IM-2005-II-33

SISTEMA PARA CONTEO Y

CARACTERIZACIÓN DE PARTÍCULAS EN SUSPENSIÓN EN UN FLUIDO

LUBRICANTE

GUILLERMO ANDRES ROA ALVARADO

Proyecto de grado

Asesor: Dr. Ingeniero Jaime Loboguerrero

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA BOGOTA D.C.

2005

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Nota de aceptación

Firma del asesor

Firma del jurado

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AGRADECIMIENTOS

Primero que todo, agradezco a la colaboración y experiencia aportadas por mi asesor, Dr. Ingeniero Jaime Loboguerrero, quien no solo a través del proyecto sino de mi carrera aportó a mi formación como ingeniero. También agradezco al personal del Centro de Investigación Tecnológica de la universidad de los Andes, ya que sin sus equipos y experiencia no se hubiese podido llevar a cabo ninguna de las pruebas de la investigación. Adicionalmente agradezco a mi padre, quien ha sido mi patrocinador a lo largo de la carrera y reconozco el esfuerzo que hizo por mantenerme al día en lo que necesitase. Dicho esfuerzo será recompensado en un futuro.

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TABLA DE CONTENIDOS

TABLA DE CONTENIDOS........................................................ 4 LISTA DE TABLAS E ILUSTRACIONES................................. 5

INTRODUCCIÓN ............................................................. 7

OBJETIVOS....................................................................... 8

1. MARCO TEÓRICO...................................................... 9

1.1 FUNDAMENTOS DE LUBRICACIÓN............................ 9 1.1.1 TIPOS DE SISTEMAS DE LUBRICACIÓN...................... 9 1.2 CÓMO Y DONDE SE PRODUCEN LAS PARTÍCULAS QUE CONTAMINAN UN LUBRICANTE............................... 10 1.3 NATURALEZA Y CANTIDAD ESPERADA DE LAS PARTÍCULAS........................................................................... 11 1.4 CALCULOS PREVIOS DE CONTEO DEL NUMERO DE PARTICULAS........................................................................... 16 1.5 DISEÑO PRELIMINAR DEL SISTEMA........................ 19

2. MONTAJE EXPERIMENTAL.................................. 21

2.1 DESCRIPCIÓN DEL MONTAJE........................................ 21

3. METODOLOGÍA........................................................ 24

3.1 MATRIZ EXPERIMENTAL ............................................... 24 3.2 RESULTADOS OBTENIDOS EN LAS PRUEBAS............ 29

4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES............................................................................................ 33

BIBLIOGRAFÍA.............................................................. 35

5

LISTA DE TABLAS E ILUSTRACIONES Tabla 1: Fuentes de contaminación en motores de combustión

interna..................................................................................... 11

Gráfica 1: Composición porcentual de los residuos de hollín ........ 12 Gráfica 2: Distribución por volumen de las partículas de desgaste 13 Gráfica 3: Cantidad de partículas metálicas para una determinada

vida útil .................................................................................. 14

Tabla 2: Distribución por tamices de partículas metálicas ............. 14 Ilustración 1: Composición del material particulado que puede

ingresar a través de los filtros ................................................. 15 Gráfica 4: Capacidad de los filtros según su tamaño de poro (Beta)

............................................................................................... 15 Gráfica 5: Distribución por tamaño de partículas en un aceite normal

............................................................................................... 16 Fotografía 1: Microfotografía de la composición de la arena (200 X)

............................................................................................... 17 Fotografía 2: Microfotografía de la composición del metal (200 X)

............................................................................................... 18 Fotografía 3: Microfotografía de la composición del hollín (200 X)

............................................................................................... 18 Gráfica 6: Número de partículas aproximado en un aceite normal.19 Gráfica 7: Isométrico del diseño previo del sistema....................... 20 Fotografía 4: Sistema de aro y sello de plastilina........................... 22 Fotografía 5: Mufla y crisoles utilizados en las pruebas ................ 23 Fotografía 6: Paso 1, Recolección de muestra................................ 25 Fotografía 7: Paso 2, Calentamiento de muestra ............................ 25 Fotografía 8: Paso 3, filtrado ......................................................... 26 Fotografía 9: Paso 4, llevar a punto de llama ................................. 26 Fotografía 10: Paso 5, someter a la mufla...................................... 27 Fotografía 11: Paso 7, medición .................................................... 27 Fotografía 12: Recolección y contaminación deliberada de muestras

............................................................................................... 28 Tabla 3: Resultados obtenidos por peso luego de las pruebas ........ 30

6

Gráfica 7: Distribución por tamaño de las partículas en la prueba .30 Gráfica 8: Comparación de distribuciones en metales ................... 31 Gráfica 9: Comparación de distribuciones en polvo....................... 31 Gráfica 10: Comparación de distribuciones en hollín .................... 32 Gráfica 11: Número aproximado de partículas por tamaño............ 32 Tabla 4: Costo de materiales por cada 100 pruebas ....................... 34

7

INTRODUCCIÓN Usualmente, cuando se piensa en ingeniería mecánica el común de la gente tiende a pensar en mecánica automotriz, así como los mismos estudiantes de la carrera piensan en el área de producción y diseño durante los primeros cuatro años de esta. Sin embargo, la ingeniería mecánica tiene un vasto campo de acción, cuyas ramificaciones no solo se limitan a la creación de nuevas tecnologías para la producción y caracterización de nuevos y mejores productos en el mercado. También existen importantes ramificaciones como lo son el mantenimiento y la seguridad industrial, las cuales se dedican principalmente a mejorar las condiciones de trabajo de equipos ya existentes, lo cual no implica que la labor no requiera de la aplicación de ingeniería. La idea original de la investigación provino de mi curiosidad en el campo del mantenimiento con respecto a la lubricación de los aparatos mecánicos y su importancia en el mantenimiento preventivo, ya que en el fluido lubricante no sólo pasa por entre las diferentes piezas mecánicas, sino que también es afectada por las condiciones del ambiente que rodea al equipo y también puede indicar fácilmente si la maquinaria se encuentra en un punto donde hay contaminación interna o altas temperaturas. En este proyecto de grado, el tema principal es instituir la base de una investigación, cuya meta final es estudiar la viabilidad de la implementación de un sistema de tamizado y conteo de partículas para el diagnóstico de fallas de diversos tipos de maquinaria a partir del análisis de una muestra de lubricante. En los que se desea disminuir los costos de mantenimiento, mejoramiento de la detección de fallas y aseguramiento de la calidad. Al identificar correcta y oportunamente una avería en un sistema mecánico, se prolonga su vida útil, y por lo tanto la rentabilidad de la inversión en el equipo aumenta.

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OBJETIVOS La finalidad de este proyecto es generar un sistema que permita identificar las fallas más comunes e importantes de un sistema de lubricación con un bajo costo, para poder implementarlo masivamente en la industria, y que dicho sistema constituya una base para investigación futura en el tema de mantenimiento de motores de combustión interna. Para poder llegar a la meta final de este proyecto, es de suma importancia tener en cuenta los siguientes factores: - Diseñar un sistema adecuado para las necesidades y posibilidades

tecnológicas del campo de acción deseado. - Lograr que el sistema sea lo más exacto y preciso posible. - Crear un manual del usuario donde se explique el diagnóstico más

adecuado para un resultado determinado en la prueba.

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1. MARCO TEÓRICO 1.1 FUNDAMENTOS DE LUBRICACIÓN Los fluidos lubricantes se usan en la industria con varios propósitos. El principal es evitar el friccionamiento entre dos piezas en movimiento. Pero también se usa como un medio para refrigeración, como aislante del ambiente y como un método para remoción de impurezas. Los lubricantes poseen muchos indicadores posibles para determinar su estado, por ejemplo la viscosidad de un aceite puede indicar el grado de las impurezas disueltas en la mezcla. El PH ácido es una señal de degradación térmica y el iniciador de degradación por corrosión en aleaciones ferrosas. Y finalmente está el análisis y conteo de partículas disueltas en el fluido, el cual ayuda a conocer el estado de los filtros y las condiciones de desgaste del mecanismo. Es por la naturaleza multipropósito de un lubricante que este lleva consigo mucha información que señala el estado de los mecanismos y por ende, es una parte fundamental de la práctica del mantenimiento predictivo y correctivo. 1.1.1 TIPOS DE SISTEMAS DE LUBRICACIÓN Hay varias formas en que un fluido lubricante puede llegar y mantenerse por determinado tiempo sobre la superficie de trabajo1: Métodos de aplicación:

- Ranurado - Dispensadores - Aceiteras de Mecha y Felpa - Alimentación forzada

1 WILLS, GEORGE, “Fundamentos de lubricación”, Ed. John Wiley, 1999

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- Atomización - Salpique

a) Película fluida hidrostática

b) Película fluida hidrodinámica • Cojinetes cilíndricos simples • Cojinetes en zapatas

c) Película de aplastamiento d) Películas sólidas

Tan variadas como son las formas de distribución y aplicación de las películas de lubricante, lo son las formas en que estas películas pueden llegar a perder su función por contaminación. 1.2 CÓMO Y DONDE SE PRODUCEN LAS

PARTÍCULAS QUE CONTAMINAN UN LUBRICANTE

Como se había explicado con anterioridad, hay varias fuentes posibles para que entren partículas a un sistema de lubricación. Y cada sistema, por su diseño y propósito tiene diferentes probabilidades de desarrollar contaminación a partir de cada tipo de fuente. Para los sistemas de lubricación por salpique en engranes y piñones, la principal fuente de contaminación son los restos de partes mecánicas en funcionamiento (40%) y la contaminación que entra por ventilación (30%); para los sistemas hidráulicos, las partes críticas son los empaques y sellos (30%) y las holguras (30%)2. Para este proyecto, el enfoque principal es el aceite de un motor de combustión interna.

2 Fitch, Jim, “Filter economy article”, Machinery Lubrication magazine, Edición de Mayo 2005

11

Tabla 1: Fuentes de contaminación en motores de combustión interna

Fuente: “Machinery Lubrication magazine” Edición de Mayo 2005

1.3 NATURALEZA Y CANTIDAD ESPERADA DE LAS

PARTÍCULAS Ya conocemos las posibles fuentes de las impurezas y contaminación del fluido. Pero, sin embargo desconocemos la cantidad ni la composición de dichas partículas. Para esto se realizó una investigación y se encontró la siguiente información:

Partículas suspendidas

100%

Gases de combustión

"blow by"

50%

Restos de partes mecánicas

en servicio

25%

Cambios de aceite y rellenado

10%

Empaques y sellos

5%

Holgura entre partes

y ventilación

5%

Restos de partes mecánicas

durante un mantenimiento

5%

12

Ya sabemos que aproximadamente el 50% de la contaminación proviene de los gases del “blow by”, hay que saber que compuestos particulados contaminan el aceite. De acuerdo a un estudio tribológico usando ultrasonido realizado en la universidad de Sheffield, se pudo determinar con bastante precisión el contenido de hollín en aceite de motor. Sus resultados arrojaron lo siguiente: Gráfica 1: Composición porcentual de los residuos de hollín

Distribución de Partículas de hollín por su tamaño

promedio en aceite

11%

22%

30%

37%2 um

8 um

13 um

20 um

Fuente: “Measurement of Lubricant Soot Content using Ultrasound”,

Dr Rob Dwyer-Joyce, Universidad de Sheffield El siguiente factor donde se produce la mayor contaminación, es el desgaste en las partes mecánicas en servicio. Como se puede inferir, casi la totalidad de estos residuos son de tipo ferroso

13

Gráfica 2: Distribución por volumen de las partículas de desgaste

Hierro

83,9%

Molibdeno

1,4%

Aluminio

1,0%

Estaño

0,7%

Niquel

0,3%

Cromo

1,4%Plomo

4,9%

Cobre

6,3%

Fuente: “Oil Bypass Filter Technology Evaluation” Departamento de Energía de los

Estados Unidos. 2004

Como es lógico, la cantidad de material particulado que entra al flujo de lubricante por desgaste es una variable dependiente de la vida útil que haya tenido el motor. Para esto, el Departamento de Energía de los Estados Unidos tomó una muestra de varios vehículos y se les tomó muestras para conteo de partículas metálicas por análisis espectroquímico y se tomó la medida de las millas recorridas de cada uno en un determinado flujo de tiempo. A pesar de las variaciones obtenidas, dado que cada vehículo estuvo bajo diferentes condiciones de uso, se pudo observar una clara tendencia:

14

Gráfica 3: Cantidad de partículas metálicas para una determinada vida útil

Fuente: “Oil Bypass Filter Technology Evaluation” Departamento de Energía de los Estados Unidos. 2004

Al final de la vida útil de estos motores, se realizó un conteo de partículas por difracción de luz donde se pudo determinar sus tamaños promedio. Tabla 2: Distribución por tamices de partículas metálicas

Tamaño (um)

No. De Partículas

>4 83300

>6 45300

>14 7700

>21 2600

>38 400

>70 0 Fuente: “Oil Bypass Filter Technology Evaluation” Departamento de Energía de los

Estados Unidos. 2004

Vida útil Vs.Desgaste y = 0,0038x - 25,632

R2 = 0,8549

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 20000 40000 60000 80000 100000

Millas recorridas (Mi)

PP

M d

e p

art

ícu

las m

etá

licas

15

Ilustración 1: Composición del material particulado que puede ingresar a través de los filtros

Fuente: “A Quick Guide to Oil Analysis Tests”, por Andy Page

Gráfica 4: Capacidad de los filtros según su tamaño de poro (Beta)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

mg

/cm

^3

Beta (25) Beta(16) Beta(10) Beta(6) Beta(3)

Fuente: “A Quick Guide to Oil Analysis Tests”, por Andy Page

1 beta = 1 µm

16

Gráfica 5: Distribución por tamaño de partículas en un aceite normal

-1,5-1

-0,50

0,51

1,52

2,53

3,54

4,55

5,56

6,5

0 10 20 30 40 50 60 70

Tamaño de particula (um)

mg

/cm

^3

Hollin Fe, Cu, Pb Polvo Otros metales

Ya conociendo la naturaleza de las partículas, los porcentajes y tamaños de partículas esperados se puede crear un sistema tal que pueda separar dichas partículas y calcular aproximadamente cuantas de estas partículas se encuentran disueltas en la muestra. 1.4 CALCULOS PREVIOS DE CONTEO DEL NUMERO

DE PARTICULAS Para realizar estos cálculos es necesario establecer la densidad promedio de las partículas por tipo. Para esto se calculó la gravedad específica promedio de las partículas metálicas, tomando la gravedad específica de cada uno de sus componentes y promediando su valor de acuerdo a los porcentajes obtenidos anteriormente. Para el polvo se tomó la arena (SiO4) como componente base, la cual tiene una GE de 1,92. Y finalmente, para el hollín se tomó como base su componente principal, el grafito que tiene una gravedad

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específica de 2,33. Luego se calculó el peso promedio de las partículas entre los rangos especificados anteriormente y se calculó el volumen promedio de una partícula tomando como base una aproximación esférica con el diámetro de partícula. Esta aproximación está basada en la observación en microscopio de las partículas. Fotografía 1: Microfotografía de la composición de la arena (200 X)

Como se esperaba, el polvo posee una forma individual de cristales irregulares en 3 dimensiones, que si bien no es una forma propiamente esférica, en promedio se puede aproximar a ella.

3 Specific Gravity Table For Ceramics, Metals & Minerals, Reade Advanced Materials SuperSite, 2005.

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Fotografía 2: Microfotografía de la composición del metal (200 X)

El metal claramente posee una forma de hojuelas tridimensionales, sin embargo si se aproximan sus partículas a formas bidimensionales, su volumen sería nulo. Fotografía 3: Microfotografía de la composición del hollín (200 X)

El hollín tiene formas más suaves y una distribución más dispar. Sin embargo la aproximación esférica del volumen de las partículas corresponde perfectamente a lo observado, y dado que el hollín

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forma la mayor parte de este volumen, es el tipo de partícula que más nos interesa. Dado que tenemos el volumen, masa y densidad de las partículas según su tipo y rango de tamaños, podemos entonces contar cuantas partículas están distribuidas por su rango de tamaños. Gráfica 6: Número de partículas aproximado en un aceite normal

Número de partículas aproximado

100

1000

10000

100000

0 10 20 30 40

Tamaño (um)

Pa

rtíc

ula

s Hollin

Metales

Polvo

1.5 DISEÑO PRELIMINAR DEL SISTEMA La primera restricción del diseño es su simplicidad, debe ser un aparato de uso sencillo. La segunda es que debe ser económico, porque si se desea su implementación general entonces debe adaptarse a la economía del sector objetivo (talleres de mecánica automotriz). Como tercera condición está su portabilidad, ya que será un elemento que debe poder movilizarse a donde se necesite. Con base en el pensamiento de economía máxima se concluyó que el método para deposición de las partículas en los diferentes filtros sea gravitacional. Para garantizar su portabilidad se optó por un

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sistema de tamaño mediano, una probeta plástica de 1L de capacidad de 6 a 7 cm de diámetro de 26 a 36 cm de altura. Para sostener los filtros, el diseño inicial es emplear aros de hojalata con pestañas plegables para un fácil posicionamiento y sustracción de los filtros, los cuales, a su vez estarán sellados contra los aros con ayuda de empaques para garantizar la hermeticidad. Como parte del material de apoyo y medición es necesario el empleo de una Mufla con capacidad de hasta 800 ºC, crisoles que toleren dichas temperaturas y una balanza electrónica con capacidad de medir el peso en miligramos. Todo esto con el propósito de que la medición sea lo más certera posible. De acuerdo a la norma ISO 11171, los tamaños de filtros a usarse deben ser 5, 15, 25, 50 y 100 µm4, sin embargo, como vimos con anterioridad, hay muy pocas partículas después de los 50 µm, por lo tanto no se diseñó el sistema con un filtro con tamaño de poro de 100 µm. Gráfica 7: Isométrico del diseño previo del sistema

4 Libro de Normas Técnicas ISO, Sección TC 24

21

2. MONTAJE EXPERIMENTAL 2.1 DESCRIPCIÓN DEL MONTAJE Se siguió tan fielmente el diseño inicial como se pudo, empleando una probeta de polietileno de 1000 mL, con 6.3 cm de diámetro y 32 cm de altura. Se le hicieron ranuras paralelas cada 6 cm con una apertura de 7 mm. Para los aros se emplearon tapones de hojalata, sin embargo las únicas medidas disponibles en el comercio cercanas a los 6.3 cm eran 6 y 7 cm. Si se empleaban los tapones de 6 cm, había la posibilidad que cayeran dentro de la probeta en las pruebas, por lo tanto la única medida posible de los tapones son 7 cm de diámetro. A dichos tapones se les perforó agujeros concéntricos de 6 cm de diámetro y se les cortaron 6 pestañas rectas en lugar de las 8 del diseño inicial, ya que se observó que debilitaban mucho la estructura y se doblaban con facilidad. Para los diferentes tamices se consiguieron filtros cuantitativos Schleicher & Schuell tipos 589/1 y 589/2, los cuales tienen un tamaño de poro de 12-25 µm y 4-10 µm respectivamente y un porcentaje de ceniza del 0.006% 5 y filtros de celulosa Whatman números 1 y 41, con tamaños de poro 20-25 µm y 40-50 µm y un porcentaje de ceniza de 0.007%5. Todos los filtros son consistentes con las normas DIN 53135 y 4188, quienes dan los estándares de los parámetros en filtración y tamaño de poro. Debido a la diferencia entre los diámetros de los aros y la probeta, es necesario emplear un sistema que selle la holgura entre ellos y que también contenga el aceite que está siendo filtrado. Ya que

5 Página oficial de Whatman / Schleicher & Schuell <http://www.whatman.com/products/?pageID=7.25.5.11>

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inicialmente el aceite estaba a temperatura ambiente, se intentó realizar el sellamiento utilizando plastilina. Fotografía 4: Sistema de aro y sello de plastilina

Sin embargo, esto no fue posible, debido a que el aceite que se usó, el SAE 20W-50, a temperatura ambiente tiene una viscosidad cinemática de 155.7 cS 6, la cual haría de esta prueba un proceso demasiado lento. Así que se optó por aumentar la temperatura del fluido para la prueba a 100ºC, ya que su viscosidad cinemática a esta temperatura es de tan solo 18.2 cS, con lo cual la prueba pudiese realizarse en el menor tiempo posible. Sin embargo, los sellos de plastilina no toleraron las temperaturas y hubo que reemplazarlos por sellos de silicona de alta temperatura (RTV), estos últimos lograron cegar perfectamente las holguras. Sin embargo, para la contención del líquido se siguió empleando la plastilina como insumo de las pruebas. (Ver video de pruebas anexo). 6 Biode Technical Paper #1, “Acoustic Viscosity Measurement Method”, 2005

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Finalmente se utilizaron equipos disponibles en el CITEC para las pruebas: Una mufla Thermolyne F6038C, crisoles para altas temperaturas, mechero Bunsen de propano, cámara de gases, una balanza digital Sartorius 2003 MP1, con +/- 0.2% de error7 y una termocupla Fluke para medir la temperatura del aceite a verter. Fotografía 5: Mufla y crisoles utilizados en las pruebas

7 LabX Scientific Marketplace “Sartorius 2003” <http://www.labxnews.com/labxnews228.htm>

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3. METODOLOGÍA 3.1 MATRIZ EXPERIMENTAL Para realizar los experimentos de una manera adecuada, es importante tener un plan concreto de acción que nos permita derivar los resultados más relevantes de las pruebas con el menor grado de ruido posible. Es por esto que se dividió el proceso experimental en 3 etapas:

• Tarado del sistema • Medición de sensibilidad • Pruebas de campo

En el tarado del sistema se plantea realizar medición del sistema sin carga. Primero pesando los crisoles sin contenido alguno. Luego se mide el peso agregado de las cenizas de los filtros sin aceite quemados dentro del crisol en la mufla a 700ºC, después de eso pasan a un proceso de enfriamiento en un desecador durante 1 hora para que pierdan toda humedad y se vuelven a pesar. Luego se repite el proceso de prueba para una muestra de filtros con aceite sin contaminar; se toman 100 mL de aceite SAE 20W-50, se calienta el vaso de precipitados a 100 ºC, se pasa el aceite por el sistema y se esperan 5 minutos hasta que toda la muestra de aceite llegue al fondo de la probeta o sea absorbida por los filtros (cada filtro tiene la capacidad de absorber 12 mg/cm2 de aceite )5. Luego se retiran los aros de la probeta y los filtros de los aros y se ponen dentro de los crisoles, los cuales luego son llevados al punto de llama del aceite al exponerlos a la llama indirecta del mechero bunsen dentro de la cámara de absorción de gases. Cuando el aceite se quema y solo queda ceniza en el crisol se lleva a la mufla precalentada a 700ºC.

25

Fotografía 6: Paso 1, Recolección de muestra

Fotografía 7: Paso 2, Calentamiento de muestra

26

Fotografía 8: Paso 3, filtrado

Fotografía 9: Paso 4, llevar a punto de llama

27

Fotografía 10: Paso 5, someter a la mufla

Fotografía 11: Paso 7, medición

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Para el proceso de medición de sensibilidad hay varias pruebas. La primera consiste en evaluar que tan eficientemente el sistema absorbe y mide el peso de los tres diferentes contaminantes. Los cuales se simularon como pequeñas muestras de 15 mL de aceite con un peso conocido de polvo, hollín y metal que se añadían a la mezcla con 85 mL de aceite puro. Para contaminar con polvo la muestra de 15 mL se tomó un vidrio limpio de 10 x 10 cm y se expuso a un ambiente contaminado de polvo durante 2 días. Durante este tiempo se recolecta una cantidad suficiente de contaminante que luego es removido con una espátula humedecida con aceite para mayor adherencia y luego se pone sobre la báscula en el envase que había sido pesado con anterioridad y se mide la diferencia. Un proceso similar se hizo con el hollín, pero sobre un vidrio de la misma área se puso la acción directa de una llama amarilla, la cual fue dejando a su paso residuos de carbón. Fotografía 12: Recolección y contaminación deliberada de muestras

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Para recolectar el metal fue necesario tomar la viruta de desperdicio de un esmeril donde se había trabajado acero en un vaso de precipitados y luego se pasó la muestra por un tamiz donde solo partículas con un tamaño inferior a 50 µm podían pasar, luego se sometió a un desecamiento el vaso de precipitados con una mezcla de agua y metal en un horno a 120ºC durante 12 horas y se recolectó la muestra con espátula impregnada en aceite. Después de la recolección se hicieron pruebas donde se realizaba el procedimiento de filtrado y pesado con cada uno de los contaminantes por separado para medir la exactitud del sistema. La prueba final fue mezclar 3 muestras previamente medidas de 15 mL cada una y 65 mL de aceite sin contaminación, para luego realizar el experimento. Luego de la medición inicial se pasó un imán potente cerca de las muestras y se recolectó el metal trabajado, se repitió el pesado. Luego de ello se vertió ácido fluorhídrico 3 molar en los crisoles para que se deshiciera el polvo, se introdujeron los crisoles en la mufla a 400ºC para que se evaporasen todos los gases y residuos y solo quedase el hollín y la ceniza de los filtros para ser pesados finalmente cuando se secaron. Para la prueba de campo se tomó aceite directamente de la purga de un automóvil cuyo último cambio de aceite había sido hacía 20.000 Km y tan solo 5 minutos después que se apagó el motor. Se le realizó la misma prueba que al aceite con contaminantes conocidos y adicionalmente para comparación se realizó una granulometría. 3.2 RESULTADOS OBTENIDOS EN LAS PRUEBAS Para facilitar la comprensión de la matriz experimental se realizó una tabla que enuncia los resultados obtenidos para cada prueba.

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Tabla 3: Resultados obtenidos por peso luego de las pruebas Peso (g)

Filtro Vacío Solo aceite Metal Hollin Polvo Mezcla Purga

50 µm 53,0477 73,246 73,2462 73,2922 73,2562 73,298 73,2987

25 µm 56,8085 77,303 77,357 77,4657 77,4806 77,3825 77,3633

12 µm 31,2714 51,422 51,486 51,6166 51,5221 51,5236 51,5236

4 µm 17,2784 27,3022 27,3024 27,8141 27,3126 27,3135 27,4132

Pesos teóricos

Metal 0 0 0,1319 0 0 0,6024 Desconocido

Hollín 0 0 0 1,0884 0 1,0839 Desconocido

Polvo 0 0 0 0 0,3453 0,3376 Desconocido

Pesos prácticos

Metal 0 0 0,1184 0 0 0,5818 0,0351

Hollín 0 0 0 0,9154 0 0,8471 1,0391

Polvo 0 0 0 0 0,2983 0,3346 0,7705

Eficiencia (%)

Metal N/A N/A 89,76% N/A N/A 96,58% N/A

Hollín N/A N/A N/A 84,11% N/A 88,15% N/A

Polvo N/A N/A N/A N/A 86,39% 99,11% N/A

Gráfica 7: Distribución por tamaño de las partículas en la prueba

Resultados de la prueba

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

0 10 20 30 40 50 60

tamaño de particula (um)

mg

/cm

^3

metal polvo hollin

31

Gráfica 8: Comparación de distribuciones en metales

00,5

11,5

22,5

33,5

44,5

55,5

66,5

0 10 20 30 40 50 60 70

Tamaño de particula (um)

mg

/cm

^3

Metal teoría Metal prueba

Gráfica 9: Comparación de distribuciones en polvo

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 10 20 30 40 50 60 70

Tamaño de particula (um)

mg

/cm

^3

Polvo teoría Polvo prueba

32

Gráfica 10: Comparación de distribuciones en hollín

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

0 10 20 30 40 50 60 70

Tamaño de particula (um)

mg

/cm

^3

Hollin Teoría hollin prueba

Gráfica 11: Número aproximado de partículas por tamaño

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0 10 20 30 40 50 60

Tamaño de partícula (um)

Pa

rtíc

ula

s

polvo hollin suma Metal

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4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Y CONCLUSIONES Como se pudo observar en las gráficas, el sistema si detecta las partículas suspendidas en el aceite con una eficacia cercana al 90% (91.4%), que era la meta deseada. Sin embargo, las discrepancias entre las medidas teóricas y las obtenidas son significativas en el caso de las partículas de desgaste metálico y ligeramente mayores de lo esperado en el caso del polvo. Esto tiene un motivo claro: Las mediciones fueron hechas en automóviles de servicio público de los Estados Unidos, por lo tanto los motores de dichos vehículos están expuestos a más desgaste dadas sus condiciones de trabajo y uso. Adicionalmente el estado de las vías norteamericanas es mucho mejor que el de las colombianas. Por lo tanto, cabe añadir que la cantidad de polvo esperada en una vía colombiana es mayor en comparación con una estadounidense y esto se vio reflejado en los resultados de las pruebas claramente. Con respecto a los objetivos trazados al iniciar este proyecto estaba el primordial, que es hacer económicamente asequible el sistema para los recursos con los que cuenta el país. Así que se realizó la comparación de los costos de las pruebas de granulometría que se pueden realizar actualmente en el país y el método propuesto. El análisis se basó en hallar el punto de equilibrio donde la realización de las pruebas con el sistema realizado se hace económicamente impráctica (ver tabla 4). Se llegó al resultado que cada prueba vale aproximadamente $23.000, lo cual es casi la undécima parte de lo que cuesta una prueba de granulometría realizada por el Centro de Investigación de Ingeniería Ambiental, que son $250.000. Por lo tanto el punto de equilibrio está en 9 pruebas.

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Tabla 4: Costo de materiales por cada 100 pruebas Material Costo

Balanza $ 360.000

Mufla $ 1.500.000

Filtro 50 um x 100 $ 67.000

Filtro 25 um x 100 $ 85.000

Filtro 12 um x 100 $ 36.000

Filtro 4 um x 100 $ 15.800

Probeta $ 27.000

Crisoles x4 $ 44.000

Vaso de precipitados $ 12.000

Termocupla $ 50.000

Silicona RTV $ 1.000

Plastilina x50 barras $ 60.000

TOTAL $ 2.257.800

Finalmente se puede deducir que con un costo reducido y un sacrificio mínimo en exactitud, es posible implementar un sistema de caracterización de partículas que sirva efectivamente como método de análisis de lubricación para ser implementado masivamente en la industria.

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BIBLIOGRAFÍA

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