpo las geasas pueden formar un sello efectIVO contreacutel la humedad-y -conta-m-tnCtntes soacutelidos~

La composicioacuten de la grasa se puede definir como

Aceite base + Agente espesante + Aditivos

1 1 1 -Mineral Jaboacuten (calCIO sodiO litio) AdheSIvidad antidesgaste

antioxidante EP (colorantes anticorrosIvo antiespumantes estabili zadores

El aceite da a las grasas sus caracteriacutesticas lubricantes y el espesante las propiedades fiacutes icas tales como soportar altas temperaturas humedad aacuteCidos y otros tipos de contaminantes Se podriacutea deCir que una grasa es una especie de esponja saturada de aceite que a medida que trabaja dosificado sobre el mecanismo que estaacute lubricado En el cuadro 21 se resentildea ciertas caracteriacutesticas importantes de algunas grasas lubricantes Tambieacuten en la figura 12 se muestra el efecto de la temperatura sobre la frecuencia o Intervalos de lubricacioacuten factor importante que incide sobre los costos de manten imiento

75

CUADRO 20 Temperatura de operacioacuten de grasas lubricantes

Espesante Temperatura

Oc OF

150

Jaboacuten de sodio 120

Jaboacuten de calcio 65

250

Jaboacuten de litio 120 250

Jaboacuten complejo de aluminio 120 250

Jaboacuten complejo de calcio 135 275

Jaboacuten complejo de litio 150 300

Sinteacuteticas 205 400

Fuente (Terpel)

76

77

CUADRO 21 Propiedades de grasa lubricantes

Espisanti Textura Punto di Esta bili dad Rsi slincia Apli cacioacuten Condiciones goteo al trabaj o al agua de operacioacuten

ALU t-- lI NIO SUAVE (911f10) POBRE SU COSTO LIMITA SU Re sistencia al lavado ( 195 -2 30) BUENA USO Buena adhesividad

CO~ lPLE J O SUAVE 24 0-270 BUENA QUENA DF AL W-lI NIO ( 465-52 0)

CA LCI O SUAVE 99 -1 02 BUENA EXCF LENTE Cojinetes Agi tacioacuten y batid o no (2 10-2 16) sencillos critico re ist~ntis al

bombas agua laado J en chasis

IIIDIW E I [ SI I Vrshy 140- 1 IXCU 11 E luacuteTIL lE donde puede 1 DI C I ( 10 285-3 1)1) darse O C ()nt~c to eun N aliment l

COII II I() SI 1 T 2(J shy OU 1lt111 11 I l lll Nn Telllper31 ll lJ Se end ureL e IJI C Ilt ID FII3f()Si 1))lJ -57U a DJja

111 1() Sll VE 170-200 P() fllZ L l lliexcliexclA Rod~mientos

i3 11 1- lJll) coj rK h 11 shy

cillas l h~ i i

ho mhas agultl JlInt ~

uni eacuter ~k s

13 ltrmiddot IIX 1- 1 shy VE 17U-2 00 Il ULi middot l3lH N fl E llfl l) (3 ~1)- 39 1))

L-shy __

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

SItA VE

gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

POORE A

EXCELENTL

rOBRE A rXCEII 1 11

BUENA

fXCFLF1lT

()

l

SI IT1I C SI iAT gt2-19 (gt)80

I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 5: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

CUADRO 17 Propiedades de aceites minerales y sinteacuteticos

PROPIEDAD Aromaacuteshy Estere E~lerM Eater

Ao~lla iexclIca do Pallllklshy de Elerltl fluQr~ di mineral Polialtaoacuteshy alquila- aacutecido Pollhmiddot lene aacutecido SIII de earboshy polishy

tiplco lefina tados dlbAacutellco litre gllcol odoacuterlco cona8 silicato nos enll

Caracterlslic8S Viscosidad middotIemper atura M B M E MB a p E E M P

De sempello a bajas temperaturas p B B B 8 8 M B 8 B P

Estabi lidad 8 la oidaci6n

(con inh lb idor) M M8 M M6 M r 8 M8 M8 E MB

Olmpatibilidad con aceites

m inerales E E B M P M P M P B

Volatilidad M B [3 E E O B O O M 8

Olmpat ibilidad con

pinluras y barn ices E E E B M M P B M 8 M

Estabilidad la hidrOacute liSI S E E E M M B M [3 P M8 E

CatBCI9fistcas an1iherrurnbr e (con Inhlbidor) E E E M M 8 M B

Soubilidad con ad ll iyos E 8 E M8 MB M 8 P

Tendencia a ab landar el BUNA N L N L M F L F L L M L

P( oplfdade~ lubrlC8nllJ B B B Me MB B E M M E E

Estubilodacl reacute rmlc~ M M M 8 8 B M 118 8 Me E

Rsr slencia alluiexclgo p p P M M M E M M E I~

CoSIO ba o medio mecio m edio m edIO m eritO medio alto 8110 m uy iexcliexcl1 1O muy alto

---shyOtJ~(JIIJ con P utl1 0 L LHfJ J M Mt(t( bullbull J J (J Ulu-middotnJ I1D bullbull ylflJun eacute E rtJtJ t lf u Nm~und f fl~liacute

F UEl llc (Albarraciacuten 1993)

CUADRO 18 Principales bases sinteacuteticas

Utilizacioacuten Bases Aplic2cJoacuten

Principal Polialfaolefinas (PAO)-------- Auto Ind a ro Diesteres------------------------- I nd a u [O aero Esteres polloles----------------- Aero auto Ir eJ Polialquiien glicoles (PAG) -- Ind A ro

Medio Polibutenos----------------------shy I nd a u o Dialquil Benceno (OA3) auto In Esteres de fosfatos In aero

Menor Siacutelicones Esteres de polifenil

Aero Ind aulO Aero

En orden de importancia decrec iente

Auto Automotriz Ind Industrial (Compresores) Aero Aerospacial

Fuente (Ruiz 1992)

71

CUADRO 19 Caracteriacutesticas de algunas bases lubricantes

Base Ventaja Desventajas

Aceite mineral

Esteres pinturas (Dilata)

Hidrocarburos

DialquiJ bencenos

Polialquilicen Glicoles

Siexclliexclcones

middot Costo middot Disponibilidad

middot Detergencia

middot Ranngo de T emperat middot Compatibilidad con

sellos y pinturas (encoge)

middot Indice de viscosidad

Bajas temperaturas middot Refrigerante compatibilidad

middot Dificultades para miscibilidad

middot Desplazamiento del agua

middot Indice de viscosidad middot Resistencia quiacutemica

middot altas temperaturas middot Estabi lidad a la oxidacioacuten middot Bajas temperaturas middot Formacioacuten de depoacutesitos

Compatibilidad con sellos y

middot Solubilidad de aditivo middot Depoacutesitos middot disponibilidad

middot Volatilidad middot Indice de viscosidad

middot Lubricidad

middot Lubricidad middot Compatibilidad con los sellos encoge) middot Costo

Fuente (Ruiz 1992)

Todos los aceites orgaacutenicos son compuestos de alcoholes y aacuteCidos grasos y todos f contienen aacutecido libre especialmente al calentarse u oxidarse en presencia del

) agua

Muchos de estos aceites como el de CASTOR tienen grandes moleacuteculas aacutecidas en un extremo y aceitosas en el otro El aacutecido se combina con el metal dejando los hidr9carburos en forma de una carpeta Si la pelicula lubricante se rompe estas colas se deslizan unas sobre otras prev iniendo el contacto metaacutelico Esta es la razoacuten de mezclarlos con los aceites minerales dando asiacute proteccioacuten adicional en caso de cargas pesadas o inadecuijdo suministro de aceite Tales mezclas son conocidas como aceites compuestos Otra ventaja de los aceites orgaacutenicos es sus habilidad para formar emulsiones estables con el agua Estas emulsiones tienen muy buena cualidad de lubricantes

Estos aceites provienen de los animales y de los vegetales Antiguamente se utilizaban como lubricantes hoy en diacutea se mezclan con aceites minerales con el fin de proporcionar algunas propiedades tales como untuosidad o adherencia

Las materias primas o fuentes mas conocidas y utilizadas son Higuerilla nCInO castor y cebos

11 94 Lubricantes compuestos (compound )

Es una mezcla de aceites minerales (85) y aceites orgaacutenicos (15)

0 95 Compuestos Bituminosos

- Se forman a partir de aceites minerales mas fosfatos Tienen la caracteriacutestica de

~poder adherirse fuertemente a las superficies Se utilizan en engranajes de baja velocidad y gran tamantildeo

96 Presentacion fisica de los lubricantes

Los lubricantes pueden tener las siguientes presentaciones

961 Soacutelidos

ELmaacutes-comuacutemrlenle-usado es el grafito el cual se adhier~_ a I ~s sectuperficles en capas formandomiddotescamas tienen la oteacuteljas de g-~ Jienden a Uena [ lo_s vaciacuteos de 1ordfssuperficies- metaacute1icas Pueden usarse como polvo aplicado directamente o en suspensioacuten coloide con aceite En la uacuteltima forma tienden a separarse en forma de un lodo que se deposita en los tanques o en los conductos especialmente cuando estaacuten sometidos a fuerzas centriacutefugas Su uso en sistemas de lubricacioacuten forzada debe evitarse

73

Los grados comercialmente de grafitos contienen impurezas y no deben usarse como lubricantes a menos que esteacuten preparados para este servicio Se usan tambieacuten como lubricantes mica talco y Jaboacuten de roca estos son inferiores al grafito pero tienen mas resistencia a la oxidacioacuten a altas temperaturas En antildeos recientes se han desarrollado lubricantes soacutelidos como el molibdeno y el sulfuro de tugsteno que resisten altas presiones y temperaturas (750degF y 100000 Ibpulg2

) Otros lubricantes soacutelidos antildeadidos a los aceites en suspensiones son jabones de plomo otros compuestos orgaacutenicos de plomo foacutesforo cloro y azufre Antildeadimos a los aceites en pequentildeas cantidades sirven como aditivos de extrema presioacuten que reaccionan con los materiales de los cojinetes para formar superficies de bajo coeficiente de friCCioacuten

g stos l ubricaJJ~~ se utilizan PJ condiciones de servICIO muy severas tales como temperatura~ altas carfjas--aHas y medio ambiente muy contamintildeadQs S e utilizao_tarnhieacuteA -uandO--Jo$ meGan~smos- de lusrfcac+oacuteR son inaccesibles y_se requiere por este motivo periodos de lubricacioacuten muy largos

Ejemplos de estos lubricantes El grafito el bisulfuro de molibdeno el bisulfuro de tugsteno el teflon el polietileno la mica el nltruro de boro la plata el cadmio el plomo y algunos poliacutemeros

9 62 Semisoacutelidos

r ~S-ordmD-Compuestos que por su consistencia pueden permanecer mas faacutecilmente sobre las superficies formando la peliacutecula lubricante Es el caso--tiacutepiee de las ~ grasas las cuales estaacuten formadas por una base lubricante y un jaboacuten que puede_

ser de calcio sodio aluminio etc De acuerdo con la consistencia es mas o J menos soacutelida

3 grasa se--empleeacute normales de velocidad y temperatura La-grasa tiene algunas ventajas sobre-el aceite Por ejemplo la instalacioacuten es mas sencilla y proporciona proteccioacuten contra la humedad de impurezas

1962 1 Grasas lubricantes

Lo que se denomina pastas son generalmente mezclas de aceites lubricantes soacutelidos como el grafito el bisulfuro de molibdeno y otros Las grasas son llfl

producto con vaLias presentaciones desde el soacutelido hasta el semifluido y se obtiene por la dispersioacuten de un agente Uaboacuten metaacutelico) en un liacutequidoJ ubricante (acerte-middot bmiddotase) Por lo general todas las grasas tienen una base de Jaboacuten para impartirle cuerpo y ciertas caracteristicas ) Los tipos de Jabones metaacutelicos empleados en la elaboracioacuten de grasas son los de SOdiO calcio litio bario y aluminio Ademaacutes existen algunas grasa que no tienen base de jaboacuten sino un

7-1

compuesto quiacutemico que le da ciertas caractenstlcas especiales En el cuadro 20 se senalan las temperaturas de operacioacuten de las grasas lubricantes

r a facultad de las grasas lubricantes de operar en tan diferentes aplicaciones bajo una amplia variedad de condiciones y medio ambientales constituyen un testimonio ae la flexibilidad de su composicioacuten Las grasas son formulas complejas de espesantes componentes estructurales bases fluidas y aditivos disenados para cumplir requisitos de aplicacioacuten especiacutefica ~_~eacutel_Qq() se usan como lubricante-- lasmiddot grasas tienen -un comportamiento muy p_arecido al de los_ aceites Red~cen_friccLoacutengenerando una pelicula que separa_ las superficies en movimmiddotiemo Sin embarg9 tienen Ia ventaja de permanecer donde se aplicanL y tienen menos_Qrobabilidad de escapar de una maacutequina o de las superficies que lubrican si se -encuentran oajo efectos de la fuerza de gravedad o middot fuerza centriacutefuga Al mi~ tieJTlpo las geasas pueden formar un sello efectIVO contreacutel la humedad-y -conta-m-tnCtntes soacutelidos~

La composicioacuten de la grasa se puede definir como

Aceite base + Agente espesante + Aditivos

1 1 1 -Mineral Jaboacuten (calCIO sodiO litio) AdheSIvidad antidesgaste

antioxidante EP (colorantes anticorrosIvo antiespumantes estabili zadores

El aceite da a las grasas sus caracteriacutesticas lubricantes y el espesante las propiedades fiacutes icas tales como soportar altas temperaturas humedad aacuteCidos y otros tipos de contaminantes Se podriacutea deCir que una grasa es una especie de esponja saturada de aceite que a medida que trabaja dosificado sobre el mecanismo que estaacute lubricado En el cuadro 21 se resentildea ciertas caracteriacutesticas importantes de algunas grasas lubricantes Tambieacuten en la figura 12 se muestra el efecto de la temperatura sobre la frecuencia o Intervalos de lubricacioacuten factor importante que incide sobre los costos de manten imiento

75

CUADRO 20 Temperatura de operacioacuten de grasas lubricantes

Espesante Temperatura

Oc OF

150

Jaboacuten de sodio 120

Jaboacuten de calcio 65

250

Jaboacuten de litio 120 250

Jaboacuten complejo de aluminio 120 250

Jaboacuten complejo de calcio 135 275

Jaboacuten complejo de litio 150 300

Sinteacuteticas 205 400

Fuente (Terpel)

76

77

CUADRO 21 Propiedades de grasa lubricantes

Espisanti Textura Punto di Esta bili dad Rsi slincia Apli cacioacuten Condiciones goteo al trabaj o al agua de operacioacuten

ALU t-- lI NIO SUAVE (911f10) POBRE SU COSTO LIMITA SU Re sistencia al lavado ( 195 -2 30) BUENA USO Buena adhesividad

CO~ lPLE J O SUAVE 24 0-270 BUENA QUENA DF AL W-lI NIO ( 465-52 0)

CA LCI O SUAVE 99 -1 02 BUENA EXCF LENTE Cojinetes Agi tacioacuten y batid o no (2 10-2 16) sencillos critico re ist~ntis al

bombas agua laado J en chasis

IIIDIW E I [ SI I Vrshy 140- 1 IXCU 11 E luacuteTIL lE donde puede 1 DI C I ( 10 285-3 1)1) darse O C ()nt~c to eun N aliment l

COII II I() SI 1 T 2(J shy OU 1lt111 11 I l lll Nn Telllper31 ll lJ Se end ureL e IJI C Ilt ID FII3f()Si 1))lJ -57U a DJja

111 1() Sll VE 170-200 P() fllZ L l lliexcliexclA Rod~mientos

i3 11 1- lJll) coj rK h 11 shy

cillas l h~ i i

ho mhas agultl JlInt ~

uni eacuter ~k s

13 ltrmiddot IIX 1- 1 shy VE 17U-2 00 Il ULi middot l3lH N fl E llfl l) (3 ~1)- 39 1))

L-shy __

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

SItA VE

gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

POORE A

EXCELENTL

rOBRE A rXCEII 1 11

BUENA

fXCFLF1lT

()

l

SI IT1I C SI iAT gt2-19 (gt)80

I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 6: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

CUADRO 18 Principales bases sinteacuteticas

Utilizacioacuten Bases Aplic2cJoacuten

Principal Polialfaolefinas (PAO)-------- Auto Ind a ro Diesteres------------------------- I nd a u [O aero Esteres polloles----------------- Aero auto Ir eJ Polialquiien glicoles (PAG) -- Ind A ro

Medio Polibutenos----------------------shy I nd a u o Dialquil Benceno (OA3) auto In Esteres de fosfatos In aero

Menor Siacutelicones Esteres de polifenil

Aero Ind aulO Aero

En orden de importancia decrec iente

Auto Automotriz Ind Industrial (Compresores) Aero Aerospacial

Fuente (Ruiz 1992)

71

CUADRO 19 Caracteriacutesticas de algunas bases lubricantes

Base Ventaja Desventajas

Aceite mineral

Esteres pinturas (Dilata)

Hidrocarburos

DialquiJ bencenos

Polialquilicen Glicoles

Siexclliexclcones

middot Costo middot Disponibilidad

middot Detergencia

middot Ranngo de T emperat middot Compatibilidad con

sellos y pinturas (encoge)

middot Indice de viscosidad

Bajas temperaturas middot Refrigerante compatibilidad

middot Dificultades para miscibilidad

middot Desplazamiento del agua

middot Indice de viscosidad middot Resistencia quiacutemica

middot altas temperaturas middot Estabi lidad a la oxidacioacuten middot Bajas temperaturas middot Formacioacuten de depoacutesitos

Compatibilidad con sellos y

middot Solubilidad de aditivo middot Depoacutesitos middot disponibilidad

middot Volatilidad middot Indice de viscosidad

middot Lubricidad

middot Lubricidad middot Compatibilidad con los sellos encoge) middot Costo

Fuente (Ruiz 1992)

Todos los aceites orgaacutenicos son compuestos de alcoholes y aacuteCidos grasos y todos f contienen aacutecido libre especialmente al calentarse u oxidarse en presencia del

) agua

Muchos de estos aceites como el de CASTOR tienen grandes moleacuteculas aacutecidas en un extremo y aceitosas en el otro El aacutecido se combina con el metal dejando los hidr9carburos en forma de una carpeta Si la pelicula lubricante se rompe estas colas se deslizan unas sobre otras prev iniendo el contacto metaacutelico Esta es la razoacuten de mezclarlos con los aceites minerales dando asiacute proteccioacuten adicional en caso de cargas pesadas o inadecuijdo suministro de aceite Tales mezclas son conocidas como aceites compuestos Otra ventaja de los aceites orgaacutenicos es sus habilidad para formar emulsiones estables con el agua Estas emulsiones tienen muy buena cualidad de lubricantes

Estos aceites provienen de los animales y de los vegetales Antiguamente se utilizaban como lubricantes hoy en diacutea se mezclan con aceites minerales con el fin de proporcionar algunas propiedades tales como untuosidad o adherencia

Las materias primas o fuentes mas conocidas y utilizadas son Higuerilla nCInO castor y cebos

11 94 Lubricantes compuestos (compound )

Es una mezcla de aceites minerales (85) y aceites orgaacutenicos (15)

0 95 Compuestos Bituminosos

- Se forman a partir de aceites minerales mas fosfatos Tienen la caracteriacutestica de

~poder adherirse fuertemente a las superficies Se utilizan en engranajes de baja velocidad y gran tamantildeo

96 Presentacion fisica de los lubricantes

Los lubricantes pueden tener las siguientes presentaciones

961 Soacutelidos

ELmaacutes-comuacutemrlenle-usado es el grafito el cual se adhier~_ a I ~s sectuperficles en capas formandomiddotescamas tienen la oteacuteljas de g-~ Jienden a Uena [ lo_s vaciacuteos de 1ordfssuperficies- metaacute1icas Pueden usarse como polvo aplicado directamente o en suspensioacuten coloide con aceite En la uacuteltima forma tienden a separarse en forma de un lodo que se deposita en los tanques o en los conductos especialmente cuando estaacuten sometidos a fuerzas centriacutefugas Su uso en sistemas de lubricacioacuten forzada debe evitarse

73

Los grados comercialmente de grafitos contienen impurezas y no deben usarse como lubricantes a menos que esteacuten preparados para este servicio Se usan tambieacuten como lubricantes mica talco y Jaboacuten de roca estos son inferiores al grafito pero tienen mas resistencia a la oxidacioacuten a altas temperaturas En antildeos recientes se han desarrollado lubricantes soacutelidos como el molibdeno y el sulfuro de tugsteno que resisten altas presiones y temperaturas (750degF y 100000 Ibpulg2

) Otros lubricantes soacutelidos antildeadidos a los aceites en suspensiones son jabones de plomo otros compuestos orgaacutenicos de plomo foacutesforo cloro y azufre Antildeadimos a los aceites en pequentildeas cantidades sirven como aditivos de extrema presioacuten que reaccionan con los materiales de los cojinetes para formar superficies de bajo coeficiente de friCCioacuten

g stos l ubricaJJ~~ se utilizan PJ condiciones de servICIO muy severas tales como temperatura~ altas carfjas--aHas y medio ambiente muy contamintildeadQs S e utilizao_tarnhieacuteA -uandO--Jo$ meGan~smos- de lusrfcac+oacuteR son inaccesibles y_se requiere por este motivo periodos de lubricacioacuten muy largos

Ejemplos de estos lubricantes El grafito el bisulfuro de molibdeno el bisulfuro de tugsteno el teflon el polietileno la mica el nltruro de boro la plata el cadmio el plomo y algunos poliacutemeros

9 62 Semisoacutelidos

r ~S-ordmD-Compuestos que por su consistencia pueden permanecer mas faacutecilmente sobre las superficies formando la peliacutecula lubricante Es el caso--tiacutepiee de las ~ grasas las cuales estaacuten formadas por una base lubricante y un jaboacuten que puede_

ser de calcio sodio aluminio etc De acuerdo con la consistencia es mas o J menos soacutelida

3 grasa se--empleeacute normales de velocidad y temperatura La-grasa tiene algunas ventajas sobre-el aceite Por ejemplo la instalacioacuten es mas sencilla y proporciona proteccioacuten contra la humedad de impurezas

1962 1 Grasas lubricantes

Lo que se denomina pastas son generalmente mezclas de aceites lubricantes soacutelidos como el grafito el bisulfuro de molibdeno y otros Las grasas son llfl

producto con vaLias presentaciones desde el soacutelido hasta el semifluido y se obtiene por la dispersioacuten de un agente Uaboacuten metaacutelico) en un liacutequidoJ ubricante (acerte-middot bmiddotase) Por lo general todas las grasas tienen una base de Jaboacuten para impartirle cuerpo y ciertas caracteristicas ) Los tipos de Jabones metaacutelicos empleados en la elaboracioacuten de grasas son los de SOdiO calcio litio bario y aluminio Ademaacutes existen algunas grasa que no tienen base de jaboacuten sino un

7-1

compuesto quiacutemico que le da ciertas caractenstlcas especiales En el cuadro 20 se senalan las temperaturas de operacioacuten de las grasas lubricantes

r a facultad de las grasas lubricantes de operar en tan diferentes aplicaciones bajo una amplia variedad de condiciones y medio ambientales constituyen un testimonio ae la flexibilidad de su composicioacuten Las grasas son formulas complejas de espesantes componentes estructurales bases fluidas y aditivos disenados para cumplir requisitos de aplicacioacuten especiacutefica ~_~eacutel_Qq() se usan como lubricante-- lasmiddot grasas tienen -un comportamiento muy p_arecido al de los_ aceites Red~cen_friccLoacutengenerando una pelicula que separa_ las superficies en movimmiddotiemo Sin embarg9 tienen Ia ventaja de permanecer donde se aplicanL y tienen menos_Qrobabilidad de escapar de una maacutequina o de las superficies que lubrican si se -encuentran oajo efectos de la fuerza de gravedad o middot fuerza centriacutefuga Al mi~ tieJTlpo las geasas pueden formar un sello efectIVO contreacutel la humedad-y -conta-m-tnCtntes soacutelidos~

La composicioacuten de la grasa se puede definir como

Aceite base + Agente espesante + Aditivos

1 1 1 -Mineral Jaboacuten (calCIO sodiO litio) AdheSIvidad antidesgaste

antioxidante EP (colorantes anticorrosIvo antiespumantes estabili zadores

El aceite da a las grasas sus caracteriacutesticas lubricantes y el espesante las propiedades fiacutes icas tales como soportar altas temperaturas humedad aacuteCidos y otros tipos de contaminantes Se podriacutea deCir que una grasa es una especie de esponja saturada de aceite que a medida que trabaja dosificado sobre el mecanismo que estaacute lubricado En el cuadro 21 se resentildea ciertas caracteriacutesticas importantes de algunas grasas lubricantes Tambieacuten en la figura 12 se muestra el efecto de la temperatura sobre la frecuencia o Intervalos de lubricacioacuten factor importante que incide sobre los costos de manten imiento

75

CUADRO 20 Temperatura de operacioacuten de grasas lubricantes

Espesante Temperatura

Oc OF

150

Jaboacuten de sodio 120

Jaboacuten de calcio 65

250

Jaboacuten de litio 120 250

Jaboacuten complejo de aluminio 120 250

Jaboacuten complejo de calcio 135 275

Jaboacuten complejo de litio 150 300

Sinteacuteticas 205 400

Fuente (Terpel)

76

77

CUADRO 21 Propiedades de grasa lubricantes

Espisanti Textura Punto di Esta bili dad Rsi slincia Apli cacioacuten Condiciones goteo al trabaj o al agua de operacioacuten

ALU t-- lI NIO SUAVE (911f10) POBRE SU COSTO LIMITA SU Re sistencia al lavado ( 195 -2 30) BUENA USO Buena adhesividad

CO~ lPLE J O SUAVE 24 0-270 BUENA QUENA DF AL W-lI NIO ( 465-52 0)

CA LCI O SUAVE 99 -1 02 BUENA EXCF LENTE Cojinetes Agi tacioacuten y batid o no (2 10-2 16) sencillos critico re ist~ntis al

bombas agua laado J en chasis

IIIDIW E I [ SI I Vrshy 140- 1 IXCU 11 E luacuteTIL lE donde puede 1 DI C I ( 10 285-3 1)1) darse O C ()nt~c to eun N aliment l

COII II I() SI 1 T 2(J shy OU 1lt111 11 I l lll Nn Telllper31 ll lJ Se end ureL e IJI C Ilt ID FII3f()Si 1))lJ -57U a DJja

111 1() Sll VE 170-200 P() fllZ L l lliexcliexclA Rod~mientos

i3 11 1- lJll) coj rK h 11 shy

cillas l h~ i i

ho mhas agultl JlInt ~

uni eacuter ~k s

13 ltrmiddot IIX 1- 1 shy VE 17U-2 00 Il ULi middot l3lH N fl E llfl l) (3 ~1)- 39 1))

L-shy __

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

SItA VE

gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

POORE A

EXCELENTL

rOBRE A rXCEII 1 11

BUENA

fXCFLF1lT

()

l

SI IT1I C SI iAT gt2-19 (gt)80

I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

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- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 7: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

CUADRO 19 Caracteriacutesticas de algunas bases lubricantes

Base Ventaja Desventajas

Aceite mineral

Esteres pinturas (Dilata)

Hidrocarburos

DialquiJ bencenos

Polialquilicen Glicoles

Siexclliexclcones

middot Costo middot Disponibilidad

middot Detergencia

middot Ranngo de T emperat middot Compatibilidad con

sellos y pinturas (encoge)

middot Indice de viscosidad

Bajas temperaturas middot Refrigerante compatibilidad

middot Dificultades para miscibilidad

middot Desplazamiento del agua

middot Indice de viscosidad middot Resistencia quiacutemica

middot altas temperaturas middot Estabi lidad a la oxidacioacuten middot Bajas temperaturas middot Formacioacuten de depoacutesitos

Compatibilidad con sellos y

middot Solubilidad de aditivo middot Depoacutesitos middot disponibilidad

middot Volatilidad middot Indice de viscosidad

middot Lubricidad

middot Lubricidad middot Compatibilidad con los sellos encoge) middot Costo

Fuente (Ruiz 1992)

Todos los aceites orgaacutenicos son compuestos de alcoholes y aacuteCidos grasos y todos f contienen aacutecido libre especialmente al calentarse u oxidarse en presencia del

) agua

Muchos de estos aceites como el de CASTOR tienen grandes moleacuteculas aacutecidas en un extremo y aceitosas en el otro El aacutecido se combina con el metal dejando los hidr9carburos en forma de una carpeta Si la pelicula lubricante se rompe estas colas se deslizan unas sobre otras prev iniendo el contacto metaacutelico Esta es la razoacuten de mezclarlos con los aceites minerales dando asiacute proteccioacuten adicional en caso de cargas pesadas o inadecuijdo suministro de aceite Tales mezclas son conocidas como aceites compuestos Otra ventaja de los aceites orgaacutenicos es sus habilidad para formar emulsiones estables con el agua Estas emulsiones tienen muy buena cualidad de lubricantes

Estos aceites provienen de los animales y de los vegetales Antiguamente se utilizaban como lubricantes hoy en diacutea se mezclan con aceites minerales con el fin de proporcionar algunas propiedades tales como untuosidad o adherencia

Las materias primas o fuentes mas conocidas y utilizadas son Higuerilla nCInO castor y cebos

11 94 Lubricantes compuestos (compound )

Es una mezcla de aceites minerales (85) y aceites orgaacutenicos (15)

0 95 Compuestos Bituminosos

- Se forman a partir de aceites minerales mas fosfatos Tienen la caracteriacutestica de

~poder adherirse fuertemente a las superficies Se utilizan en engranajes de baja velocidad y gran tamantildeo

96 Presentacion fisica de los lubricantes

Los lubricantes pueden tener las siguientes presentaciones

961 Soacutelidos

ELmaacutes-comuacutemrlenle-usado es el grafito el cual se adhier~_ a I ~s sectuperficles en capas formandomiddotescamas tienen la oteacuteljas de g-~ Jienden a Uena [ lo_s vaciacuteos de 1ordfssuperficies- metaacute1icas Pueden usarse como polvo aplicado directamente o en suspensioacuten coloide con aceite En la uacuteltima forma tienden a separarse en forma de un lodo que se deposita en los tanques o en los conductos especialmente cuando estaacuten sometidos a fuerzas centriacutefugas Su uso en sistemas de lubricacioacuten forzada debe evitarse

73

Los grados comercialmente de grafitos contienen impurezas y no deben usarse como lubricantes a menos que esteacuten preparados para este servicio Se usan tambieacuten como lubricantes mica talco y Jaboacuten de roca estos son inferiores al grafito pero tienen mas resistencia a la oxidacioacuten a altas temperaturas En antildeos recientes se han desarrollado lubricantes soacutelidos como el molibdeno y el sulfuro de tugsteno que resisten altas presiones y temperaturas (750degF y 100000 Ibpulg2

) Otros lubricantes soacutelidos antildeadidos a los aceites en suspensiones son jabones de plomo otros compuestos orgaacutenicos de plomo foacutesforo cloro y azufre Antildeadimos a los aceites en pequentildeas cantidades sirven como aditivos de extrema presioacuten que reaccionan con los materiales de los cojinetes para formar superficies de bajo coeficiente de friCCioacuten

g stos l ubricaJJ~~ se utilizan PJ condiciones de servICIO muy severas tales como temperatura~ altas carfjas--aHas y medio ambiente muy contamintildeadQs S e utilizao_tarnhieacuteA -uandO--Jo$ meGan~smos- de lusrfcac+oacuteR son inaccesibles y_se requiere por este motivo periodos de lubricacioacuten muy largos

Ejemplos de estos lubricantes El grafito el bisulfuro de molibdeno el bisulfuro de tugsteno el teflon el polietileno la mica el nltruro de boro la plata el cadmio el plomo y algunos poliacutemeros

9 62 Semisoacutelidos

r ~S-ordmD-Compuestos que por su consistencia pueden permanecer mas faacutecilmente sobre las superficies formando la peliacutecula lubricante Es el caso--tiacutepiee de las ~ grasas las cuales estaacuten formadas por una base lubricante y un jaboacuten que puede_

ser de calcio sodio aluminio etc De acuerdo con la consistencia es mas o J menos soacutelida

3 grasa se--empleeacute normales de velocidad y temperatura La-grasa tiene algunas ventajas sobre-el aceite Por ejemplo la instalacioacuten es mas sencilla y proporciona proteccioacuten contra la humedad de impurezas

1962 1 Grasas lubricantes

Lo que se denomina pastas son generalmente mezclas de aceites lubricantes soacutelidos como el grafito el bisulfuro de molibdeno y otros Las grasas son llfl

producto con vaLias presentaciones desde el soacutelido hasta el semifluido y se obtiene por la dispersioacuten de un agente Uaboacuten metaacutelico) en un liacutequidoJ ubricante (acerte-middot bmiddotase) Por lo general todas las grasas tienen una base de Jaboacuten para impartirle cuerpo y ciertas caracteristicas ) Los tipos de Jabones metaacutelicos empleados en la elaboracioacuten de grasas son los de SOdiO calcio litio bario y aluminio Ademaacutes existen algunas grasa que no tienen base de jaboacuten sino un

7-1

compuesto quiacutemico que le da ciertas caractenstlcas especiales En el cuadro 20 se senalan las temperaturas de operacioacuten de las grasas lubricantes

r a facultad de las grasas lubricantes de operar en tan diferentes aplicaciones bajo una amplia variedad de condiciones y medio ambientales constituyen un testimonio ae la flexibilidad de su composicioacuten Las grasas son formulas complejas de espesantes componentes estructurales bases fluidas y aditivos disenados para cumplir requisitos de aplicacioacuten especiacutefica ~_~eacutel_Qq() se usan como lubricante-- lasmiddot grasas tienen -un comportamiento muy p_arecido al de los_ aceites Red~cen_friccLoacutengenerando una pelicula que separa_ las superficies en movimmiddotiemo Sin embarg9 tienen Ia ventaja de permanecer donde se aplicanL y tienen menos_Qrobabilidad de escapar de una maacutequina o de las superficies que lubrican si se -encuentran oajo efectos de la fuerza de gravedad o middot fuerza centriacutefuga Al mi~ tieJTlpo las geasas pueden formar un sello efectIVO contreacutel la humedad-y -conta-m-tnCtntes soacutelidos~

La composicioacuten de la grasa se puede definir como

Aceite base + Agente espesante + Aditivos

1 1 1 -Mineral Jaboacuten (calCIO sodiO litio) AdheSIvidad antidesgaste

antioxidante EP (colorantes anticorrosIvo antiespumantes estabili zadores

El aceite da a las grasas sus caracteriacutesticas lubricantes y el espesante las propiedades fiacutes icas tales como soportar altas temperaturas humedad aacuteCidos y otros tipos de contaminantes Se podriacutea deCir que una grasa es una especie de esponja saturada de aceite que a medida que trabaja dosificado sobre el mecanismo que estaacute lubricado En el cuadro 21 se resentildea ciertas caracteriacutesticas importantes de algunas grasas lubricantes Tambieacuten en la figura 12 se muestra el efecto de la temperatura sobre la frecuencia o Intervalos de lubricacioacuten factor importante que incide sobre los costos de manten imiento

75

CUADRO 20 Temperatura de operacioacuten de grasas lubricantes

Espesante Temperatura

Oc OF

150

Jaboacuten de sodio 120

Jaboacuten de calcio 65

250

Jaboacuten de litio 120 250

Jaboacuten complejo de aluminio 120 250

Jaboacuten complejo de calcio 135 275

Jaboacuten complejo de litio 150 300

Sinteacuteticas 205 400

Fuente (Terpel)

76

77

CUADRO 21 Propiedades de grasa lubricantes

Espisanti Textura Punto di Esta bili dad Rsi slincia Apli cacioacuten Condiciones goteo al trabaj o al agua de operacioacuten

ALU t-- lI NIO SUAVE (911f10) POBRE SU COSTO LIMITA SU Re sistencia al lavado ( 195 -2 30) BUENA USO Buena adhesividad

CO~ lPLE J O SUAVE 24 0-270 BUENA QUENA DF AL W-lI NIO ( 465-52 0)

CA LCI O SUAVE 99 -1 02 BUENA EXCF LENTE Cojinetes Agi tacioacuten y batid o no (2 10-2 16) sencillos critico re ist~ntis al

bombas agua laado J en chasis

IIIDIW E I [ SI I Vrshy 140- 1 IXCU 11 E luacuteTIL lE donde puede 1 DI C I ( 10 285-3 1)1) darse O C ()nt~c to eun N aliment l

COII II I() SI 1 T 2(J shy OU 1lt111 11 I l lll Nn Telllper31 ll lJ Se end ureL e IJI C Ilt ID FII3f()Si 1))lJ -57U a DJja

111 1() Sll VE 170-200 P() fllZ L l lliexcliexclA Rod~mientos

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13 ltrmiddot IIX 1- 1 shy VE 17U-2 00 Il ULi middot l3lH N fl E llfl l) (3 ~1)- 39 1))

L-shy __

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

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gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

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BUENA

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I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 8: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

Todos los aceites orgaacutenicos son compuestos de alcoholes y aacuteCidos grasos y todos f contienen aacutecido libre especialmente al calentarse u oxidarse en presencia del

) agua

Muchos de estos aceites como el de CASTOR tienen grandes moleacuteculas aacutecidas en un extremo y aceitosas en el otro El aacutecido se combina con el metal dejando los hidr9carburos en forma de una carpeta Si la pelicula lubricante se rompe estas colas se deslizan unas sobre otras prev iniendo el contacto metaacutelico Esta es la razoacuten de mezclarlos con los aceites minerales dando asiacute proteccioacuten adicional en caso de cargas pesadas o inadecuijdo suministro de aceite Tales mezclas son conocidas como aceites compuestos Otra ventaja de los aceites orgaacutenicos es sus habilidad para formar emulsiones estables con el agua Estas emulsiones tienen muy buena cualidad de lubricantes

Estos aceites provienen de los animales y de los vegetales Antiguamente se utilizaban como lubricantes hoy en diacutea se mezclan con aceites minerales con el fin de proporcionar algunas propiedades tales como untuosidad o adherencia

Las materias primas o fuentes mas conocidas y utilizadas son Higuerilla nCInO castor y cebos

11 94 Lubricantes compuestos (compound )

Es una mezcla de aceites minerales (85) y aceites orgaacutenicos (15)

0 95 Compuestos Bituminosos

- Se forman a partir de aceites minerales mas fosfatos Tienen la caracteriacutestica de

~poder adherirse fuertemente a las superficies Se utilizan en engranajes de baja velocidad y gran tamantildeo

96 Presentacion fisica de los lubricantes

Los lubricantes pueden tener las siguientes presentaciones

961 Soacutelidos

ELmaacutes-comuacutemrlenle-usado es el grafito el cual se adhier~_ a I ~s sectuperficles en capas formandomiddotescamas tienen la oteacuteljas de g-~ Jienden a Uena [ lo_s vaciacuteos de 1ordfssuperficies- metaacute1icas Pueden usarse como polvo aplicado directamente o en suspensioacuten coloide con aceite En la uacuteltima forma tienden a separarse en forma de un lodo que se deposita en los tanques o en los conductos especialmente cuando estaacuten sometidos a fuerzas centriacutefugas Su uso en sistemas de lubricacioacuten forzada debe evitarse

73

Los grados comercialmente de grafitos contienen impurezas y no deben usarse como lubricantes a menos que esteacuten preparados para este servicio Se usan tambieacuten como lubricantes mica talco y Jaboacuten de roca estos son inferiores al grafito pero tienen mas resistencia a la oxidacioacuten a altas temperaturas En antildeos recientes se han desarrollado lubricantes soacutelidos como el molibdeno y el sulfuro de tugsteno que resisten altas presiones y temperaturas (750degF y 100000 Ibpulg2

) Otros lubricantes soacutelidos antildeadidos a los aceites en suspensiones son jabones de plomo otros compuestos orgaacutenicos de plomo foacutesforo cloro y azufre Antildeadimos a los aceites en pequentildeas cantidades sirven como aditivos de extrema presioacuten que reaccionan con los materiales de los cojinetes para formar superficies de bajo coeficiente de friCCioacuten

g stos l ubricaJJ~~ se utilizan PJ condiciones de servICIO muy severas tales como temperatura~ altas carfjas--aHas y medio ambiente muy contamintildeadQs S e utilizao_tarnhieacuteA -uandO--Jo$ meGan~smos- de lusrfcac+oacuteR son inaccesibles y_se requiere por este motivo periodos de lubricacioacuten muy largos

Ejemplos de estos lubricantes El grafito el bisulfuro de molibdeno el bisulfuro de tugsteno el teflon el polietileno la mica el nltruro de boro la plata el cadmio el plomo y algunos poliacutemeros

9 62 Semisoacutelidos

r ~S-ordmD-Compuestos que por su consistencia pueden permanecer mas faacutecilmente sobre las superficies formando la peliacutecula lubricante Es el caso--tiacutepiee de las ~ grasas las cuales estaacuten formadas por una base lubricante y un jaboacuten que puede_

ser de calcio sodio aluminio etc De acuerdo con la consistencia es mas o J menos soacutelida

3 grasa se--empleeacute normales de velocidad y temperatura La-grasa tiene algunas ventajas sobre-el aceite Por ejemplo la instalacioacuten es mas sencilla y proporciona proteccioacuten contra la humedad de impurezas

1962 1 Grasas lubricantes

Lo que se denomina pastas son generalmente mezclas de aceites lubricantes soacutelidos como el grafito el bisulfuro de molibdeno y otros Las grasas son llfl

producto con vaLias presentaciones desde el soacutelido hasta el semifluido y se obtiene por la dispersioacuten de un agente Uaboacuten metaacutelico) en un liacutequidoJ ubricante (acerte-middot bmiddotase) Por lo general todas las grasas tienen una base de Jaboacuten para impartirle cuerpo y ciertas caracteristicas ) Los tipos de Jabones metaacutelicos empleados en la elaboracioacuten de grasas son los de SOdiO calcio litio bario y aluminio Ademaacutes existen algunas grasa que no tienen base de jaboacuten sino un

7-1

compuesto quiacutemico que le da ciertas caractenstlcas especiales En el cuadro 20 se senalan las temperaturas de operacioacuten de las grasas lubricantes

r a facultad de las grasas lubricantes de operar en tan diferentes aplicaciones bajo una amplia variedad de condiciones y medio ambientales constituyen un testimonio ae la flexibilidad de su composicioacuten Las grasas son formulas complejas de espesantes componentes estructurales bases fluidas y aditivos disenados para cumplir requisitos de aplicacioacuten especiacutefica ~_~eacutel_Qq() se usan como lubricante-- lasmiddot grasas tienen -un comportamiento muy p_arecido al de los_ aceites Red~cen_friccLoacutengenerando una pelicula que separa_ las superficies en movimmiddotiemo Sin embarg9 tienen Ia ventaja de permanecer donde se aplicanL y tienen menos_Qrobabilidad de escapar de una maacutequina o de las superficies que lubrican si se -encuentran oajo efectos de la fuerza de gravedad o middot fuerza centriacutefuga Al mi~ tieJTlpo las geasas pueden formar un sello efectIVO contreacutel la humedad-y -conta-m-tnCtntes soacutelidos~

La composicioacuten de la grasa se puede definir como

Aceite base + Agente espesante + Aditivos

1 1 1 -Mineral Jaboacuten (calCIO sodiO litio) AdheSIvidad antidesgaste

antioxidante EP (colorantes anticorrosIvo antiespumantes estabili zadores

El aceite da a las grasas sus caracteriacutesticas lubricantes y el espesante las propiedades fiacutes icas tales como soportar altas temperaturas humedad aacuteCidos y otros tipos de contaminantes Se podriacutea deCir que una grasa es una especie de esponja saturada de aceite que a medida que trabaja dosificado sobre el mecanismo que estaacute lubricado En el cuadro 21 se resentildea ciertas caracteriacutesticas importantes de algunas grasas lubricantes Tambieacuten en la figura 12 se muestra el efecto de la temperatura sobre la frecuencia o Intervalos de lubricacioacuten factor importante que incide sobre los costos de manten imiento

75

CUADRO 20 Temperatura de operacioacuten de grasas lubricantes

Espesante Temperatura

Oc OF

150

Jaboacuten de sodio 120

Jaboacuten de calcio 65

250

Jaboacuten de litio 120 250

Jaboacuten complejo de aluminio 120 250

Jaboacuten complejo de calcio 135 275

Jaboacuten complejo de litio 150 300

Sinteacuteticas 205 400

Fuente (Terpel)

76

77

CUADRO 21 Propiedades de grasa lubricantes

Espisanti Textura Punto di Esta bili dad Rsi slincia Apli cacioacuten Condiciones goteo al trabaj o al agua de operacioacuten

ALU t-- lI NIO SUAVE (911f10) POBRE SU COSTO LIMITA SU Re sistencia al lavado ( 195 -2 30) BUENA USO Buena adhesividad

CO~ lPLE J O SUAVE 24 0-270 BUENA QUENA DF AL W-lI NIO ( 465-52 0)

CA LCI O SUAVE 99 -1 02 BUENA EXCF LENTE Cojinetes Agi tacioacuten y batid o no (2 10-2 16) sencillos critico re ist~ntis al

bombas agua laado J en chasis

IIIDIW E I [ SI I Vrshy 140- 1 IXCU 11 E luacuteTIL lE donde puede 1 DI C I ( 10 285-3 1)1) darse O C ()nt~c to eun N aliment l

COII II I() SI 1 T 2(J shy OU 1lt111 11 I l lll Nn Telllper31 ll lJ Se end ureL e IJI C Ilt ID FII3f()Si 1))lJ -57U a DJja

111 1() Sll VE 170-200 P() fllZ L l lliexcliexclA Rod~mientos

i3 11 1- lJll) coj rK h 11 shy

cillas l h~ i i

ho mhas agultl JlInt ~

uni eacuter ~k s

13 ltrmiddot IIX 1- 1 shy VE 17U-2 00 Il ULi middot l3lH N fl E llfl l) (3 ~1)- 39 1))

L-shy __

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

SItA VE

gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

POORE A

EXCELENTL

rOBRE A rXCEII 1 11

BUENA

fXCFLF1lT

()

l

SI IT1I C SI iAT gt2-19 (gt)80

I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 9: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

Los grados comercialmente de grafitos contienen impurezas y no deben usarse como lubricantes a menos que esteacuten preparados para este servicio Se usan tambieacuten como lubricantes mica talco y Jaboacuten de roca estos son inferiores al grafito pero tienen mas resistencia a la oxidacioacuten a altas temperaturas En antildeos recientes se han desarrollado lubricantes soacutelidos como el molibdeno y el sulfuro de tugsteno que resisten altas presiones y temperaturas (750degF y 100000 Ibpulg2

) Otros lubricantes soacutelidos antildeadidos a los aceites en suspensiones son jabones de plomo otros compuestos orgaacutenicos de plomo foacutesforo cloro y azufre Antildeadimos a los aceites en pequentildeas cantidades sirven como aditivos de extrema presioacuten que reaccionan con los materiales de los cojinetes para formar superficies de bajo coeficiente de friCCioacuten

g stos l ubricaJJ~~ se utilizan PJ condiciones de servICIO muy severas tales como temperatura~ altas carfjas--aHas y medio ambiente muy contamintildeadQs S e utilizao_tarnhieacuteA -uandO--Jo$ meGan~smos- de lusrfcac+oacuteR son inaccesibles y_se requiere por este motivo periodos de lubricacioacuten muy largos

Ejemplos de estos lubricantes El grafito el bisulfuro de molibdeno el bisulfuro de tugsteno el teflon el polietileno la mica el nltruro de boro la plata el cadmio el plomo y algunos poliacutemeros

9 62 Semisoacutelidos

r ~S-ordmD-Compuestos que por su consistencia pueden permanecer mas faacutecilmente sobre las superficies formando la peliacutecula lubricante Es el caso--tiacutepiee de las ~ grasas las cuales estaacuten formadas por una base lubricante y un jaboacuten que puede_

ser de calcio sodio aluminio etc De acuerdo con la consistencia es mas o J menos soacutelida

3 grasa se--empleeacute normales de velocidad y temperatura La-grasa tiene algunas ventajas sobre-el aceite Por ejemplo la instalacioacuten es mas sencilla y proporciona proteccioacuten contra la humedad de impurezas

1962 1 Grasas lubricantes

Lo que se denomina pastas son generalmente mezclas de aceites lubricantes soacutelidos como el grafito el bisulfuro de molibdeno y otros Las grasas son llfl

producto con vaLias presentaciones desde el soacutelido hasta el semifluido y se obtiene por la dispersioacuten de un agente Uaboacuten metaacutelico) en un liacutequidoJ ubricante (acerte-middot bmiddotase) Por lo general todas las grasas tienen una base de Jaboacuten para impartirle cuerpo y ciertas caracteristicas ) Los tipos de Jabones metaacutelicos empleados en la elaboracioacuten de grasas son los de SOdiO calcio litio bario y aluminio Ademaacutes existen algunas grasa que no tienen base de jaboacuten sino un

7-1

compuesto quiacutemico que le da ciertas caractenstlcas especiales En el cuadro 20 se senalan las temperaturas de operacioacuten de las grasas lubricantes

r a facultad de las grasas lubricantes de operar en tan diferentes aplicaciones bajo una amplia variedad de condiciones y medio ambientales constituyen un testimonio ae la flexibilidad de su composicioacuten Las grasas son formulas complejas de espesantes componentes estructurales bases fluidas y aditivos disenados para cumplir requisitos de aplicacioacuten especiacutefica ~_~eacutel_Qq() se usan como lubricante-- lasmiddot grasas tienen -un comportamiento muy p_arecido al de los_ aceites Red~cen_friccLoacutengenerando una pelicula que separa_ las superficies en movimmiddotiemo Sin embarg9 tienen Ia ventaja de permanecer donde se aplicanL y tienen menos_Qrobabilidad de escapar de una maacutequina o de las superficies que lubrican si se -encuentran oajo efectos de la fuerza de gravedad o middot fuerza centriacutefuga Al mi~ tieJTlpo las geasas pueden formar un sello efectIVO contreacutel la humedad-y -conta-m-tnCtntes soacutelidos~

La composicioacuten de la grasa se puede definir como

Aceite base + Agente espesante + Aditivos

1 1 1 -Mineral Jaboacuten (calCIO sodiO litio) AdheSIvidad antidesgaste

antioxidante EP (colorantes anticorrosIvo antiespumantes estabili zadores

El aceite da a las grasas sus caracteriacutesticas lubricantes y el espesante las propiedades fiacutes icas tales como soportar altas temperaturas humedad aacuteCidos y otros tipos de contaminantes Se podriacutea deCir que una grasa es una especie de esponja saturada de aceite que a medida que trabaja dosificado sobre el mecanismo que estaacute lubricado En el cuadro 21 se resentildea ciertas caracteriacutesticas importantes de algunas grasas lubricantes Tambieacuten en la figura 12 se muestra el efecto de la temperatura sobre la frecuencia o Intervalos de lubricacioacuten factor importante que incide sobre los costos de manten imiento

75

CUADRO 20 Temperatura de operacioacuten de grasas lubricantes

Espesante Temperatura

Oc OF

150

Jaboacuten de sodio 120

Jaboacuten de calcio 65

250

Jaboacuten de litio 120 250

Jaboacuten complejo de aluminio 120 250

Jaboacuten complejo de calcio 135 275

Jaboacuten complejo de litio 150 300

Sinteacuteticas 205 400

Fuente (Terpel)

76

77

CUADRO 21 Propiedades de grasa lubricantes

Espisanti Textura Punto di Esta bili dad Rsi slincia Apli cacioacuten Condiciones goteo al trabaj o al agua de operacioacuten

ALU t-- lI NIO SUAVE (911f10) POBRE SU COSTO LIMITA SU Re sistencia al lavado ( 195 -2 30) BUENA USO Buena adhesividad

CO~ lPLE J O SUAVE 24 0-270 BUENA QUENA DF AL W-lI NIO ( 465-52 0)

CA LCI O SUAVE 99 -1 02 BUENA EXCF LENTE Cojinetes Agi tacioacuten y batid o no (2 10-2 16) sencillos critico re ist~ntis al

bombas agua laado J en chasis

IIIDIW E I [ SI I Vrshy 140- 1 IXCU 11 E luacuteTIL lE donde puede 1 DI C I ( 10 285-3 1)1) darse O C ()nt~c to eun N aliment l

COII II I() SI 1 T 2(J shy OU 1lt111 11 I l lll Nn Telllper31 ll lJ Se end ureL e IJI C Ilt ID FII3f()Si 1))lJ -57U a DJja

111 1() Sll VE 170-200 P() fllZ L l lliexcliexclA Rod~mientos

i3 11 1- lJll) coj rK h 11 shy

cillas l h~ i i

ho mhas agultl JlInt ~

uni eacuter ~k s

13 ltrmiddot IIX 1- 1 shy VE 17U-2 00 Il ULi middot l3lH N fl E llfl l) (3 ~1)- 39 1))

L-shy __

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

SItA VE

gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

POORE A

EXCELENTL

rOBRE A rXCEII 1 11

BUENA

fXCFLF1lT

()

l

SI IT1I C SI iAT gt2-19 (gt)80

I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 10: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

compuesto quiacutemico que le da ciertas caractenstlcas especiales En el cuadro 20 se senalan las temperaturas de operacioacuten de las grasas lubricantes

r a facultad de las grasas lubricantes de operar en tan diferentes aplicaciones bajo una amplia variedad de condiciones y medio ambientales constituyen un testimonio ae la flexibilidad de su composicioacuten Las grasas son formulas complejas de espesantes componentes estructurales bases fluidas y aditivos disenados para cumplir requisitos de aplicacioacuten especiacutefica ~_~eacutel_Qq() se usan como lubricante-- lasmiddot grasas tienen -un comportamiento muy p_arecido al de los_ aceites Red~cen_friccLoacutengenerando una pelicula que separa_ las superficies en movimmiddotiemo Sin embarg9 tienen Ia ventaja de permanecer donde se aplicanL y tienen menos_Qrobabilidad de escapar de una maacutequina o de las superficies que lubrican si se -encuentran oajo efectos de la fuerza de gravedad o middot fuerza centriacutefuga Al mi~ tieJTlpo las geasas pueden formar un sello efectIVO contreacutel la humedad-y -conta-m-tnCtntes soacutelidos~

La composicioacuten de la grasa se puede definir como

Aceite base + Agente espesante + Aditivos

1 1 1 -Mineral Jaboacuten (calCIO sodiO litio) AdheSIvidad antidesgaste

antioxidante EP (colorantes anticorrosIvo antiespumantes estabili zadores

El aceite da a las grasas sus caracteriacutesticas lubricantes y el espesante las propiedades fiacutes icas tales como soportar altas temperaturas humedad aacuteCidos y otros tipos de contaminantes Se podriacutea deCir que una grasa es una especie de esponja saturada de aceite que a medida que trabaja dosificado sobre el mecanismo que estaacute lubricado En el cuadro 21 se resentildea ciertas caracteriacutesticas importantes de algunas grasas lubricantes Tambieacuten en la figura 12 se muestra el efecto de la temperatura sobre la frecuencia o Intervalos de lubricacioacuten factor importante que incide sobre los costos de manten imiento

75

CUADRO 20 Temperatura de operacioacuten de grasas lubricantes

Espesante Temperatura

Oc OF

150

Jaboacuten de sodio 120

Jaboacuten de calcio 65

250

Jaboacuten de litio 120 250

Jaboacuten complejo de aluminio 120 250

Jaboacuten complejo de calcio 135 275

Jaboacuten complejo de litio 150 300

Sinteacuteticas 205 400

Fuente (Terpel)

76

77

CUADRO 21 Propiedades de grasa lubricantes

Espisanti Textura Punto di Esta bili dad Rsi slincia Apli cacioacuten Condiciones goteo al trabaj o al agua de operacioacuten

ALU t-- lI NIO SUAVE (911f10) POBRE SU COSTO LIMITA SU Re sistencia al lavado ( 195 -2 30) BUENA USO Buena adhesividad

CO~ lPLE J O SUAVE 24 0-270 BUENA QUENA DF AL W-lI NIO ( 465-52 0)

CA LCI O SUAVE 99 -1 02 BUENA EXCF LENTE Cojinetes Agi tacioacuten y batid o no (2 10-2 16) sencillos critico re ist~ntis al

bombas agua laado J en chasis

IIIDIW E I [ SI I Vrshy 140- 1 IXCU 11 E luacuteTIL lE donde puede 1 DI C I ( 10 285-3 1)1) darse O C ()nt~c to eun N aliment l

COII II I() SI 1 T 2(J shy OU 1lt111 11 I l lll Nn Telllper31 ll lJ Se end ureL e IJI C Ilt ID FII3f()Si 1))lJ -57U a DJja

111 1() Sll VE 170-200 P() fllZ L l lliexcliexclA Rod~mientos

i3 11 1- lJll) coj rK h 11 shy

cillas l h~ i i

ho mhas agultl JlInt ~

uni eacuter ~k s

13 ltrmiddot IIX 1- 1 shy VE 17U-2 00 Il ULi middot l3lH N fl E llfl l) (3 ~1)- 39 1))

L-shy __

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

SItA VE

gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

POORE A

EXCELENTL

rOBRE A rXCEII 1 11

BUENA

fXCFLF1lT

()

l

SI IT1I C SI iAT gt2-19 (gt)80

I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 11: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

CUADRO 20 Temperatura de operacioacuten de grasas lubricantes

Espesante Temperatura

Oc OF

150

Jaboacuten de sodio 120

Jaboacuten de calcio 65

250

Jaboacuten de litio 120 250

Jaboacuten complejo de aluminio 120 250

Jaboacuten complejo de calcio 135 275

Jaboacuten complejo de litio 150 300

Sinteacuteticas 205 400

Fuente (Terpel)

76

77

CUADRO 21 Propiedades de grasa lubricantes

Espisanti Textura Punto di Esta bili dad Rsi slincia Apli cacioacuten Condiciones goteo al trabaj o al agua de operacioacuten

ALU t-- lI NIO SUAVE (911f10) POBRE SU COSTO LIMITA SU Re sistencia al lavado ( 195 -2 30) BUENA USO Buena adhesividad

CO~ lPLE J O SUAVE 24 0-270 BUENA QUENA DF AL W-lI NIO ( 465-52 0)

CA LCI O SUAVE 99 -1 02 BUENA EXCF LENTE Cojinetes Agi tacioacuten y batid o no (2 10-2 16) sencillos critico re ist~ntis al

bombas agua laado J en chasis

IIIDIW E I [ SI I Vrshy 140- 1 IXCU 11 E luacuteTIL lE donde puede 1 DI C I ( 10 285-3 1)1) darse O C ()nt~c to eun N aliment l

COII II I() SI 1 T 2(J shy OU 1lt111 11 I l lll Nn Telllper31 ll lJ Se end ureL e IJI C Ilt ID FII3f()Si 1))lJ -57U a DJja

111 1() Sll VE 170-200 P() fllZ L l lliexcliexclA Rod~mientos

i3 11 1- lJll) coj rK h 11 shy

cillas l h~ i i

ho mhas agultl JlInt ~

uni eacuter ~k s

13 ltrmiddot IIX 1- 1 shy VE 17U-2 00 Il ULi middot l3lH N fl E llfl l) (3 ~1)- 39 1))

L-shy __

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

SItA VE

gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

POORE A

EXCELENTL

rOBRE A rXCEII 1 11

BUENA

fXCFLF1lT

()

l

SI IT1I C SI iAT gt2-19 (gt)80

I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 12: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

77

CUADRO 21 Propiedades de grasa lubricantes

Espisanti Textura Punto di Esta bili dad Rsi slincia Apli cacioacuten Condiciones goteo al trabaj o al agua de operacioacuten

ALU t-- lI NIO SUAVE (911f10) POBRE SU COSTO LIMITA SU Re sistencia al lavado ( 195 -2 30) BUENA USO Buena adhesividad

CO~ lPLE J O SUAVE 24 0-270 BUENA QUENA DF AL W-lI NIO ( 465-52 0)

CA LCI O SUAVE 99 -1 02 BUENA EXCF LENTE Cojinetes Agi tacioacuten y batid o no (2 10-2 16) sencillos critico re ist~ntis al

bombas agua laado J en chasis

IIIDIW E I [ SI I Vrshy 140- 1 IXCU 11 E luacuteTIL lE donde puede 1 DI C I ( 10 285-3 1)1) darse O C ()nt~c to eun N aliment l

COII II I() SI 1 T 2(J shy OU 1lt111 11 I l lll Nn Telllper31 ll lJ Se end ureL e IJI C Ilt ID FII3f()Si 1))lJ -57U a DJja

111 1() Sll VE 170-200 P() fllZ L l lliexcliexclA Rod~mientos

i3 11 1- lJll) coj rK h 11 shy

cillas l h~ i i

ho mhas agultl JlInt ~

uni eacuter ~k s

13 ltrmiddot IIX 1- 1 shy VE 17U-2 00 Il ULi middot l3lH N fl E llfl l) (3 ~1)- 39 1))

L-shy __

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

SItA VE

gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

POORE A

EXCELENTL

rOBRE A rXCEII 1 11

BUENA

fXCFLF1lT

()

l

SI IT1I C SI iAT gt2-19 (gt)80

I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 13: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

(Continuacioacuten)

Espesant

J HIDROEX ET COMPLEJO

SODIO

Textura

SUA VE SUAVE SUAVE

FIBROSA

Punto de goteo

175-200 260-300 175-200 (30-390)

Estabilidad al trabajo al agua

EXCELENTE EXCELENTE EXCELENTE

Resistencia

BUENA BUENA MALA

Aplicacioacuten

Rodamintos en general mo o r~ s

Condiciones de operac ioacuten

Buena estabilidad mecaacutenica Soponan mayor

batiminto y agitacioacuten y vibracioacuten

BARIO SUAVE FIBROSA

200-260 ( 390-500)

BUEKA EXlTLE1lT Altas temperaturas Rcsis~ncia al lavado

1

O

J

n

II ORCiANI CA

ORCi-lI CA

SU VE

SItA VE

gt260 (gt500)

2middotW-260 P65-500)

POORE A

EXCELENTL

rOBRE A rXCEII 1 11

BUENA

fXCFLF1lT

()

l

SI IT1I C SI iAT gt2-19 (gt)80

I08RE EXCEL El lT

FXCFI[1TE Alt a tmpCrJturas

fuentc(T erpcl)

78

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 14: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

temperatura en el aro extenor del rodamiento

Intervalo ce relubricaciexclon

100

85

70

FIGURA 12 Relacioacuten entre temperatura y frecuencia de lubricacioacuten

Fuente (SKF 1985)

79

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 15: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

Las grasas son semisoacutelidas a temperatura ambiente ( o soacutelidas) pero dan lubricacioacuten fluida en los cojinetes Ellas son de dos clases algunas son aceites orgaacutenicos o minerales que son maacutes o menos soacutelidas a temperatura ambiente Como ejemplo tenemos sebo y jalea de petroacuteleo (vaselina) Grasas de este tipo son poco usadas la jalea de petroacuteleo es empleada a veces en maquinaria que procesa alimentos cuando los lubricantes normales pueden producir alguacuten problema en el sabor en lubricaciones de finos interruptores eleacutectricos de pintildeones El teacutermino grasa puede tambieacuten emplearse para algunos lubricantes que son realmente liacutequidos pero de muy alta viscosidad a temperaturas normales

El segundo tipo GRASAS DE JABONES son las grasas lubricantes de conocimiento normal en el mundo estaacuten definidas como una combinacioacuten semishysoacutelida de productos del petroacuteleo y un jaboacuten o mezcla de jabones conveniente para ciertos tipos de lubricacioacuten por la American Society of Testing Materials (ASTM) Pueden variar desde algunos estados liacutequidos a la consistencia de un jaboacuten duro de lavanderiacutea pero ellos son todos lubricantes fluidos que actuacutean por sangriacutea del aceite dentro del cojinete o por ablandamiento bajo el calor al trabajo del cojinete actuando en efecto como un aceite grueso la composicioacuten de las grasas en su mayoriacutea es de 65 a 90 de aceites minerales y el resto son jabones

Aditivos de EP u otros son usados en la misma forma que en los aceites lo mismo que fabricantes soacutelidos como grafito que son antildeadidos en casos especiales

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

Todas las grasas comunes se reblandecen muy considerablemente cuando trabajan y se endurecen lentamente en reposo Esta propiedad es usada en la praacutectica por que es una grasa apropiada para lubricar cojinetes La grasa se debe inyectar lentamente hacia los extremos La grasa endurecida forma un sello contra la entrada de polvo humedad Un anillo de proteccioacuten debe formarse alrededor de las cajas de rodamientos de bolas o rodillos

80

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 16: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

- GRASAS BASE SODIO Y CALCIO

Las grasas son normalmente clasificadas de acuerdo al tipo de jaboacuten usado Los tipos principales son

- Grasa base de cal (grasa de copa)

Los jabones de cal viva o calcio han sido los maacutes populares para la fabricacioacuten de grasas pero comienzan a entrar ~n desuso Son insolubles en agua asiacute que pueden usarse en condiciones muy huacutemedas e incluso sumergida La contextura es suave (como mantequilla) y el color variacutea de acuerdo al tipo de aceite usado Un cierto porcentaje de agua es normalmente incorporada en la grasa para obtener una mezcla suave de jaboacuten y aceite y si el agua se sale por efecto del calor el aceite y el jaboacuten se separan Por esta razoacuten tales grasas no pueden usarse continuamente a temperatura por encima de los 175degF Algunas grasas base cal son estabilizadas por medios quiacutemicos de alto punto de ebullicioacuten y pueden ser usadas a temperaturas hasta de 250degF

Sobre esta temperatura el aceite mineral en las grasas empieza a descomponerse Las grasa de cal con agua estaacuten ahora cayendo en desuso debido a la tendencia de aumentar las velocidades y temperaturas por encima de los liacutemites de seguridaacuted de estas grasas

Estas grasas son usadas para propoacutesitos generales tales como cojinetes planos en ejes y guiacuteas Siguiendo la regla de que la grasa debe contener el mismo grado del aceite que se usariacutea en un rodamiento si eacuteste fuera a lubricar con aceite los aceites usados en estas grasas van desde 200 a 500 SS U a 100degF Si la contaminacioacuten con agua es muy grande se deben usar aceites pesados

- Grasas base sodio

Nonnalmente se tiene una textura fibrosa pero pueden hacerlo de textura suave si se desea La textura fibrosa se refiere a las caracteriacutesticas naturales de la grasa y no se deriva a fibras de alguacuten material extrantildeo Estas grasas no son estabilizadas con agua y pueden usarse cerca a su punto de fusioacuten sin peligro sujeto al deterioro del aceite mineral constituyente El jaboacuten de sodio usado es soluble en agua

Estas grasas no podraacuten usarse donde esteacute presente el agua La grasa en emulsioacuten es un buen lubricante sin embargo debido a su alto poder adhesivo

81

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 17: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

este tipo de grasas es muy usado para lubricar rodamientos que rara vez se pueden lubricar tales como rodamientos de chasis automotores Auacuten cuando ocasionalmente pueden estar expuestos al agua Es comuacutenmente usada para lubricar rodamientos de rodillos y bolas La grasa para estos propoacutesitos son hechas con aceites livianos los cuales derraman afuera del jaboacuten Si la grasa se deja largo tiempo en servicio se encontrariacutea una pasta de jaboacuten seco en el rodamiento

~ Grasas base mezcla

Este teacutermino es usualmente aplicado a grasas con una base mezclada de sodio y cal Esas son menos fibrosas que las de sodio soacutelo y son especiales para lubricar rodamientos de bolas y rodillos Tienen un excelente rango de temperatura dando buena lubricacioacuten desde 40degF a 150degF o maacutes La proporcioacuten de jaboacuten de cal es normalmente muy baja asiacute que las caracteriacutesticas son sustancialmente las de una base sodio Todas las grasas descritas anteriomente comprenden la gran mayoriacutea de las usadas y fabricadas hoy en diacutea Dos grasas maacutes especiahzadas una de sodio y otra de cal que se encuentran algunas veces son

~ Grasas de ladrillo

Es una grasa a base de sodio por un proceso diferente al usado para las grasas normales de sodio y que presenta una forma igual a la de los jabones duros de lavanderla en su apariencia general Es usada para aplicaciones en trabajos pesados donde la lubricacioacuten por aceite se dificulta o es imposible tal como en ejes de ruedas de ferrocarril Normalmente una barra o ladrillo de grasa se coloca en contacto con el eje y ajustada a presioacuten asiacute que un suministro continuo de lubricante por fusioacuten y untura se da al cojinete

~ Grasas resinosas de cal

La principal y uacutenica virtud de estas grasas frecuentemente llamadas grasas para ejes es ser extremadamente baratas No son particularmente un buen lubricante y son usadas para trabajos pesados en rodamientos operando a bajas velocidades Es similar en apariencias y caracteriacutesHcas a la grasa de copas Los conjinetes donde se usa pueden desgastar fuertemente pero no son de cuidado debido a su tamantildeo Ahora es muy poco usada y no es recomendable para ninguacuten serviCIO

S2

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 18: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

- Grasas de bases especiales

Hay un nuacutemero de grasas especiales mezcladas con agentes diferentes a los convencionales de sodio y calcio introducidos en los uacuteltimos antildeos Algunas han sido desarrolladas en respuesta a la demanda de grasas de cualidades especiacuteficas para aplicaciones especiales diferentes de un intento de producir una grasa universal que sirva para cualquier tipo de rodamiento a cualquier temperatura normal de las conocidas

Los agentes espesadores empleados son usualmente jabones de una u otra clase pero algunos tipos tal como grasas de bentonita en las cuales el agente engrasador no tiene ninguna relacioacuten con los jabones han sido introducidas en el comercio y tienen una gran aceptacioacuten Las grasas especiales maacutes comunes son

- Grasa base litio

Son hechas con un conveniente aceite de petroacuteleo natural y aceite sinteacutetico Se pueden usar en rangos de temperatura desde 80degF a maacutes de 300degF Son suaves y de textura mantequillosa y no se endurecen ni se ablandan individualmente dentro de sus rangos de temperatura Son suavemente resistentes al agua pero pueden absorber pequentildeas cantidades de humedad frecuentemente beneacuteficas

La vida en servicio es usualmente larga comparable con la de una buena grasa base sodio Es buena para lubricacioacuten de rodamientos y se ofrece en la forma de una grasa mezclada de base litio-calcio como un lubricante universal Debido a sus buenas cualidades a bajas temperaturas las grasas litio-calcio son muy usadas para la lubricacioacutend e aeroplanos de alto vuelo

- Grasas base aluminio

Su apariencia es semejante a la jalea de petroacuteleo su textura es suave y fibrosa Es muy adhesiva a los metales y se emplea en chasis de automoacuteviles y sobre exceacutentricas cadenas y superficiales oscilantes en las cuales otras grasas no se sostienen No deja escapar el aceite y por tanto no es recomendable para rodamientos Es razonablemente resistente al agua y en sus cJracteriacutesticas generales se asemeja a una grasa copa base calcio Si se usa a temperatura sobre los 175degF tiende a formar una masa cauchosa la cual no se adhiere bien a la superficie metaacutelica produciendo fallas por lubricacioacuten

83

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 19: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

- Grasas base bario

Su apariencia y caracteriacutesticas son semejantes a las grasas de sodio o base mezcla de sodio-calcio excepto que no tiene un punto de goteo normal permanecen semisoacutelidas hasta que falan debido a la descomposicioacuten del aceite por las altas temperaturas u oxidacioacuten son muy adhesivas y los metales tienen buena resistencia al agua y pueden ser usadas con aceites naturales de petroacuteleo como constitutivos hasta 350degF de temperatura Son buenas para lubricar rodamientos y se ofrecen como grasas de muacuteltiples usos

- Grasa base estroncio

Es sim ilar a una grasa bario pero no son hechas para tener una inherente resistencia mucho mejor a las temperaturas La maacutexima temperatura de servicio es de 400degF No son grasas comerciales

- Grasas base no jabones

Estas grasas estaacuten en experimentacioacuten El carboacuten negro es usado como agente engrosador especialmente en grasas sinteacuteticas las temperaturas caracteriacutesticas son esencialmente las del fluido lubricante con el cual se mezcla y su principal propiedad es que no son afectadas por la temperatura Son especialmente para la lubricacioacuten de grasas sinteacuteticas de baja temperatura

- Gel del siacutelice

Es una suspensioacuten coloidal no abrasiva formada de siacutelice es poco usada Sus caracteriacutesticas generales son buenas y puede llegar a ser una buena lla~e para la fabricacioacuten de una grasa universal su extrema habilidad para descomponerse en presencia de humedad puede corregirse

- Grasas de bentonita cobre talclanoacutegeno (Phthalocy-anine)

El talo-nitrilo (Phthalonityle uacutenico en un aacutetomo de cobre forma el taloclanoacutegeno que es un importante grupo de materias colorantes azulverde muy resistente al sol y a los agentes quiacutemicos Tienen las temperaturas caracteristicas delos fluidos lubricantes usados Se han desarrollado como grasas universales pero son mucho maacutes caros que cualquier grasa con base de Jaboacuten

ilt1

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 20: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

- Aceites residuales

De muy altas viscosidades mezclados con sustancias adhesivas tales como alquitraacuten Son usados para lubricar pintildeones descubiertos y maacutequinas expuestas a severas condiciones de humedad o lavado por agua especialmente en maacutequinas de barcos Se clasificaban como grasas

~63 Liacutequidos o fluidos

Un amplio rango de materiales desde el oxiacutegeno liacutequido pasando por el agua hasta el vidrio fundido se han usado sucesivamente en distintas eacutepocas como luricantes Para propoacutesitos praacutecticos los lubricantes fluidos se pueden dividir en 1aceites y grasas

(LOS aceites liacutequidos son caracterizados por complejas moleacuteculas de ridrorcarburos de vairadas composiciones quiacutemicas Se dividen en orgaacutenicos o rjos y minerales

Los lubricantes liacutequidos se utilizan cuando el sistema de aplicacioacuten lo permite y cuando ellos pueden cumplir con los requerimientos necesarios Los aceites minerales son los lubricantes liacutequidos maacutes comunes y utilizados debido a que con el uso de los aditivos se les ha podido conferir propiedades especiaJes y ventajosas Estos lubricantes ademaacutes de dar una proteccioacuten a las superficies tambieacuten presentan la ventaja de refirigerar ya que su circulacioacuten lo permite

- Se de be emplear lubricacioacuten con aceite cuando la velocidad o la temperatura de funcionamiento hace imposible el empleo de la grasa o cuando hay que evacuar calor y por supuesto cuando los rodamientos estaacuten montados en un conjunto

lubricado con aceite por ejemplo una caja de engranajes

4964 Gaseosos

En ciertas aplica~9n~~_s~ _utilizeacutel f2 gases a QreSloacuteQ que circulan entre las car-ordfgleristicas-entrR las superfi ies Esta forma dBLubrfBar-1m~senta-maacute~- venta]as que-+as anteriores--por lograrse -coeficientes de friccioacuten muy bajos Si~ ~mbargo no se __u1Uiza -demasiadopor teneLcoslm~ demplelI1entacioacuten muy altos middoty~ele--se justifiG3-enmiddotapUGacooes muy especiales Este lubricante se utiliza princlpeacutellmente en cojinetes hidrostaacuteticos de enpuje

85

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 21: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

~ Funcioacuten de los lubricantes

En el cuadro 22 se sentildealan las principales funciones que debe cumplir un lubricante para cualquier aplicacioacuten en general

111 Que se lubrica

En general se podriacutea decir todo lo que rota o se desliza (Figura 13) Pero por complicada o sofi sticada que sea una maacutequina o equipo uacutenicamente necesitaraacuten lubricarse los siguientes elementos

Cojinetes de varios tipos tales como cojinetes sencillos (planos) rodamientos guiacuteas levas correderas etc

Engranajes rectos helicoidales hlpoides de sin fin etc que pueden estar descubiertos o encerrados en cajas hermeacuteticas

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cilindros como los que se encuentran en compresores toda clase de motores de embolo bomas etc

Cadenas acoples flexibles y cables

86

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 22: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

CUADRO 22 Funcioacuten que cumplen los lubricantes

TIPO DE POSIBLE EFECTO FUNCION DEL PROBLEMA NOCIVO LUBRICANTE

Friccioacuten

Desgaste

Calor

Oxidacioacuten y herrumbre

Contaminacioacuten

Tensioacuten Eleacutectrica

Transmisioacuten de potencia (en sistemas hidraacuteulicos)

GolPes

Juego

-Generacioacuten de calor - Desgaste - perdida de potencia - RUidos y vibraciones

- Juego - Ruidos vibraciones - Limaduras

- OXidacioacuten del aceite - Recalentamiento del equipo

- Deterioro del ace ite

- Deterioro de las paredes metaacutelicas

Depoacutesitos -Desgaste abrasivo - Taponamientos - Deterioro del aceite

- Corto circuito - Perdida de potencia - Oxidacioacuten del aceite

- Respuesta lenta del sistema

- Deformacioacuten o romp imien to de las pieza s

- Paso de aceite

Controlar fnccioacuten

- Controlar desgastll

- Controlar oxidacioacuten y herrumbre

- Mantener los contaminantes d ispersos

- Servir de aislante eleacutectrico

- Ser incomprensible para poder transmitir potencia

- amortiguar golpes

- Servir de sello lubricante

87

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 23: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

COJINETES USOS

ENGRANAJE S HElI COIDALES

CABLES

TORNILLO SIN FIN CORONA

CADENAS

RODAMIENTOS

CILINDROS

~ -shy10lllaA

o SISTEMA

FLUIDO HIDRAUlICO ~~===iexcljIa AL lA ~ F ~EIIOH 11+

1~l====-J DEPOSITO DE

ACE I T E FLUIDO A BAJA PRlIOH

FIGURA 13 Elementos o piezas que se lubrican

SR

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 24: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

2 FRICCION y DESGASTE

Es necesario lubricar los cojinetes los engranajes y los pistones para eVitar el excesivo desgaste y el sobrecalentamiento une produce friccioacuten metaacutelica y paralelamente reducir los gastos por reparaciones los paros innecesarios y aLImentar la produccioacuten Asiacute mismo la accioacuten de corte entre las peliacuteculas de lubricante o friccioacuten fluida requiere un miacutenimo de fuerza lo que permite un considerable ahorro de energiacutea

En conclusioacuten uno de los efectos de la friccioacuten es el desgaste que corta la vida uacutetil de todos los elementos en el que se produce

21 Friccioacuten

Es la resistencia o fuerza que se opone al movimiento de dos superficies en contacto que se deslizan o mueven una sobre otra

211 Friacuteccioacuten seca

Es la resistencia al movimiento que se presenta cuando un objeto soacutelido seco es movido tangencialmente con respecto a la superficie de otro al cual toca o cuando se intenta hacer tal movimiento la friccioacuten seca se puede presentar por deslizamiento o por rodadura siendo esta uacuteltima menor que la primera Auacuten la superficie que parece muy intensa y pulida cuando se miacuteran a traveacutes de un microscoacutepico se nota que estaacute formada de pequentildeiacutesimos picos y grietas que interfieren entre si cuando se deslizan una sobre otra ofreciendo una gran resistencia al movimiento y ocasionando un considerable desgaste

2111 Variables que condicionan la friCCioacuten seca

El material Cada material posee un coeficiente de friccioacuten propia paraacutemetro que indica la resistencia natural que opone el material al deslizamiento superficial (cuadro 23 24 Y 25) La forma del material tambieacuten puede incidir en la friccioacuten Un cuerpo ciliacutendrico o esfeacuterico presenta un menor coeficiente de friccioacuten soacutelida que una superficie plana cuando se desplaza con respecto a una superficie plana Ver figura 14

Rugosidad superficial Las operaciones de acabado superficial de un producto determinan el tamantildeo de las irregularidades microscoacutepicas de

89

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 25: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

sus superficie cuando mas fino sea es te acabado la friccioacuten que se presenta en operacioacuten va a ser menor

CUADRO 23 Coeficiente de friccioacuten estaacutetico y por deslizamientos de varios materiales

Material Coe fic iente de fneelol solida flui da

Estatieo de sllza - Estaacutetico desliza-Illiento miento

Acero duro sobre acero duro 078 O 11 (a) 042 0029 (h) 023 (b) 0081 (e) 0 15 (e l 0 080 (i) U 11 (d i 0 058 (J)

0 0075 (PI 0 084 (d) 000 lt (11 ) 0105 (k )

Acero duacutectil sobre acero duacutectil 0 74 057 009 (a)

Acero duro sobre grafito 0 21 O 09 (o Acero duro sobre babbit (ASTM 1) 070 033 0 23 (b)

0 16 (b) 015 (e) 006 (el

ooe (d) 0 11 (d) Acero duro sobre babbttl (ASTM 8) 044 2 O 35 0 17 (b)

01 4 (b) 0 1 1 (e) 0 0665 (e) 0 08 (d) 0 07 di

Acero duro sobre babbilt (ASTM 10) O 08 (e) 008 (h) 025 (b) 013 (b) O 12 (e) 0 06 (e) 0 10 (d) 0055 (d) 0 11 (e)

Acero duacutectil sobre cadmio-plata O 097 (f) Acero duacutectil sobre bronce fosforoso 034 0 173 (f) Acero duacutectil sobre cobre-p lomo 0145 (f) Acero duacutectil sobre hierro colado 023 O 183 (e) 0 133( f)

cero duacutectil sobre plomo 0 95 095 0 50 (f) 03 (1)

Niacutequel sobre acero ductil 0 64 0 178 (x)

Aluminio sobre acero duacutectil 061 047 Magnesio sobre acero duacutectil 04 2 Magnesio sobre magnesio 060 008

Tenoacuten sobre lenoacuten 0 04 1 04 (f)

Tenoacuten sobre acero duacutectil 0 04 ( 04 (1)

Carburo de tungsteno sobre carburo de tungsteno 020 O 12 (J)

Carburo de tungsteno sobre acero 050 080 (0 ) Carburo de tun gsteno sobre cobre 035

Fuente (Albarracin 1993)

(JO

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 26: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

CONTINUACIOacuteN COEFICIENTE DE FRICC iOacuteN

Latoacuten sobre acero duacutectil 051 OA4 Latoacuten sobre hierro colado 030 Zinc sobre hierro colado 085 021 Magnesio sobre hierro colado 025 Cobre sobre hierro colado 105 029 Estantildeo sobre hierro colado 032 Plomo sobre hierro colado OA3 Alumin io sobre aluminio 105 1A O Vidrio sobre vidrio O 94 OAO

Carboacuten sobre vidrio 018 Vidrio sobre niacutequel 078 056 Cobre sobre vidrio 068 053 Hierro colado sobre hierro colado 110

0070 (d) Bronce sobre hierro colado

022 Plaacutestico laminado sobre acero 035 Nota a aacutecido oleico b aceite mineral de baja viscosidad c aceite de castor d aceite de manteca de cerdo e aceite mineral de baja viscos idad

+2 de aacutecido oleico f aceite mineral de viscosidad media g aceite mineral de viscosidad media

+ 05 de aacutecido oleico h aacutecido esteaacutenico 1 grasa (oacutexido de zinc)

r grafito k aceite turbina grafito

aceite turbina +1 de aacutecido esteaacuterico

00 1 (p) 009 (a) 0005 (q) 0116(v)

115

0064 (n) 0077 (n) 005 (t)

m ace ite turbina n aceite de oliva p aacutecido palmiacutetico q aacuteCIdo ricinoleico r Jaboacuten seco s manteca de cerdo tagua u ace ite de colza v aceite 3 en 1 w octyl alcohol x triolein y de aacutecido laacuteurico en aceite parafiacutenico

Fuente (A lbarraciacuten 1993)

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 27: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

Cuadro 24 Coeficiente de friccioacuten de algunos lubricantes de pelicula soacutelida

Lubricante Coeficiente de friccioacuten F

Grafito 0030 Bisulfuro de molibdeno (MOS2 ) 002 - 000 Bisulfuro de tungsteno (WS2 ) 0032 Sulfato de plata 0055 Talco O 169 Mica 057

Fuente ( Albarraciacuten 1993)

Cuadro 25 Coeficientes de fricc ioacuten fl uida de difere ntes tipos de grasas y del aceite base en ensayos efectuad os a 3SoC

Tipo aceite Coeficien te de friccioacuten fluida o

Jaboacuten F

Aceite base

Calcio

Complejo de calcio

Sodio Litio

0040

0022

0034

0012 0008

lt

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 28: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

F

WtN

F l w

FIGURA 14 Las formas de los elementos tienen efectos sobre las magnitudes de los coeficientes de friccioacuten

93

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 29: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

Velocidad relativa A medida que aumenta el coeficiente de fricc ioacuten tiende a disminUir

Temperatura Si se genera una al ta temperatura durante el trabaJo disminuye el efecto de la friccioacuten a costa de un cambio del material por ablandamiento

Los componentes eleacutectricos Puede crearse un potencial eleacutectrico ponerse en contacto dos materia les diferentes lo cual ocas ionan un aumento de las fuerzas de fnccioacuten Sin embargo esta variable tiene muy poca influencia respecto a las otras

Condiciones ambientales Pueden hacer vanar el estado de las superfiCies en contacto tanto en su geometriacutea como en la composIcioacuten y

la temperatura

212 Frrccioacuten fluida

Es la resistencIa al movimiento que ofrece un f luido Interpuesto entre dos superficies con mOVimiento relativo debido al rozam iento entre sus capas moleculares Cuando las superfiCies del deslizamiento seco estaacuten separadas por una moleacutecula lubricante los picos y crestas se tocan entre SI y se evi ta en gran parte la friccioacuten y el desgaste Sin embargo siempre eXiste cierta friccioacuten ocasionada por la resistencia del mismo fluido a ser Ciza llado (ver fi gura 15)

21 21 Variables que participan en la fflccioacuten f luida

Viscosidad

Mientras mayor sea la Viscosidad mayor es la resistencia que ofrece el li qUido al movimiento la friCCioacuten entre las capas produce calor en el lubri cante

La friccioacuten entre las capas produce calor en el lubricante

Velocidad

La velocidad determina la rapidez con la que las capas de fluido se rozan entre S I

A mayor velocidad el desl izamiento y ca lentamiento aumentan

1 +

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 30: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

AcIitI ni inico tl bullbull~--shy

O aditire d EP----------------~~

+ iexclr e Tempemu bullbull tuncionlnulftto

FIGURA 15 Coeficiente de friccioacuten para algunas sustancias

95

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 31: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

Carga

La carga entre dos superficies separadas por una peliacutecula lubricante reduce el espesor de esta pero aumenta la cohesioacuten entre sus capas y el calor generado

22 Peacuterdidas de potencia y el coeficiente de friccioacuten

La potencia consumida por friccioacuten en un cOjinete y disipada en calor es igual al trabajo hecho por unidad de tiempo contra la resi stencia fr iCCiona

De modo que la peacuterdida de potencia en un cOjinete de muntildeoacuten estaacute dada por

H VT = 211 N T ( 1 )

Siendo T = Torque de friccioacuten en la parte moacutevil W = Velocidad angular N = Revolucionesunidad de tiempo

Es importante recordar que

1 Por lo general el torque de friccioacuten entre eje y cojinete no son iguales a menos que el eje sea conceacutentrico en el cojinete

2 El torque aplicado es igual al torque de friccioacuten cuando no existe aceleracioacuten

Si expresamos en la ecuacioacuten (1) T =en kilograacutemetros N = en revoluciones por segunrlo H = estaraacute dada en kilograacutemetros por segundo y se obtendraacute la potencia de friccioacuten en HP dividiendo por 75

En movimientos de traslacioacuten la relacioacuten de la fuerza de friccioacuten a la carga normal a la superficie se llama el coeficiente de friccioacuten En problemas de rotacioacuten el coeficiente se define como la relacioacuten de la friCCioacuten equivalente (F) a la carga total (W) oacute F = Fw

Esta friccioacuten equivalente se define a su vez como la relacioacuten del torque de friccioacuten al rad io o F =2 (TD) donde O = es el diaacutemetro

96

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 32: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

Combinando las dos ecuaciones tenemos por definlclon

T (2) iexcl -2 ( [) )

Eliminando (T) entre las ecuaciones (6) y (7) obtenemos para la peacuterdida de potencial (H) en teacuterminos de F

II F W j[ D N - lmiddot ~ 1 ( 3)

Donde u = ve locidad perifeacuterica

Las ecuaciones (1) (2) Y (3) son generales y no es taacuten basadas en ninguacuten supuesto respecto al estado de lubricacion del cojine te En realidad ellas son aplicables a todo tipo de cojinete siempre y cuando el diaacutemetro (O) esteacute correctamente calcu lado

En el caso particular de un cOjinete ciliacutendrico con muy poca carga que satisfaga la ecuacioacuten de PETROFF podemos sustituir de la ecuacion

T = 1t2 (~)(~)-l N Dl en la (1) para obtener una relaclon que vincule la peacuterdida

de potenc ia con la viscosidad

(4)

Es de especial intereacutes en 31as aplicaci ones de lubricaci6n cornparar las diterentes expresiones encontradas para el caacutelculo de l coeficiente de fflccioacuten Sustituyendo

de la ecuacioacuten S21t X DL = n X 2 DP en la (2) y expresando por (P) la carga por unidad de superficie proyectada WL O obtenemos para el coeficiente

I - )_1t ~ 1( -D ) -U0shy (5)e [)

Lo que puede considerarse como una alte rn at iva de la ecuaclon de PETROFF

97

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 33: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

23 Desgaste

Es la perdida de material sufrida por las superficies en contacto de cualquier mecanismo en el desarrollo de su trabajo

231 Desgaste adhesivo

Este tipo de desgaste se presenta cuando la peliacutecula lubricante nQes del espesor suficiente permitiendo que los puntos mas altos de las superficies choquen Las partlculas desprendidas pueden permanecer soldadas al otro elemento o libres entre dos superficies ocasionando desgaste abrasivo

Este desgaste es maacuteximo cuando los metales de las dos superficies son iguales y miacutenimo cuando la pieza frota con una superficie no metaacutelica

El periacuteodo de rodaje (asentamiento) de una maacuteqUina se hace por medio de un desgaste adhesivo controlado por lo cual se llevan las superficies a las dimensiones y acabados deseados Por este motivo se hacen cambios de lubricantes en cortos tiempos de func ionamiento cuando las maacutequinas estaacuten nuevas evitando que las partiacuteculas desprendidas den una accioacuten abraSiva

232 Desgaste abrasivo

Se presenta cuando hay partiacuteculas interpuestas entre las dos superficies producidas por un desgaste adhesivo o porque han sido llevadas por el aire del mismo fluido Estas partiacuteculas se encargan de desprender nuevas partiacuteculas de las superficies metaacutelicas a medida que desliza una sobre la otra Este tipo de desgaste es muy frecuente cuando las condiciones ambientales son desfavorables como ocurre en las faacutebricas de cemento donde el nledio es polvoriento para contrarrestar este desgaste es conveniente tener un fino

acabado y elegir metales con una dureza superficial elevada obtenida por tratamiento teacutermico como la cementacioacuten nitruracioacuten temple etc tambieacuten se puede emplear revestimientos superficiales de gran adherencia aprovechando la formacioacuten de carburos complejos de tungsteno vanadio cromo etc en las capa superficial

l))

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 34: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

1233 Desgaste por corrosioacuten

Este desgaste se produce-por -la- reaccioacuten -quiacuteniiacuteca de- elementos nocivQs con la superficie m etaacutelica Los productos de esta reaccioacuten se desprenden faacutecilmente debido al frotamiento de las superficies en contacto dejando expuesto material que puede ser nuevamente atacado

Algunos de los agentes directos o indirectos para la formacioacuten de corrosivos son el aire el oxigeno el agua los acidos orgaacutenicos formados por alteraciones de los aceites los ambientes aacutecidos los humos industriales el azufre de los combustibles de motores diesel los estilos de plomo en los motores de gasolina etc VI ar este desgaste se -uSaiexcll -pIQductos__quimicQs~-(_acjjlivos+-qJe teogan -PLORiedades-antiGQr-f)5-~voS

24 REGIMENES DE LUBRICACION

~ Las -Condiciones de lubricacioacuten seraacuten oacuteptimas cuando una peliacutecula de lubricante que se encuentre intermedia entre dos su perficies en movimiento sea suficientemente gruesa para impedir cualquier contacto metal Lo anterior permite definir la lubricacioacuten comQ ~I proceso -de formacioacuten y -man-te-ruumlmLeA-t-Q de una peliacutecula estable de lubricante entre dos superflcies con mOVimiento relativo

El espesor necesario de peliacutecula depende de la rugosidad superfiCial la existencia de partiacuteculas de suciedad y la duracioacuten requerida Tambieacuten depende de la viscosidad del medio y de las condiciones de funcionamiento particularmente de la temperatura ve locidad de rotacioacuten y en cierta forma de la carga ] En las fig uras 16 y 17 ilustran fusionan las fases de formacioacuten de una peliacutecula de aceite o curIa de aceite

f Se pueden dist~nguir tres situaciones o regiacutemenes diferentes de formacioacuten y comportamiento de las peliacuteculas lubricantes

~

24 1 Lubricacioacuten por capa limite

Se obtiene lubricacioacuten por capa liacutemite C1LeacutelOdo -el- --esp-esor de la peliacutecula de lubricante es de una magnitud similar a las moleacuteculas individuales de aceite Esta condicioacuten- se presenta cuando la cantidad de lubricante esiQsuficlente o er movimiento relativo entre las dos superfLcies es demasiado leilto E_~~ifie r) te

de rozamiento fl en este caso es alto tan alto como -1 y sobre el incipiente contacto metaacutelico puede alcanzar 0_5 Cuando el coeficiente aumenta (esto es la resistencia aumenta) las perdida por rozamiento tambieacuten aumentan Estas se

99

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 35: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

cnlro do mancal

Folga

(entro I da re

prenaacuteo

Em epauso

lcontato de

meUlI cont metal)

aacutervore

Arranque

(alrilo semilluidol

Alornent~

de oleo do manca l

111

Centro do manLal

Ran hura de Atrit o seco IUbilicacao

FIGURA 16 Fases de formacioacuten de lubricacioacuten

peliacutecula de aceite o cuntildea

~UNOH EN REPOSO

SALIDA DE ACEITEENTRADA

DEACIIT~ J

EN TRADA oE Uacute E ifr

ENTRADA DE ACEITE

EL MuiioN FLOTA ENrOA

DE AC-I T E

SALIDA DE

~~AIs--=IT[

CUNA

( b )

SALIDA DE ACEITE

NUNtildeON EN SU POIeIOfiexcl MOR NA

~~f(if _SALIDA DE riexcl ~ ACEITE

DE AC[ITE

de

FIGURA 17 Diferentes posiciones de un muntildeoacuten dede el reposo hasta alcanzar la velocidad de operacioacuten

Fuente (Albarraciacuten 1993)

100

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 36: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

--

convierten en calor aumentando la temperatura del lubricante y reducieacutendose se viscosidad de forma que la capacidad de carga de la peliacutecula se reduce En casos criacuteticos cuando existen grandes presiones y alta friccioacuten debido al contacto inevitable de las superficies se hace necesario el uso de aditivos extremas presioacuten (EP) estos aditivos forman una capa a altas temperaturas por medio de reacciones entre los compuestos activos de ellos y los metales de los cuerpos Esta peliacutecula previene el desgaste de los materiales bases y tienen su aplicacioacuten tiacutepica en los engranajes hipoidales

Para el proceso de fo rmacioacuten de pellcula cuando existe contacto metal con metal es muy importante la presencia deacute aditivos antidesgaste en el lubricante para mantener la pellcula formada son importantes especialmente en climas friacuteos y durante el periacuteodo de arranque las buenas condiciones de flujo del lubricante o sea un bajo punto de fluidez

En engranajes altamente cargados especialmente aquellos que operan a baja velocidad la peliacutecula lubricante es muy delgada y hay un significativo contacto metal - metal entre los dientes del engranaje daacutendose la condicioacuten de lubricacioacuten de pellcula limite La eficiencia de la lubricacioacuten de depende de La naturaleza quiacutemica del lubricante y su interaccioacuten con la superficie

Estas peliacuteculas delgadas pueden estar formadas por aceites grasas o alguacuten lubricante soacutelido como el grafito o bisulfuro de molibdeno En las figuras 18 y 19 se esquematizan el modelo de lubricacioacuten por capa limite

242 Lubricacioacuten de peliacutecula llena

2421Lubricacioacuten Hidrostaacutetica

Este tipo de lubricacioacuten se presenta cuando por medio de una fuente extema suministramos un fluido liacutequido o gaseoso a_ presioacuten con el fin_ de separar superficies que esteacuten en contacto

El fluido inyectado permite la formacioacuten de tma pelhula que resiste grasas altas y reduce el coeficiente de friccioacuten Este meacutetodo es aplicado en cojinetes de deslizamiento cuando el equipo esta parado y las cargas son muy grandes con el fin de evitar el rozamiento inicial de las superficies del muntildeoacuten y el cojinete

101

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 37: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

FIGURA 18 Lubricacioacuten de capa limite (existe contacto total entre metal y metal criacutetica por excesivo desgaste de la pieza Se presenta en el instante inicial del movimiento

Fuente (Texaco 1993)

FIGURA 19 Lubricacioacuten de capa liacutemite

Fuente (SFF1 985)

IO~

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 38: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

2422 Lubricacioacuten Hidrodinaacutemica

24221 Teoriacutea hidrodinaacutemica de lubricacioacuten

Cuando la peliacutecula del lubricante no es de espesor uniforme habraacute una premiddotsioacuten positiva-de l Huido generada en la partmiddote convergeRte de- la peliacutecula tal como fue sentildealada por Reynolds Esta presilt)n soporta la carga mantiene la flotacioacuten deJ muntildeoacuten u otra superficie en Illovimiento y bajo condiciones favorables ha de evitar totalmente- el contacto metaacutelicy

bull ~me C

El coeficiente de friccioacuten de un cojinete plenamente lubricado (pleno) estaacute expresado por la ley de Petroff

1 2 (D1( I-lN eIT e ) _p-) (1 )

Para las peliacuteculas de espesor uniforme

Ademaacutes el coeficiente de friccioacuten se define por la relacioacuten FW

Siendo F = la fuerza equivalente tangencial de frotamiento W =la carga total

Quedando F definido como la relacioacuten entre el torque de friccioacuten y el radio del eje

En la ecuacioacuten (1)

l =viscosidad N =revolucionestiempo P =cargaunidad de superficie proyectada o sea WLD L = longitud del cojinete D = diaacutemetro del cojinete C =holgura o luz o diferencia entre los diaacutemetros del muntildeoacuten del eje y el

cojinete l~

103

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 39: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

bull Fenoacutemeno mecaacutenico en la peliacutecula

Consideremos ahora la situacioacuten de un cojinete de muntildeoacuten pleno como el indicado en la figura 20 El cojinete es estacionario y el muntildeoacuten gira en sentido dextroacutegiro con una velocidad superficial (U) La carga total en el muntildeoacuten es (W) El radio del muntildeoacuten es 02 = R Y la luz radial C2 (C)

Se admite el lubricante en un punto dela zona sin carga del cojinete y eacuteste circula al reacutegimen de Q unidades de volumen por unidad de tiempo Supondremos por el momento que el eje gira a velocidad constante que las superficies son perfectamente lisas riacutegidas y ciliacutendricas que la viscosidad del lubricante (~t) es uniforme a traveacutes de la peliacutecula y que puden despreciarse todas las fuerzas que actuacutean en el eje debidas a la presioacuten de alimentacioacuten o a la inercia del lubricante

Llama la atencioacuten el hecho de que el desplazamiento del eje (Figura 20) es hacia la izquierda en la direccioacuten del movimiento En un cojinete seco el muntildeoacuten iriacutea naturalmente hacia la derecha montado hacia arriba en sentido contrario al movimiento como indica la Figura 20 hasta que alcance un punto de reposo determinado por el aacutengulo (A) con la vertical donde la friccioacuten en el eje estariacutea equilibrada por la componente tangencial de la carga La friccioacuten (F) es igual a (FoN) donde

F o = es el coefic iente de friccioacuten por resbalameinto para las superficies en cuestioacuten

N = es la componente normal de la carga

El equilibrio ocurre cuando

w senA = Fa WcosA o TangA = Fa

El coeficiente FW puede escribirse F =Fa CosA y el despalazamiento es en la direccioacuten opuesta al movimiento del eje Esta explicacioacuten es mucho maacutes simple que el anaacutelisis para el cojinete lubricado tanto que una regla conveniente para determinar la direccioacuten del desplazamiento del muntildeoacuten lubricado es representarse de un cojinete seco y recordar que es al reveacutes de eacuteste

El comportamiento anoacutemalo del pmon lubricado se debe a la distribucioacuten de la presioacuten generada llamemos en la figura 20 O al centro del cojinete y O al centro del muntildeoacuten El muntildeoacuten se desplaza de O a O en la distancia (e) conocida como excentricidad por efecto de la carga (W) Si (H) es el espesor de la peliacutecula en un

104

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 40: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

punto cualquiera y (Ha) es el espesor de la pelicula en el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten positiva del lubricante se desarrolla en torno a la mitad convergente de la peliacutecula alcanzando un maacuteximo en un sitio entre la linea de accioacuten de la carga y el punto de maacuteximo acercamiento Una presioacuten negativa uacutetil para la succioacuten del lubricante se representa en la otra mitad de la peliacutecula

La resultante de todas las fricciones fluidas que actuacutean en la superficie del eje equilibran la carga (W)

Para mostrar que esta exigencia solamente podraacute ser cumplida cuando el eje se desplaza hacia la izquierda en la Figura 21 imagineacutemoslo momentaacuteneamente en alguna otra posicioacuten digamos con el punto de maacuteximo acercamiento verticalmente debajo del centro del coj inete Si es cierta la proposicioacuten de REYNOLDS de que una presioacuten positiva soacutelo podraacute mantenerse en la parte convergente de la peliacutecula se deduce que el exceso de presioacuten a la derecha empujaraacute el eje hacia la izquierda hasta que las fue rzas esteacuten nuevamente en equilibrio

Se traza una liacutenea horizontal a traveacutes del centro del cojinete en la Figura 21 Y eliminamos la mitad superiacuteor del cojinete no se produciraacute en general una gran peacuterdida en la capacidad de carga de la peliacutecula ya que las presiones positivas del fluido estaacuten localizadas fundamentalmente en el cuadrante inferior En cambio se obtendraacute una reduccioacuten considerable en la friccioacuten ya que la superficie del muntildeoacuten expuesta a la accioacuten de tensiones de corte se reduce a la mitad no significando esto que se reduzca a la mitad ya que la porcioacuten de peliacutecula eliminada es menos delgada que la que queda Es evidente por lo tanto que un cojinete medio seraacute maacutes eficiente que un cojinete pleno cuando es fij a la liacutenea de accioacuten de la carga En la praacutectica son comunes los cojinetes parciales con arcos de 1200 o menores

Este tipo de lubricante se obtiene cuando las do superfivie~ estaacuten completamente separadas por una peliacutecula coherente de lubricante (figuras 22 23 24 y 25) El espesor de la peliacutecula excede el de las irregularidades combinadas de las superficies Se basa en la formacioacuten de una peliacutecula en forma de cuntildea que mantiene una distribucioacuten de presiones tal que equilibra la carga aplicada entre los dos elementos Las condiciones para establecer una peliacutecula lubricante en forma de cuntildea son

Debe existir juego entre las dos superficies desl izantes que sea superior al tamantildeo de las rugosidades

Debe presentarse un movimiento relativo entre las dos superficies A mayor velocidad relativa mas faacutecilmente se formaraacute la peliacutecula

105

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 41: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

ja

Ho

w w

FIGURA o FIGURA b FIGU R A c

FIGURA 20 Seccioacuten transversal de un cojinete lubricado

I

Ho

I

lt1shy

-

w

- rshy _ _ P resioacute n

ne g o t i vo

~ ~_~ LIneo presi o n

p o slll vo

1 Centro chum o cero

2 Centro del cojinete

FIGURA 21 Lubricacioacuten perfecta de un cojinete soportado por una chumacera

Fo N

106

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 42: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

FIGURA 22 Lubricacioacuten fluida (superficies totalmente separadas no se presenta

desgaste de las piezas)

Fuente (Texaco 1993)

107

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 43: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

FIGURA 23 Formacioacuten de peliacutecula lubricante gruesa

Fuente (SKF 1985)

~lVU DE ACEITE

I I

-

ARG A

~ ~ - bull ~ ~~t

SUPE~fl0( o COJINElE

ESTACIONAlUQ

SUPERfl(lf ____ C1IiA TOIZIA

o EJE

FIGURA 24 Lubricacioacuten hidrodinaacutemica en un rodamiento

Fuente (Mobil)

IU8

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 44: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

CA RGA

DESLIZAMIEN TO gt

t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t t PR ESION HIDRODINAM ICA

SUP E R FICIE P LA N A ES T ACION ARIA

FIGURA 25 Carga deslizante soportada por una peliacutecula lubricante en forma de

cuntildea

Fuente (Esso 1994)

I )9

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 45: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

Las superficies deben tener una Inclinacioacuten entre SI o una curvatura diferente pero no ser paralela

La viscosidad facilitaraacute su formac ioacuten y mientras mayor se esta mas raacutepidamente se formaraacute la cuntildea

Debe suministrar una alimentacioacuten de lubricante continua y abundante

En la fig ura 26 se ilustra las condiciones bajo las cua les se presenta la lubricaCioacuten de cada limite y la hidrodinaacutemica (curva de stribeck)

Engranajes cargados muy lentamente operando a velocidades relativamente altas son lubricados eficazmente baJo las condiciones de lubricacioacuten hidrodinaacutemica Cuando el engranaje rota el lubrican te se adhiere a las superficies de los dientes y es arrastrado a la zona entre los dientes para formar una cuna de lubricante cuando el lubricante es forzado en la parte maacutes estrecha de la cuntildea la presioacuten se incrementa lo suficiente para mantener la superficie del diente separada En este tipo de lubricacioacuten se considera determ inante para una buena lubricacioacuten La viscosidad la temperatura la carga y la velocidad

243 Lubricacioacuten Elastohidrodinaacutemlca

Esta condicioacuten se obtiene en superficies en contacto fuertemente cargadas (elaacutesticas) esto es superficies que cambian- su- fe-rma- baQ una_ca[gordf Juerte y vuelven a su forma original cuando cesa la carga Ocurre este fen oacutemeno cuando se introduce un lubricante entre las superficies que estaacuten en contacto rodante como lo~ engranajes y los rodamientos Deb ido a las altas presiones se produce una fuerte elevacioacuten de la viscosidad que beneficia la lubricaCioacuten aun cuando los espesores de peliacutecula son muy pequentilde os

Se ha establecido que las cooofeiones del lub ricante que eX isten en la mayoriacutea de los engranajes no ~on las que aplican para la lubrica cioacute n hidrodinaacutemica ni para la lubricacioacuten limite

244 La lubricacioacuten peliacutecula mixta

Combina la lubricacioacuten de peliacutecula delgada y peliacutecula lle na En las figuras 27 y 28 se detalla este proceso de formacioacuten de peliacute cula

I I ()

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 46: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

PRACT IC AHN T[ CO NTANT [

CURVA or STRI8ECKLA OA fXACn Of LA CU VA [)[shy[ NO[ Ol LA ~ CARACT[III STC AS t DE L A LUBRICA shyCI ON LlNITt 1f44-+-rt-_--l_ _ ____ ~--~Dshy

[ N [STA 2 0N A LA rRICCIO ES NAYOR OEBIDO AL IN Cllt N[I TO OEL rSrUERZO C OR TANTE EH LA PtLICULA LUBRICANTE

LueRI CA CION HIOROOINA~ICA--- ru

p LV1IIIICAC ION MIXTA

FIGURA 26 Regimenes de lubricacioacuten en func ioacuten de l coefic iente de friccioacuten y del paraacutemetro adimensional nnsp (La curva de stribeck describe la efectividad de la lubricacioacuten )

Fuente (Albarraciacuten 1993)

I1 I

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 47: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

FIGURA 27 Lubricacioacuten mixta (la mayoriacutea de las superficies estaacuten separadas Soacutelo hay entre las asperezas)

Fuente (Texaco 1993)

11 =

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 48: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

IUftICI[ ElTACIONAJtIA

L IfLlCUU LINIT[

UNTO WElltTO ItIElltl~

FIGURA 28 Lubricacioacuten mixta presente en el funcionamiento de un motor de combustioacuten interna

Fuente (Albarraciacuten 1993)

113

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

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311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 49: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

25 Capacidad de carga de un cojinete

Al analizar la capacidad de carga o la presioacuten admisible en el cOjinete (Po) se entiende que se han satisfecho las exigencias de res istencia y rigidez antes de investigar las condiciones de lubricacioacuten

Existen por lo miacutenimo cuatro criterios cualquiera de los cuales puede adoptarse como base para una defin icioacuten praacutectica de la ca pacida d de carga

1 Produccioacuten de calor 2 Rotura de la peliacutecu la 3 Estabilidad de lubncacloacuten 4 Espesor de la pell cula

251 Produccioacuten de calor

El reacutegimen de produccioacuten de ca lor en un cojinete es proporcional al proporcional al producto del coeficiente de friccioacuten (F ) de la carga (W) y de la velocidad perifeacuterica del eje (U) Por lo tanto el reacutegimen de calor por unidad de superficie es proporcional a (F PU ) donde P = es la carga por unidad de superficie proyectada del cojinete

De acuerdo con la ley de COULOMB generalmente se supone que el coeficiente es constante para superficies mal lubricadas Para estas superficies de cojinetes la condicioacuten para un reacutegimen fijado de prod uccioacute n de calor por unidad de superficie estariacutea expresada por la ley de THURSTON

PU = constante Por lo tanto la capacidad de carga (Po) seria Inversamente proporcional a la velocidad

252 Rotura de peliacuteculas

La rotura de peliacuteculas o conta cto metaacutelico puede reconocerse de diferentes maneras Se identifica cOrrientemente pro el engranamie nto debiendo diferenciarse claramente entre engranamiento real y aparente siendo este ultimo debido a un torque de friccioacuten muy alto

El coeficiente de friccioacuten del munon o eje pasa por un valo r miacutenimo si se variacutea adecuadamente la velocidad la carga o la viscosidad del lubrica nte Figura 29

1 1lt1

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 50: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

0 035

z O- 30U U LO 10 - 25Q

CD 00011shy

w 20 o w t 5t-z ILIshy 10U lI ILI 0005O ()

lI O 400 500 600 700

VALOR OPERAT I VO ZNP

FIGURA 29 Relacioacuten coeficiente de friccioacuten Vs ZNP

RA = Reg ioacuten de lubricacioacuten imperfecta RB =Reg ioacuten de pe liacutecula perfecta o lubricacioacuten perfecta Z =Viscosidad absoluta = Ib-segpulg2

P =Caiacuteda de presioacuten a lo largo de un capilar de rad io =R Y longitud =E Q =Volumen T = Tiempo para fluir Q

La ubicacioacuten aproximada de este miacutenimo puede determinarse experimentalmente para diferentes tipos de cojinetes y es aceptable como criterio de la capacidad de carga A la derecha de este miacutenimo la condicioacuten se describe como la lubricacioacuten estable

Cualqu ier aumento de friccioacuten con el consiguiente aumento de temperatura es autocorrectivo porque la reduccioacuten de la viscosidad tiende a reduc ir la friccioacuten A la Izquierda cuando la pendiente de la curva es en otro sentido la misma reduccioacuten de la viscosidad causariacutea un aumento en la friccioacuten el calor asiacute generado

I t

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 51: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

aumentariacutea auacuten mas la friccioacuten Esta accioacuten seriacutea con tinua De modo que el punto miacutenimo marca una transicioacuten entre la lubricacioacuten esta ble y la inestable La presioacuten criacutetica del cojinete (Po) correspond iente al punto miacute nimo puede tomarse como la maacutexima capacidad de carga En la praacutectica este valor ha de reducirse para obtener un factor de seguridad El efecto ablandar un cojinete nuevo se manifiesta corrien do el minimo hacIa la izquIerda aumentando por lo tanto el factor de seguridad

Por uacuteltimo la capacidad de carga puede defin Irse en teacutermInos de espesor de la peliacutecula en el punto de maacutexImo ace rcamIento Se ha elegido arbitrariamente como liacutemite de seguridad cierto valor numeacuterico de 12 mileacutesimos de miliacutemetro siendo aumentado seguacuten el diaacutemetro y la rugosidad de la superficie del eje El problema para utilizar este criterio de la pelicula minlma en la praacutectica radica en establecer dicha medida miacutenima

26 Aumento de temperatura en cojinetes

El planteamiento moderno de la lubncacloacuten estaacute basado en las ecuaciones de la teoriacutea hidrodinaacutemica Estas condiciones como se ha visto describen la aptitud de un cojinete en teacuterminos de la viscOSIdad absoluta de la peliacutecula aunque eacutesta depende naturalmente de la temperatura de la peliacutecula la que por lo general se desconoce Lo que se trata a continuacioacuten es SI es pOSIble calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete En realIdad existe una solucIoacuten racional para este problema que depende de los re g imenes de generacioacuten de calor por la friccioacuten y de la transmis ioacuten de cal or del coj inete al med io ambiente

2 6 1 Calor generado por fr iccioacuten

Se deduce de la primera ley de la termodin aacutemIca sIemp re que las cantidades de ca lor se midan en unidades de trabaJO que el reacutegim en de generacIoacuten de calor es igual a la potencia gastada en vencer la resIstenc ia fri cc ional Es por lo tanto igual al producto de la resiste ncia de friccioacuten F W por la veloCIdad de frotamientos (nDN) tal como se vio an te riormente en la ecuacIoacuten (8) del cap iacutetulo peacuterd ida de potencia y el coeficiente de friccioacuten y tambIeacuten puede escribirse

1 ) D shyiexcl I _ TI iexcl 1 1 (1 ) D

I 1(

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

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I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

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Page 52: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

En la cual

P = WL D o sea carga por unidad de superficie D = Diaacutemetro del eje L = La longitud del cojinete en aacutengulo recto con la direCCioacuten del movimiento

F = Es el coeficiente de friccioacuten

Para el cojinete ciliacutendrico pleno con muy poca carga y alta velocidad se vio pro la

ley de PETROFF que

F (2 )

Donde

C =Holgura o diferencia de diaacutemetros Z = Viscosidad de la peliacutecula

Con base en las ecuaciones (1) Y (2 ) Y tomando la maacuteqUina analizada anteriormente en el ejemplo praacutectico se trataraacute de calcular el calor generado por

friccioacuten

Datos N = 20 rp s p = 40 Ibpulg

2

O = 3 pulgadas LID = 2 CD = 11000 Z =30 Cp (centipoises)

=435 x 106 Ib-segpulg 2 a la temperatura de trabajo

COIl eslos dalas se ca lculu Ull (11) I ltJ ~ 11 ) 11Il lt ( 0 ( 1 1(lil lltl u I)UI V l l lJlII V ~ I IL~IIIl d I 77ltiquest lb - ril b l middot d d dmecanlco el ca or o tenemos para e reglmen e pro ucclon e

l3TU calor en este cojinete la cifra de 485778 = 0623 BTUseg

262 Aumento de la temperatura del lubricante

Si en el caso anterior todo el calor gene rado hubiera de permanecer en la peliacutecula podriacuteamos computar el reacutegimen de elevacioacuten de temperatura OOOT

117

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 53: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

partiendo del reglmen de generacioacuten de calor por unidad de volumen del lubricante luego de dividirlo por la capacidad teacutermica del lubricante por unidad de volumen (H) Esta uacuteltima cantidad es una uacutetil propiedad de los liacutequidos igual al producto del calor especiacutefico por la dens idad

Si en el ejemplo anterior tomamos para el volumen de la luz nOLC2 = 00848 pulg3

Y para el reacutegimen total de produccioacuten de calor H = 485 ples-Ibseg Oacute 5820 pulg-Ibseg-pulg 3

El maacuteximo reacutegimen de aumento de temperatura el adiabaacutetico (OOOT) es por lo tanto 68600136 aproximadamente igual a 500degF seg oacute 25degFlrevolucioacuten del eje Arrastrar todo este calor con la circulacioacuten del aceite a medida que se fuera generando exigiraacute un caudal Q = HH T unidades de volumen en la unidad de tiempo si la temperatura del aceite a la salida estaacute limitada en T grados por encima de la temperatura de entrada Supongamos que el aceIte entra a 70degF y sale a 130degF de modo que 6T =60degF

Por lo tanto con HH = 5280136 Q =071 pulg 3seg oacute aproximadamente 11 galoneshora de

lubricante

En la praacutectica la situacioacuten resultaraacute rntermedla ni el calor generado se confinaraacute en el volumen de lubricante contenido en la holgura ni tampoco seraacute totalmente arrastrado pro el aceite Una gran parte del calor seraacute conducido a traveacutes del eje y de l cojinete hasta la superficie exterior de las que se eliminaraacute por radiacioacuten y convencioacuten

El reacutegimen de transmisioacuten de calor de la pellc ula lubrrcantiquest al medlu dmblente seraacute mayor cuanto mayor sea la elevaCioacuten de la temperatura (T) con respecto al medio ambiente

Por esta causa solamente la elevacioacuten de la temperatura ha de producirse necesariamente a un reacutegimen decreciente con el tiempo despueacutes de haber puesto en movimiento una maacutequina parada Otro factor que ha de contribuir tambieacuten auacuten reacutegimen decreciente es la caida de la Viscosidad con la temperatura creciente siempre que el cOjinete esteacute trabajando en condiciones estables ya que una caiacuteda de viscosidad disminuye la friccioacuten

El e fecto neto es que en la praacutectica la curva de temperatura -tiempo para un cojinete se e leva a un reacutegimen decreciente progresIvo llegando a una horizontal cuando se ha alcanzado la temperatura permanente e funcionamiento Esta

I IX

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 54: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

temperatura puede definirse como la temperatura de equilibrio teacutermico una temperatura lo suficientemente alta relativa a la del ambiente para mantener un reacutegimen de transmisioacuten de calor igual al reacutegimen de produccioacuten de calor por resistencia de friccioacuten

2 6 3 Transmisioacuten de calor y elevacioacuten de temperatura

En un instante cualquiera el reacutegimen de transmisioacuten de calor de un cojinete al mediacutea ambiente que lo rodea es independiente de la magnitud de potencia que es disipada en calor y para una instalacioacuten particu lar depende uacutenicamente de la elevacioacuten de la temperatura Para una elevacioacuten dada (T) de temperatura el reacutegimen de transmisioacuten de calor (H) no es soacutelo independiente de la forma en que esta potencia se convierte en calor por lo tanto seriacutea lo mismo SI en lugar de friccioacuten la potencia no disipara por una resistencia oh mica en una bobina de calentamiento eleacutectrico en resumen no eXiste vinculacioacuten fislca entre H y H pero si entre H y T

La ley de Newton para enfriamiento que es bastante exacta para rangos hasta T = 50degF establece que

(1 )

donde Co =Es una constante para cada instalacioacuten particular

Otra forma menos exacta pero mas conocida de la Ley Newton establece

a I

11 (2)

A

Donde

A = superficie total de la caja del cOJinete a =reacutegimen de transmisIoacuten de calorpor unidad de superficie

En el cuadro 26 se dan los factores de conversioacuten para alguna de las unidades de uso corriente

119

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

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311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

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multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

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CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

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Page 55: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

Por experimentacioacuten LASCHE encontroacute que el reacutegimen de transmisioacuten de calorunidad de superficie del cojinete podriacutea representarse como

11 u l 1 1 (3)

7[ D L

La constante (13) varia para rangos de temperatura (T) mayores de 50degF por lo tanto se asume que para la Co de la ecuacioacuten (1) un va lor de 2 BTUhora-pie2-oF Siendo la temperatura la que se mIde en la superficie exterior de la caja del coji nete Para e l va lor de la constante C l de la ecuacIoacuten (15) se utiliza 10 BTUhora-pie 2-oF o sea 4 kilo-caloria hora-miquest-oC

La constante ((2 encontrada por LASCHE para cOjinetes plenos con cajas grandes es en aire quieto C2 = 17 cuando (12 = kilo-cal oriashora -m 2 de

superficie del cojinete y (T) en oC Oacute C2 =29 cuando lt12 = 13TlJ Y (T) en degF 11011 - pIe

CUADRO 26 Un idades teacutermicas y de potencia

A) CONVERSION DE PU LGshyLBSEG

1 pulg-Ibseg es igual

833 x 102 pie-Ibseg 152 x 10-4 HP 113 x 10-4 KW 386 x 10 BTUh 973 x 10-2 kilocaloriah 269 x 102 caloriacuteasseg

B) CONVERSION A PULGshyLBSEG

1 pie-Ibseg = 12 pu lg-I bseg 1 HP =6600 pulg-Ibseg 1KW = 8850 pulg -Ibseg 1 BTUh = 259 pulg-Ibseg 1 ilocaloriacutea h = 103 pulg-Ibseg 1 ca lor iacuteaseg = 371 pulg -Ibseg

Como ejemplo numeacuterico

Consideremos el COjinete ya discutido de 75 mm x 150 mm Trabajando a 100degF Suponiendo 77degF para la temperatura ambiente la elevacioacuten de temperatura T =

23degF

I~()

De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

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De la foacutermula (16) 02 =171 BTUhora-ple2 de superficie del cojinete

rfmiddotmiddot di middot 1 8 reLas supe ICles e cOjinete = -shy144

H= 0 39 x 171 = 67 BTUlhora en aire inmoacutevil

De la ley de enfriamiento de Newton la ecuacioacute n (2 ) con e = 10 Y asumiendo el aacuterea efectiva de la caja del cojinete igual a 8 veces el aacuterea del cOjinete H = 8 x 039 x 23 = 72 BTUhora promediando los dos resultados y admitiendo un factor de 2 0 por involucrar las corrientes de aire se obtiene un valor de 140 BTUhora aproximadamente cuando (T) es igual a 23degF

26 4 Caacutelculo de la temperatura permanente de operacioacute n

Ya que e l reacutegimen de generacioacuten de calor para el cojinete en cuestioacuten demostroacute ser del orden de 062 BTUseg a 100degF es evidente que esta maacutequina soacutelo puede trabajar en forma intermitente a dicha temperatura

La temperatura permanente de operacioacuten con el lubricante dado seraacute considerablemente mayor a 23degF por encima de la temperatura ambiente

El proced imiento general para calcular la temperatura permanente de operacioacuten de un cojinete desarrollado por HERSEY consiste en considerar que bajo condiciones de equilibrio teacutermino el reacutegimen de transmisioacuten de calor es Igual al reacutegimen de generacioacuten de calor en el cojinete H = H

Estas dos cantidades son numeacutericamente iguales cuan do se les expresa en las mismas unidades Esto no seraacute cierto en todos los casos por ejemplo durante el largo periodo de calentamiento antes del equilibrio teacutermiCO H gt H Y cuand o la maacutequina se detiene H = 0 pero H tiene un valor que va decreciendo lentamente

Las relaciones fundamentales entre las tres variables (H ZT) estaacuten basadas en las d iferentes ecuaciones o leyes

1 La ley de transmisioacuten de calor para un cojinete y sistema determinado de enfriamiento

12 1

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

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En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

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311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

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multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

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CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

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2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 57: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

2 La ecuacioacuten caracteriacutestica o cu rva para la peacuterdida de friccioacuten del COJinete en teacuterminos de viscosidad

3 La curva viscosidad-temperatura para el lubricante Ellas pueden expresarse asiacute

1I F (1) ( 1 )

I ) ~ I ~ () (2)

Z = F (1 ) (3)

En estas ecuaciones (F 1 F2 F3) son funciones conocidas y por el momento se consideran como constantes Para il ustrar el uso de las ecuaciones (1) (2) Y (3) consideremos e l ejemplo antes analizado

Con la ley de enfriamiento de Newton y tomando A = 8n DL = 314 pies 2

C l =2 BTUhora-pie 2-oF Encontramos

AC 1 = Co = HIT = 63 BTUhora-oF

Segljn la tabla anterior esto equivale a 259 x 63 = 163 pulg-lbseg-oF Luego con H=H tenemos en forma concreta para la ecuacioacuten (1)

11 163 (T) (4 )

H = lb - pu 19Siendo scg

T = degF

Con las ecuaciones (1) Y (2) del literal CALOR GENERADO POR FRICCiOacuteN encontramos sustituyendo los valores DC =1000

LID =20 N = 20 rp s D = 3 pulg

Que H 1 3 4 ( 1 O) ) L (5 )

Siendo H = pulg-Ibseg Z = Ib-segpulg 2

1~2

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 58: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

La ecuacioacuten (5) es igual a la (2) de nues tro prob lema Suponiendo que el lubricante usado tenga las caracteriacutesticas de un ace ite ordinario de base parafiacutenica de 30 centipolses o 4 35 x 106 Ib-segpulg2 de vIscosidad a 100degF

Aplicando la ley de LASCHE en la fo rma

(6)

Junto con la ecuacioacuten de SLOTTE

O6l) O6l) (7)

y sabiendo que H =134 (1 0)9 Z EcuaCioacuten (2 1) tenemos

595 (T)I = Uj (1 O)l (8)

Reemplazando (Z) por su valor ecuacioacuten (7) y extra yendo la ra iacutez (13) a ambos lados tenemos

T(T + 77 ) = 203( 10) (9)

La ecuacioacuten (9) cuacutebica en (T) nos da la solucioacuten a la temperatura =816degF

z

12 3

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

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Page 59: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

3 CLASIFICA CION NORMALIZADA DE LOS LUBRICANTES

Los lubricantes pueden ser clasificados en funcioacuten de sus propiedades y caracteriacutesticas fiacutesico-quiacutemicos por su origen presentacioacuten por los usos y aplicaciones Todas esta variables estaacuten normalizadas por distintas instituciones dando lugar a 19S sistemas de clasificacioacuten mostrados en el cuadro 27 Es de aclarar que la mayoria de las clasificaciones de los lubricantes estaacuten basadas en el meacutetodo de medicioacuten de la viscosidad

CUADRO 27 Sistema de clasifica cioacuten de aceites lubricantes

SISTEMA

ASTM

ISO

AGMA

SAE

MIL

API

CCMC

NLGI

A STM API SAE ISO AGMA NLGI CCMC MIL

UNIDAD DE VISCOSIDAD

Segundos saybol universal

(SS U)

CENTI STOKES (est)

SSU es

est

SSU

TEMPE RATURA

100degC

40 degC -100degC

100degC 37 8degC

40degC -100T

SERVICIO (CALIDAD -A DI TIVOS)

X

X

X

CONSISTENCIA GRASAS

X

Sociedad Americana de Pruebas de Materiales Instituto Americano de petroacuteleo Sociedad americana de Ingen ieros automotrices Organizacioacuten Internacional de Estaacutendares Sociedad Americana de fabricantes de engranajes Instituto Nacional de grasas Lubri cantes Comiteacute de constructores de Automoacutevil es del mercado comuacuten Militar (Ejercito de los EE UU )

124

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 60: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

En el cuadro 28 se presenta la clas ificaci oacuten de los aceites en funcioacuten al iacutendice de viscosidad

CUADRO 28 ClaSificacioacuten del aceite por el indlce de viscosidad

IGRUPO IV (K VI )

Bajo Indice de viscosidad (LVI ) lt 35 Medio Indice de vIscosidad (MIV) 35 - 80 Alto Indice de viscosidad (HVI ) 80- 110 Muy Alto Indice de viscosidad (VHI ) gt 110

Fuente (Benitez 1992)

De acuerdo al servicio que los lubricantes cumplen se pueden clasificar en dos grandes bloques Aceites industriales y automotrices Los aceites industriales no se pueden utilizar en aplicaciones automotrices debido a que no cumplen los requerimientos necesarios para esta aplicaCioacuten Los lubricantes automotrices a veces se pueden utilizar en aplicaciones industriales pero por su mayor costo se utiliza cuando es recomendado o necesario

31 Aceites automotrices

Los aceites de automotrices incluyen los aceites de los motores de combustioacuten interna (MCI ) y los de engranajes de transmisioacuten y los aceites de sistemas o componentes hidrauacutelicos (transmisiones direCCiones frenos enganche tres puntos etc ) La c lasificaCioacuten SAE especifica la viscosidad baacutesicamente para lubricantes de motores y engranajes de transmisioacuten ) Igualmente para estos aceites la API tiene una clasificacioacuten para los mismos componentes de acuerdo al servicio (calidad ) Por lo tanto para hacer la seleccioacuten de los lubricantes se debe tener en cuenta estos dos paraacutemetros teacutecnicos SAE y API La seleccioacuten comercial pertenece a otro escenario de la toma de decisiones

125

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

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5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

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17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

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~ 20 ~--~~-~----shyu

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40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 61: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

311 Clasificacioacuten SAE para aceites de M CI y de transmisioacuten mecaacutenica

La SA E clasifica los lubricantes en grados correspondientes a Intervalos de viscosidad entre un valor miacutenimo y maacuteximo a la misma

311 1 A ce ites monogrado

Se caracteriza porque tienen un dolo grado de vIscosidad como se puede observar en los cuadros 29 y 30

CUADRO 29 C lasificacioacuten SAE para aceit es de motor

(SAE J300 - Junio 1989)

VISCOSIDAD TEMPERATURAGRADO VISCOSIDAD A SAE 100 oC

MAXIMO (cp) LIMITE DE BOMBEO

(~c ) cs Miacutenima MaacuteXima

OW - 353250 A -30 degC 38 5W - 303500 A -25degC 38 10W - 253500 A -20degC 41 15W 35 00 A -15 degC - 20 56 20W 4500 A -10degC - 15 5 6 25W - 10 6000 A - 5degC 93 20 56 93 30 93 125 40 125 163 50 163 21 9 60 219 261

Fuente (Esso 1994 Ruiacutez 1992 8enitez 1992)

3112 Aceites multigrado

Se caracterizan porque poseen un alto iacutendice de vIscosidad lo cual permite que e aceite pueda ser recomendado para cubm vanos grados SAE Asi un aceite como el 20W40 significa que a bajas temperaturas se comporta como un aceite delgado SAE 20W y a altas como un aceite grueso SAE 40 En el cuadro 31 y figuras 30 y 31 se muestran comparaciones entre aceites multigrados y monogrados basadas en el ahorro de combustible y la variaci6r de la viscosidad No obstante la mayor estabilidad del aceite

126

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

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~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

Page 62: rProductos anti-herrumbre. - Universidad Nacional De ColombiaEs el caso--típiee de las ~ grasas, las cuales están formadas por una base lubricante y un jabón, que puede_ ser de

multlgrado con respecto al unlgrado hay algunos cuyos adi tivos mejoradores de viscosidad (IV) tienden a des integrarse o a cizallarse debido a esfuerzos mecaacutenicos y teacutermicos los cuales reducen la viscosidad y causan el desajuste prematuro del motor Por otro lado forman grandes depoacutesitos de ceniza sobre las superficies de contacto Sin embargo las nuevas formulaciones de lubricantes multigrados permiten utilizarlos con un alto grado de confiabilidad Se puede concluir que los aceites multigrados en la mayoriacutea de los casos han mostrado mas ventajas que los unlgrados Las mas importantes son

Menor inventario de aceite Mejores caracteriacutesticas de flujo El interior del motor se conserva mas limpio Arranque en friacuteo mas faacuteci l Uso del mismo tipo de aceite durante todo el antildeo Menor desgaste de las diferentes partes del motor dado que los cldos formados por la oxidacioacuten son menos fuertes Reducen el golpeteo y la prelgnlcioacuten Menor consumo de combustible por menores coeficientes de friccioacuten que presentan Menor consumo de aceite Permiten el empleo de gasolina de un octanaJe menor Menores costos de mantenimiento

CUADRO 30 Clasificacioacuten SAE para aceites de transmisiones mecaacutenicas (eng ranajes)

GRADO TEMPERATURA MAXIMA V ISC OS IDAD A 100 oC PARA LA VISCOSIDAD DE es t

150000 ep MIN IMA MAXIMA

70 Wmiddot - 55 oC 4 1 75W -40 oC 4 1

80W - 26 oC 7 O 85W -12 oC 11 O

90W iacute 3 5 24 0 140 24 0 410 250 41 0 600

Fuente (Esso 1994 Albarracin 1993)

El sufijo W (Winter) indica que el aceite cumple con dos requerimientos de viscosidad uno a temperatura bajo OdegC tal como indica en las tablas y el otro a una temperatura de 100 o e

127

CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

130

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CUADRO 31 Ensayos compa rati vos de ahorro de combustib le con ceites unigrado y multigrado

Tipo de aceite de ahorro de combu sti ble Unigrado Multigrado del aceite de multigrado SAE 30 SAE 15W40 con respecto al unlgrado

Caracteristlcas del ensayo

Motores Diesel y a gasoli na en lineas de transporte

Buses urbanos con molares Diesel

Motores Diesel de trabajo pesado a elevadas altitudes

Equipos con motores Diesel para movimiento de tierra

Camiones pequentildeos con motores a gasolina

Arranque en fria y paradas y arrancadas con molares Diesel ya gasolina

3

)

u

)

5 - 10

Fuente (Albarraciacuten 1993)

En los cuadros 32 y 33 se espec ifican los acei tes y multlgrados para motores y engranaJes

Es conveniente anotar que en los lub ricantes automotores cl aSificador por norma SAE el numero que aparece al fina l de SAE no Indica la viscosidad de este en alguacuten sistema de unidades sino lo muy viscoso o delgado que pueda ser

128

2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

129

I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

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2flgtoacutel 187 Ci5C +-+---~oc--o

GRAFICO 63 ASTN (0- 341 - 43) 1111 meeshysidld - tempefltllfl stMId In 1C8i~ MltomDtores njshy

dos dlrindcn del Pttroacuteeo

t-~----------t-~----~~~----------------~~6t iexcl--t-----+-~---~~~ --------~~SQ~

17cSt

FIGURA 30 Variacioacuten de la viscosidad con la temperatura

Fuente (Benitez 1992)

100 ~-------shy

4shy

~ 20 ~--~~-~----shyu

~ o ~ o u ~

5gt 2

40 100 150 200 250 300

TEMPERATURA degF

FIGURA 31 Comportamiento de ace ites monogrado y multigrado

Fuente (Albarrac in 1993)

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I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

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I

CUADRO 32 Aceites multigrados para motor

LIMITE DE VIS COSIDAD (cst)

GRADO SAE MINIM 40C MAXIMA MINIMA 100 e MAXIMA

5 W50 100 120 16 3 19 7 10 W 30 9 3 137 15 W 40

60 70 90 110 13 7 16 3

15 W 50 120 130 163 19 7 20 W20 61 69 56 93 20W 30 90 110 93 13 7 20W40 13 7 16 7

20 W 50 120 130 150 162 16 3 197

Temp limite de bombeo

- 30 - 25 - 20 -20 - 15 - 15 - 15 - 15

I

Fuente (Benitez 1992 Ruiz 1992)

CUADRO 33 Aceites multlgrados pa ra eng ranajes automotores

GRADO SAE

LIMITE DE VI SCOSIDAD (cst)

40degC 100degC

MINIMA MAXIMA MINIMA MAXIMA

80 W90 120 130 14 O 15 0 85 W90 185 200 16 5 17 3 85 W140 300 320 34 1 26 0

Fuente (Albarracin 1993)

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