CAPÍTULO IV

LUBRICANTES

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PRINCIPIOS BÁSICOS DE LUBRICACIÓN Y LUBRICANTES

FRICCIÓN SÓLIDA

Se puede definir la fricción como la resistencia quese encuentra cuando dos cuerpos se deslizan o tienden adeslizarse uno contra otro y si los cuerpos son rígidos, sellama fricción sólidao de deslizamiento.Fricciones estáticasy cinéticas sonaquellas impuestas,respectivamente, porun cuerpo en reposo yen mo- vimiento. Lafricción tambiénexiste en otrasformas y todas puedenmedirse ydeterminarse.

Causas de friccióndeslizante

La fricción deslizante tiene su origen en dos vastas ydiferentes fuentes. La más obvia es la aspereza de lasuperficie. Ninguna superficie, aún pulida, essuficientemente lisa. Aunque la maquinaria moderna es capazde producir acabados que se aproximan a la perfección,exis- ten, inevitablemente, irregulari- dadesmicroscópicas. Fig.1.

Las diminutas protuberancias en una superficie sellaman asperezas y cuando dos sólidos rozan entre sí, lainterferencia entre asperezas opuestas ofrecen una granresistencia al movimiento y ocasionan un considerabledesgaste, especialmente si las superficies son ásperas. Laotra causa de la fricción deslizante es la tendencia de lasáreas más planas de las superficies opuestas, a soldarse

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La fricción de una caja deslizante es igual a la fuerza requerida para vencerla.Gentileza Esso Standard Oil Co. Chile S.A.C.

Fig. 1: Deslizamiento sin lubricante.Gentileza Copec Mobil Ltda.

bajo severas condiciones deslizantes. La rotura de lospequeños enlaces así creados, es responsable de mucha de lafricción que puede ocurrir entre las piezas de lasmáquinas. Es más, en superficies finamente pulidas estasminúsculas soldaduras constituyen la fuente potencial demayor resistencia friccional.

Factores que influyen en la fricción

Para los cuerpos rígidos en contacto directo, lafricción estática es mayor que la fricción cinética. Unavez que un cuerpo esta en movimiento con respecto al cuerpoopuesto, la fricción entre ellos se considera constante apesar de la velocidad. La fricción deslizante varia solocon la fuerza que presiona las dos superficies para unirlasy es directamente proporcional a esta fuerza. La fricciónsólida se considera independiente del área de contacto.

Efectos de la fricción

En cierto modo es una suerte que exista la fricción.Sin fricción, caminar sería imposible y un auto o un frenoo una piedra de amolar resultarían inútiles. Por otraparte, casi todos los mecanismos traen consigo eldeslizamiento de una parte contra otra. En este caso lafricción es bastante indeseable. Se requiere trabajo paravencer la fricción y la energía así gastada supone unapérdida de potencia y eficiencia.

Cada vez que se vence la fricción la dislocación delas partículas de la superficie genera calor, y lastemperaturas excesivas desarrolladas en esta forma, puedenfácilmente ser destructivas. El calor friccional es el queenciende un fósforo y el que quema los cojinetes de unmotor.

Además, donde hay fricción sólida, hay desgaste: unapérdida de material debido a la cortante acción de lasasperezas opuestas y al quebrantamiento de infinitesimalessuperficies soldadas. En caso de extremas, por otra parte,la soldadura puede a su vez causar el agarre de las partesmóviles. Si un aro, un diente de engranaje o una chumaceraintervienen, los perjudiciales efectos de la fricciónapenas necesitan comentarios.

Rodamiento

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Cuando una esfera rueda sobre una superficie, Fig. 2tanto la esfera como la superficie se deforman y ofrecenuna superficie de contacto sumamente reducida, pero tantomayor, cuanto mayor sea la carga que actúa sobre la esfera,por lo que la resistencia al movimiento, o sea el roce ofricción se ve afectado y así, bajo ciertas condiciones, sino existe lubricación, ocurrirá un desastre apreciable.

REDUCCIÓN DE LA FRICCIÓN

Uno de los problemas de los ingenieros es controlar lafricción – incrementar la fricción donde la fricción serequiere y reducirla donde no es conveniente.

Deslizamiento con lubricante

Si las superficies están separadas por una película deaceite, los picos o crestas no se tocan entre sí y se evitaen gran parte la fricción y el desgaste. Sin embargo,

siempre existe cierta fricción ocasionada por laresistencia del mismo fluido a ser cortado y que llamamosfricción fluida. Fig. 3.

Hace tiempo que se reconoce que si dos cuerposdeslizantes son separados por un líquido – o una espacie depelícula líquida – la fricción entre ellos se disminuyeconsiderablemente. Una barcaza puede ser remolcada a travésde un canal mucho más fácilmente de lo que puede serarrastrada sobre tierra. Fig. 4.

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Fig. 3: Fricción fluida.Gentileza Copec Mobil Ltda.

Fig. 2: Rodamiento.Gentileza Copec Mobil Ltda.

Lubricación

Se conoce como lubricación el principio de soportaruna carga deslizante sobre una película de fricciónreducida. La sustancia de la cual la película estacompuesta, es un lubricante, y aplicarlo es lubricar. Estosconceptos no son nuevos – ni tampoco, en lo fundamental,particularmente complicados. Los campesinos lubricaban losejes de sus carretas de bueyes con grasa animal siglosatrás.

Pero la maquinaria moderna se ha vuelto mucho máscomplicada desde los tiempos de las carretas de bueyes ylas demandas sobre los lubricantes se han vueltoproporcionalmente más exigentes. Aún cuando el principiobásico continua prevaleciendo – la prevención de contactode metal a metal por medio de una capa intermedia dematerial fluido o a manera de fluido –la lubricaciónmoderna se ha convertido en un complejo estudio.

¿QUÉ ELEMENTOS DE MÁQUINA SE LUBRICAN?

Tipos de elementos

Por complicada que aparezca una máquina, únicamentenecesitaran lubricarse tres elementos y estos son:

a) Cojinetes; de varios tipos tales como: cojinetes sencillos,rodamientos, guías, levas correderas, etc.

b) Engranajes; rectos, helicoidales, de sinfín, etc., quepueden estar descubiertos o encerrados en cajas herméticas.

c) Cilindros; como los que se encuentran en compresores, todaclase de motores a émbolo, bombas, etc.

Tipos de movimientos

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Fig. 4Gentileza Copec Mobil Ltda.

En general todos los elementos de una maquinaria,tienen piezas conformadas o ajustadas, que se mueven unacon respecto a la otra por uno o una combinación de lossiguientes movimientos:

Deslizamiento Rodadura Aproximación y retrocesoLUBRICANTES

Los lubricantes realizan una serie de funciones. Amedida que la tecnología ha ido avanzando, las maquinariashan requerido lubricantes con mejores características. Enun principio, se utilizaron los aceites minerales solos,luego fue necesario agregar otros compuestos para lograr unbuen desempeño (estos son los aditivos). En algunos casosespecíficos, no se conseguían buenos resultados con lasmezclas antes indicadas por lo que fue necesario utilizarotros fluidos para reemplazar los aceites minerales (estosson los lubricantes sintéticos).

Funciones de los lubricantes

Un lubricante es un medio de separación de dos partesque se mueven una con respecto a otra sometidas arozamiento. Sus funciones son:

1. Lubricar: Mantener una película lubricante entre las partesmóviles del motor, con el objeto de prevenir el contactometal-metal. Esta película reduce la fricción producida yevita el desgaste, el cual potencialmente conduce a unafalla.

2. Refrigerar: El lubricante también debe refrigerar loscomponentes críticos del motor que están sometidos a altastemperaturas.

3. Mantener la limpieza: Debe mantener el motor limpio bajocualquier condición de operación.

4. Proteger contra la corrosión: Debe proteger las superficiesmetálicas de la herrumbre y la corrosión.

5. Estabilidad térmica: El lubricante se debe mantener estable aaltas temperaturas, de otra manera la descomposiciónquímica, la cual a menudo va asociada con un indeseableespesamiento del aceite y la formación de depósitos

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perjudiciales, puede dar como resultado un significativodeterioro de algunas características de la performance delaceite.

6. Buena fluidez a bajas temperaturas: El aceite debe lubricar sobreel rango total de temperaturas de operación, combinando unabuena performance en las partidas en frío y distribucióndel aceite con los requerimientos de protección a altastemperaturas de operación.

7. Sellar: Debe contribuir al efecto de sellado de los anillosde los pistones.

8. Estabilidad en el tiempo: Debe mantener su efectividad porperiodos cada vez más prolongados, aún bajo las másvariadas condiciones climáticas y de operación.

Existen lubricantes sólidos, pastosos, líquidos ygaseosos. La elección se rige por los detallesconstructivos, por el par de metales y por lassolicitaciones de los puntos de rozamiento.

Otro tipo de lubricante que se utiliza en formarelativamente amplia son las grasas.

Todos los líquidos, en cierto modo, facilitan lalubricación pero algunos lo hacen mucho mejor que otros. Ladiferencia entre un material lubricante y otro es, confrecuencia, la diferencia entre el éxito con que se operauna máquina o su fracaso. El mercurio, por ej., carece deadhesión o de las propiedades de mojar el metal,propiedades estas que son deseables para conservar unlubricante en contacto intimo con la superficie del metalque este debe proteger.

El alcohol, por otra parte, a pesar de que moja lasuperficie del metal rápidamente, es demasiado delgado paramantener una película lubricante de adecuado espesor, enaplicaciones convencionales. El gas, otro fluido, ofreceposibilidades lubricantes – de hecho el aire comprimido hasido usado como lubricante para propósitos muy especiales.Pero ninguno de estos fluidos pueden ser consideradoslubricantes prácticos para la multitud de requerimientosque ordinariamente se solicitan.

Tipos de películas lubricantes

Podemos clasificar las películas lubricantes en:

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a) Las películas fluidas son la forma más deseable delubricar ya que durante la operación normal, las películaslubricantes son lo suficientemente gruesas como paramantener completamente separadas las superficies quereciben la carga. De esta manera la fricción y el desgastese disminuyen a un mínimo.

b) Las películas delgadas son como su nombre lo indicacapas de un grosor muy pequeño. Estos tipos de películaslubricantes se encuentran en muchos casos ya que para teneruna película fluida se necesita un suministro continuo ycopioso de lubricante, lo que normalmente no es ni posibleni practico.

c) Películas sólidas. En algunas aplicaciones no es posibleutilizar ni aceites ni grasas debido a problemas deaplicación, de sellado u otros factores o condicionesambientales. En estos casos se utilizan películas desólidos tales como disulfuro de molibdeno, grafito, teflón.En algunos casos como en algunos descansos plásticos, estoselementos lubricantes sólidos están incorporados en elplástico. Durante la operación, algo del lubricante sólidoes transferido para formar una película lubricante en lasuperficie de contacto.

Aceites lubricantes

En casi todos los casos, se ha encontrado que losproductos de petróleo sobresalen como lubricante. Loslubricantes de petróleo poseen, en alto grado, la facultadde mojar los metales y a su vez el cuerpo que una fuertepelícula requiere. Estos aceites tienen muchas propiedadesadicionales que son esenciales en la lubricación moderna.

Es más, casi todas estas propiedades pueden sermodificadas durante su lubricación, para producir ellubricante adecuado para cada una de sus amplias y variadasaplicaciones. Estos aceites han sido desarrollados mano amano con la moderna maquinaria que ellos lubrican;verdaderamente la eficiencia y quizás la existencia demuchas industrias actuales y las facilidades de transporte,dependen tanto de los lubricantes de petróleo como de loscombustibles de petróleo. El lubricante básico de petróleoes aceite lubricante, al cual con frecuencia, nos referimoscomo “aceite” simplemente. En la mayoría de los casos sonhidrocarburos provenientes del petróleo, pero algunas vecesse utiliza otro tipo de compuestos tales como hidrocarburossintéticos, poliglicoles, siliconas, ésteres, etc. Esta

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mezcla compleja de moléculas de hidrocarburo representa unade las importantes clasificaciones de productos derivadosde la refinación de aceites del petróleo crudo y estafácilmente disponible en una gran variedad de tipos ygrados.

De acuerdo con lo anterior podemos clasificar losaceites básicos en dos tipos:

Aceites minerales: · Monogrados· Multigrados

Sintéticos (de por sí son multigrados) Características de los lubricantes

Existe una amplia gama de ensayos químicos y físicosque pueden utilizarse para caracterizar a un lubricante. Lacalidad o el desempeño de un lubricante no puede seradecuadamente descrito basándose en solamente estosensayos. Para conocer la calidad en el desempeño de unlubricante, se deben utilizar las pruebas de desempeño enaparatos de laboratorios o en las mismas máquinas en que seutilizará el aceite, pero en ensayos estrictamente normadospor los fabricantes de los motores o maquinarias o porinstituciones como la ASTM. Sin embargo, los ensayosfísicos y químicos son de considerable valor para mantenerla uniformidad de los productos durante su manufactura ypara determinar los cambios que pudieran ocurrir en losaceites usados.

No cabe duda que la característica más importante deun lubricante es la viscosidad, pero también existen otrasde importancia como son: residuo de carbón, color, densidadrelativa, punto de inflamación, punto de escurrimiento,número de base total, cenizas sulfatadas y otras, lascuales se analizarán en otro capítulo (capítulo V).

Viscosidad

Para comprenderde que forma elaceite penetra enun cojinete yrecoge y transportala carga delcojinete, serequiere unaexplicación sobre

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Los líquidos de alta viscosidad fluyen más despacio que los líquidos de baja viscosidad.Gentileza Esso Standard Oil Co. Chile S.A.C.

viscosidad. Cuando se trata de aceites lubricantes, laviscosidad es una de las propiedades más fundamentales ygran parte de la historia de la lubricación esta basada enella.

La viscosidad de un líquido es su resistencia a fluir.Los líquidos espesos como las melazas tienen re-lativamente alta viscosidad; no fluyen fácilmente. Los lí-quidos más delgados, como el agua, fluyen muy fácil- mentey tienen viscosidades más bajas. Los aceites lubri- cantesestán disponibles en una amplia variedad de viscosidades.

Efectos de la temperatura

La viscosidad de un líquido determinado no esconstante, pues varía con la temperatura. A medida que unaceite se calienta, su viscosidad desciende y se vuelve másdelgado. Contrariamente, un aceite se vuelve más espeso sisu temperatura se reduce y no fluirá tan rápidamente.

Por eso, cuando uno se refiere a la viscosidad de unfluido con un número, este número no significa nada a menosque se acompañe de la temperatura a que se sometió. Deigual modo, un aceite que es más pesado que otro, debe sermás pesado a cualquier temperatura a la que ambos seevalúen.

FORMAS DE LUBRICACIÓN

Lubricación hidrodinámica o fluida

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Los líquidos de alta viscosidad fluyen más despacio que los líquidos de baja viscosidad.Gentileza Esso Standard Oil Co. Chile S.A.C.

El aceite es más espeso a bajas temperaturas y más delgado a altas temperaturas.Gentileza Esso Standard Oil Co. Chile S.A.C.

Como ya se dijo antes, implica una alimentaciónconstante de lubricante para mantener las superficiesseparadas. Esto se logra según el caso, mediante cualquierade las dos formas siguientes:

Cuña de aceite

En algunos casos,cuando la velocidadrelativa de las dossuperficies esconsiderable seproduce una acciónllamada de cuña deaceite la cual actúaevitando el contactometálico. Parailustrar esta acción,imaginemos el dispositivo mostrado en la fig. 5, en la cual

se representa un cojinete para carga axial. La películafluida de lubricante se forma por la acción misma demovimiento que la superficie superior tiene y que tiende allevar a las capas de aceites que están en contacto conella a igual velocidad. Al mismo tiempo, las capas deaceite que están en contacto con la superficie estacionariainferior tienden a permanecer estáticas junto con ella, esasí que las capas intermedias adquieren mayor velocidad amedida que se acercan a la superficie en movimiento.Debido a la forma convergente del cojinete estacionarioresulta que las capas tienden a comprimir al final delplano inclinado, produciendo una fuerza normal a lassuperficies que las mantiene separadas evitando el contactometálico.

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Fig. 5Gentileza Copec Mobil Ltda.

Fig. 6Gentileza Copec Mobil Ltda.

Naturalmente esto sólo es posible cuando el mecanismoestá en movimiento y es tanto mayor la separación cuantomayor es también la velocidad relativa. Igual cosa sucedeen el caso de cojinetes, como en el caso mostrado en lafig. 6. Como ejemplo de este tipo de lubricación tenemoslos cojinetes lubricados mediante anillo, a circulación, abaño, etc.

Aceite a presión

Existen muchos casos en que el movimiento relativo delas superficies es tan lento, que no existe la posibilidadde formación de cuña de aceite (Fig. 7), siendo necesarioentonces suministrar aceite a presión mediante una bomba,para mantener la película fluida y evitar el contactometálico.

Un caso muy común es el de la lubricación de lospernos que unen la biela con el émbolo de todas lasmáquinas en movimiento alternativo en las que su movimientoes reversible en carga y en dirección de rotación (Fig. 8).En estos casos es necesario alimentar lubricante a presión,precisamente por la zona en donde la presión es mínima, deesta manera, debido a que el cambio de dirección en lacarga es instantáneo, la película fluida existente apresión no alcanza a ser exprimida por la acción de lacarga cuando ésta ya cesó, cambiando de dirección hacia el

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Fig. 8Gentileza Copec Mobil Ltda.

Fig. 7Gentileza Copec Mobil Ltda.

huelgo que fue nuevamente llenado con lubricante a presión.Además de esta acción principal, también ayuda una ciertaformación de cuña de aceite que tiende a formarse con elmovimiento también reversible. Otra aplicación muy común esaquella que se utiliza para levantar el eje de molinossumamente pesados, en los momentos de iniciar y detener sumarcha, pues de otro modo habría un considerable desgasteen estos momentos por las razones antes mencionadas.

Lubricación marginal o en la capa límite

En ocasiones, todos los factores que hacen lalubricación hidrodinámica posible no siempre estánpresentes. Algunas veces las velocidades de las chumacerasson tan lentas o las presiones tan grandes, que hasta losaceites pesados no pueden evitar el contacto de metal conmetal o un aceite suficientemente pesado para resistirciertas cargas de impacto, puede ser innecesariamentepesado para soportar cargas normales. En otros casos laoperación de “arranca y para” o los cambios de dirección,causan la rotura de la película que debe haberseestablecido. La lubricación de ciertos engranajespesadamente cargados – por las pequeñas áreas de contactodel diente y la acción combinada de deslizamiento yrodamiento de los dientes – no puede ser satisfecha por lasprecauciones ordinarias de la viscosidad. Puesto que lasvarias condiciones descritas aquí no conducen a lalubricación hidrodinámica, debe hacérceles frente conlubricación marginal, un método que es efectivo en ausenciade película líquida completa.

Aditivos para cargas más pesadas

No es difícil apreciar que hay diferentes grados deseveridad en los que la lubricación marginal prevalece.Algunos son solamente moderados, otros extremos. Lascondiciones marginales son satisfechas por una variedad delubricantes especiales, con propiedades correspondientes ala severidad de las aplicaciones particulares a que sondestinados. Estas propiedades son derivadas de variosaditivos contenidos en el aceite, algunos por sí solos yotros en combinación con otros aditivos. Su efecto esaumentar la capacidad del aceite para soportar cargas.

Donde las cargas son solo moderadamente severas, esaplicable un aditivo de la clase conocida por agentesaceitosos o aditivos fortalecedores de la película. Loslubricantes de engranajes de tornillos sinfín y los de las

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herramientas neumáticas son a menudo fortificados conproductos de esta clase. Pero para piezas más pesadamentecargadas se requiere una clase de aditivos más potentes.Los aditivos de esta última clase son llamados agentes deextrema presión.

Agentes oleaginosos

La razón de referirnos a los agentes oleaginosos comoaditivos fortalecedores de la película, es que ellosaumentan la resistencia de la película para romperse. Estosaditivos son usualmente aceites de origen animal o vegetalque tienen ciertas características polares. Una moléculapolar del tipo oleaginoso tiene una fuerte afinidad porambos, por el aceite de petróleo y por las superficies demetal con quien éste entra en contacto. Tal molécula no esfácilmente desalojada, aún por cargas pesadas. En acciónestas moléculas parece que se adhieren por sus extremos alas superficies de deslizamiento. Aquí ellas se colocan energuida alineación, como las pelusas de una franela oalfombra, uniendo o conectando una diminuta capa de aceiteal metal. Tal ordenamiento sirve como amortiguador entrelas piezas o partes móviles de manera que las superficies,a pesar de que están juntas, no llegan en realidad atocarse una con otra. Para modernas condiciones marginales,el daño de las partes deslizantes puede ser efectivamenteevitado de este modo.

Lubricidad (aceitosidad)

Lubricidad es otro término para oleaginosidad y ambosse aplican a una propiedad del aceite que no tiene ningunarelación con la viscosidad. La oleaginosidad y laaceitosidad solamente se manifiestan bajo condiciones delubricación marginal, cuando ellas reducen la fricciónevitando la rotura de la película. Bajo condiciones delubricación hidrodinámica, la oleaginosidad o aceitosidad,no sufren efecto.

Condiciones extremas (EP: extrema presión)

En condiciones de extrema presión, el aceite y lapelícula en la capa límite pueden romperse o perforarse porlas rugosidades superficiales, permitiendo el contactometal a metal. Las temperaturas elevadas producidos en lospuntos de contacto dan lugar a la fusión y soldadura de losmetales, con el consiguiente daño de las superficies del

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cojinete. En los cojinetes lisos o chumaceras se emplean,hasta donde es practicable, metales de relativamente bajopunto de fusión, de manera que si falla la lubricación seestropee el cojinete y no el eje. En el caso de engranajes,etc., donde las superficies del cojinete son del mismometal, se disminuyen al mínimo los daños de las superficiespor soldadura en condiciones de carga elevada y bajasrevoluciones, añadiendo aditivos E.P. al aceite. Estoscompuestos suelen contener uno o más elementos activos,tales como azufre, cloro o fósforo, que se combinan con lassuperficies metálicas en las “zonas calientes” para darpelículas del derivado metálico muy adherentes, perofácilmente cizallabais, que evitan el agarrotamiento y eldeterioro de las superficies.

Lubricación marginal múltiple

Algunas operaciones cubren no una sino una escala decondiciones marginales. De estas condiciones la más severapuede requerir un aceite con un agente químico activo queno funcione en servicio marginal ligero. Las temperaturaslocales, aunque sean altas, pude que no lo sean en gradosuficiente para ciertas reacciones químicas. Para cubrirciertos requerimientos de lubricación múltiple, por lotanto, es algunas veces necesario incluir más de unaditivo: Uno para el servicio más severo y otro para elservicio menos severo.

Efectos incidentales de los agentes EP

Lógicamente se nos presenta la pregunta con respectoa por que todos los agentes lubricantes no se formulan conaditivos EP. La razón básica es que esta formulaciónusualmente es innecesaria; no hay justificación para ungasto adicional de mezcla. También es cierto, sin embargo,que algunos materiales polares pueden aumentar laemulsionabilidad del aceite, haciéndolo indeseable paraaplicaciones que requieran una rápida separación del agua ydel aceite. Algunos de los más potentes aditivos EP tienenademás la tendencia a reaccionar con ciertos metalesestructurales, una característica que puede limitar susaplicaciones.

Lubricación del movimiento intermitente oscilatorio

Un caso especial de lubricación marginal ocurre enconexión del movimiento intermitente oscilatorio. Debe

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recordarse que una acción lenta o reciprocante esdestructiva para la película líquida completa. A no ser quese tomen las medidas correctivas, el resultado es contactode metal a metal, y la fricción es sólida más bien quelíquida. Debe también recordarse que la fricción estáticasólida es mayor que la fricción cinética sólida – esearrastre friccional disminuye después que la pieza ha sidopuesta en movimiento.

Los carros de las máquinas a veces se mueven avelocidades muy lentas. Cuando se les aplica la fuerzamotriz, hay que vencer la fricción estática primero,después de lo cual el carro, encontrando la más bajafricción cinética puede saltar hacia delante. Entonces elcarro puede detenerse por la ligera residencia inherente entoda máquina, permaneciendo en descanso hasta que elmecanismo impulsor traiga otra vez suficiente fuerza paramoverlo. La continuación de ese progreso interrumpido seconoce por el movimiento intermitente oscilatorio y hacedifícil o imposible que una máquina haga un trabajo precisosobre una pieza bajo estas circunstancias.

Para evitar esta acción intermitente, lascaracterísticas del lubricante deben ser tales que lafricción cinética sea mayor que la fricción estática. Estaes la situación inversa de la ordinariamente asociada conla fricción sólida. Con un lubricante para guías, compuestocon agentes de oleaginosidad especial, la resistencia esmayor cuando la pieza está en movimiento. Así se evita queel carro salte hacia delante para disipar fuerza propulsoray se logra que avance suavemente por todo su recorrido.Lubricación a película delgada

Como ya se explicó anteriormente, es una película deespesor muy delgado y que puede llegar a tener entre 0,0002y 0,0005 mm, siendo esto suficiente para proteger en formaapreciable las superficies que cubren (Fig. 9).Naturalmente en este tipo de lubricación siempre existealgo de rozamiento y por lo tanto desgaste, pero no

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Fig. 9Gentileza Copec Mobil Ltda.

obstante, su uso es muy vasto y práctico por razones dediseño, carga, velocidad, etc., siendo de gran importanciasu bajo costo de operación e instalación. Como ejemplo deeste tipo de lubricación, podemos mencionar el de copagotera, copa grasera, por mecha, lubricador mecánico, etc.También pude llamarse a este sistema de lubricación a todapérdida, debido a que el aceite alimentado no vuelve ausarse.

Lubricación con grasa

Existen muchas situaciones en las cuales lalubricación puede ser realizada más ventajosamente congrasa que con aceite. La mayor parte de las grasaslubricantes consisten en aceites de petróleo espesados conjabones especiales, que les dan una especial habilidad demantenerse en su lugar. Las grasas se usan a menudo, por lotanto, en aplicaciones para las cuales no es practicoproveer un continuo suministro de aceite.

A pesar de que las propiedades retenedoras de la grasa– también la resistencia al calor, al agua, a las cargasextremas y a otras condiciones adversas – dependenprincipalmente de la proporción y tipo de jabón, lascaracterísticas friccionales en sí dependen casiexclusivamente del contenido del aceite. La viscosidad delaceite-base es un factor determinante de la grasa paraproducir una adecuada película lubricante.

FRICCIÓN FLUIDA

Se ha señalado que la viscosidad – una propiedad queen mayor o menor grado poseen todos los líquidos – jueganun papel esencial en la lubricación hidrodinámica. Labendición es mixta sin embargo, porque la viscosidad en síes una fuente de fricción, (fricción líquida). La fricciónlíquida ordinariamente es solo un porcentaje mínimo de lafricción sólida, que ocurre en ausencia de la lubricación yno causa desgaste. No obstante, la fricción líquida generacierta cantidad de calor y resistencia al avance y debe serlimitada al mínimo.

Flujo laminar

Cuando dos superficies deslizantes están separadas poruna película lubricante de aceite, el aceite fluye. Lascondiciones son casi siempre tales que el flujo se dice quees laminar, esto es, que no hay turbulencia. Puede asumirse

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que la película está compuesta de capas extremadamentefinas, moviéndose cada una en la misma dirección, pero adiferente velocidad, como se muestra en la fig. 10.

Bajo estas condiciones, la capa en contacto con elcuerpo fijo está como si no tuviera movimiento.Similarmente,la capaadyacente alcuerpo enmovimiento,viaja a lavelocidad delcuerpo enmovimiento.Las capasintermedias semueven avelocidadesproporcionalesa su distanciaal cuerpofijo, la capa intermedia de la película moviéndose a lamitad de la velocidad del cuerpo en movimiento. Esta esaproximadamente la velocidad promedio de la película.

Esfuerzo cortante

Como las capas viajan a diferentes velocidades, cadalamina debe deslizarse encima de la otra y para hacerlo serequiere cierta fuerza. La resistencia de esta fuerza esconocida como fuerza cortante y el efecto acumulativo deéste, es la fricción líquida. Puesto que la viscosidad esdefinida en términos de esfuerzo constante, esabsolutamente evidente que la viscosidad y el esfuerzocortante están íntimamente asociados.

Efecto de la velocidad y del área del cojinete

En un cojinete, sin embargo, hay dos factoresadicionales que afectan la fricción fluida, ambos dependendel diseño de la máquina. Uno es la velocidad relativa delas superficies deslizantes y otro su área efectiva. Alcontrario de la fricción sólida que es independiente deestos factores, la fricción líquida se aumenta por grandesvelocidades o áreas de contacto potencial.

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La fricción líquida del cojinete es la resistencia impuesta por una capa de aceite deslizándose sobre otraGentileza Esso Standard Oil Co. Chile S.A.C.

Fig. 10

También, lo contrario de la fricción sólida, lafricción líquida no se afecta por la carga. Si los demásfactores no cambian, una carga más pesada, a pesar de quepuede reducir el grosor de la película, no afecta lafricción líquida.

EFICIENCIA DE LOS COJINETES

Lubricación parcial

Bajo condiciones extremas, puede que no exista unapelícula líquida. Una película inadecuadamente delgada,puede ser el resultado de una viscosidad insuficiente, unavelocidad de la chumacera demasiado lenta para proveer lapresión hidrodinámica necesaria o un cojinete de áreademasiado restringida para soportar la carga.

El efecto es producir alta fricción del cojinete – eneste caso una combinación de fricción líquida y sólida,dependiendo la proporción de severidad de la situación. Elarranque de una chumacera, es ejemplo de una condiciónfriccional potencialmente alta a causa de una película delubricante inadecuada. En un cojinete, por tanto, lafricción debida a los variables grados de contacto de metalcon metal en la ausencia de una película líquida completa,está también relacionada con la viscosidad, velocidad yárea. La diferencia importante es que, bajo condiciones delubricación parcial como se dice generalmente, la fricciónvaria inversamente a estos tres factores.

Fricción total de los cojinetes

Es posible en cualquier caso relacionar de esta maneratoda la fricción de los cojinetes, sin considerar lascondiciones de lubricación a la viscosidad del aceitevelocidad y área de fricción. Esta situación matemática seexpresa con la fórmula:

(1) F = ZNA, donde: F es la resistencia friccional impuesta por el cojinete.Z es la viscosidad del aceite.N es la velocidad de la chumacera.A es el área de fricción.

Coeficiente de fricción

Se acostumbra a expresar las característicasfriccionales de una situación en términos de coeficiente de

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fricción, mejor que la fricción en sí. El coeficiente defricción es más ampliamente aplicable. Es fricciónunitaria, la fricción real dividida por la fuerza (o carga)que presiona juntando las dos superficies deslizantes. Porconsiguiente, si ambos lados de la ecuación (1) sondivididos por la carga L:

(2) F/L = ZNA/L

Aquí F/L es coeficiente de fricción y se representapor el símbolo . También A/L es el reciproco de lapresión; o A/L = 1/P, donde P es la presión, la fuerza porunidad de área que el cojinete ejerce sobre el aceite. Porsustitución, la ecuación (2) puede por tanto serrepresentada por:(3) = ZN/P

Curva ZN/P

La ecuación (3) indica solamente que la relaciónexiste; no define la relación. La definición es llevada acabo por la curva de la fig. 11. Esta curva ZN/P ilustra eltípico comportamiento de los cojinetes bajo condicionesvariables de operación. Las características de una curvaespecífica dependerían del cojinete a que ha sido aplicada.La porción izquierda de la curva ZN/P corresponde a laregión de lubricación parcial donde la fricción sólida secombina con la fricciónfluida para producirgeneralmente altosvalores friccionales. Laarrancada de unachumacera debería estarrepresentada por lasituación de extremaizquierda donde lafricción esprimariamente sólida ymuy alta.

A medida que lavelocidad aumenta, elcrecimiento de lapelícula fluida reducela fricción del cojinete. Correspondientemente, lasvelocidades mayores aumentan el valor del parámetro ZN/P,llevando las condiciones de operación a un punto de lacurva más hacia la derecha. Un resultado similar puede ser

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Fig. 11Funcionamiento del

cojineteGentileza Esso Standard Oil Co. Chile S.A.C.

alcanzado por el uso de un aceite más pesado o porreducción de presión. La presión podría ser reducidaaligerando la carga o aumentando el área del cojinete.

Si estos factores se siguen modificando de nuevo paraaumentar el valor del parámetro, el punto de operacióncontinua a la derecha, alcanzando la zona de perfectalubricación. Esta en un área en la cual una película fluidaes establecida y el contacto de metal a metal escompletamente eliminado. Más allá de esa región, losaumentos adicionales en viscosidad, velocidad o área delcojinete, invierten la tendencia anterior. La mayorfricción de fluidos que ello impone lleva nuevamente laposición operante a la región de alta unidad de fricción –ahora sobre la porción derecha de la curva –.

Efecto de la carga de fricción fluida

Dentro de la región de lubricación por película fluidacompleta, aparecería como se ilustra en la fig. 11, que lafricción del cojinete podría reducirse aumentando el áreadel cojinete o la presión. Realmente, como se señalóanteriormente, la fricción líquida es independiente de lapresión. En cambio, la propiedad ilustrada por esta curvaes el coeficiente de fricción – no la fricción en sí –.

Considerando que el coeficiente de fricción es iguala F/L, entonces F = L, y cualquier reducción de debida amayor carga del cojinete bajo las condiciones de películafluida, es compensada por un aumento correspondiente en lacarga L. El valor actual de la fricción F del cojinete,permanece inalterado.

En la región de lubricación parcial, sin embargo, unaumento en presión obviamente trae aquí un aumento en .

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Cojinete grande para carga pesada, sin que se rompa la película lubricante

Cojinetes pequeños para pesos ligeros, sin excesiva fricción líquida

Gentileza Esso Standard Oil Co. Chile S.A.C.

Porque ambos y L son mayores, la fricción del cojinete Fes marcadamente mayor.

Factores de eficiencia

De este análisis, claramente es evidente que el tamañoapropiado del cojinete es esencial para una buenalubricación. Para una carga y velocidad dada, el cojinetedebe ser lo suficientemente grande para permitir eldesarrollo de una película fluida completa, pero no tangrande que cree una excesiva fricción líquida. El espaciolibre debe ser suficiente para prevenir que se tranque,pero no demasiado grande para permitir excesiva pérdida de

aceite del área de alta presión. La posición relativa de lacurva ZN/P para un cojinete de ajuste suelto debe ser altoy hacia la derecha, como se muestra en la fig. 12,indicando la necesidad de un aceite de viscosidadrelativamente alta con una fricción líquidacorrespondiente- mente alta.

El funcionamiento eficiente también requiere laselección de un aceite de viscosidad correcta, un aceite losuficientemente pesado para proporcionar el funcionamientode los cojinetes en el área de baja fricción de la regiónde pelicula fluida. Si se aumenta la velocidad debepreferirse un aceite más liviano; si se aumenta la carga senecesita generalmente un aceite más pesado. Además, parauna aplicación dada, un aceite más liviano debe serindicado para temperaturas ambiente más bajas, mientras unaceite más pesado es más apropiado para temperaturasambientes más altas.

Relaciones entre la temperatura y la viscosidad

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Fig. 12Gentileza Esso Standard Oil Co. Chile

S.A.C.

Hasta cierto punto, un aceite lubricante tiene lacualidad de acomodarsea las variaciones delas condiciones deoperación. Si lavelocidad se aumenta,el mayor calorfriccional reduce laviscosidad operante delaceite, haciéndolo másadecuado a las nuevascondiciones.

Similarmente unaceite de excesivaviscosidad inherente,causa mayorestemperaturas deoperación y una caídacorrespondiente deviscosidad operante.Las temperaturas yviscosidades deequilibrio, alcanzadasde esta manera son másaltas, sin embargo, quesi se ha aplicado unaceite de óptimaviscosidad. Por esto, la selección adecuada de laviscosidad no debe ser eliminada en modo alguno.

Los aceites varían, sin embargo, en la extensión enque sus viscosidades son afectadas por la temperatura. Unaceite que se adelgaza menos a altas temperaturas y que seespesa menos a bajas temperaturas se dice que tiene un I.de V. (índice de viscosidad) más alto. Para aplicacionessujetas a ambas variaciones de temperatura ambiente, debepreferirse un aceite con un I. de V. alto.

Esto es cierto en los aceites para motores que puedenencontrar en su trabajo una variación de temperaturaambiente superior a 100º F. Con un motor de automóvil, hayuna ventaja obvia en un aceite que no se vuelva pesadamentegrueso a bajas temperaturas de arranque, ni peligrosamentedelgado a altas temperaturas de operación. Por lo tanto,las buenas normas de lubricación incluyen la consideracióndel I. de V. del aceite, tanto como su viscosidadinherente.

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Con el mismo cambio de temperatura, la viscosidad del aceite “B” cambia mucho menos que la del aceite “A”Gentileza Esso Standard Oil Co. Chile S.A.C.

DESAJUSTE

A pesar de que las herramientas modernas son capacesde producir piezas con tolerancias muy pequeñas ysuperficies altamente pulidas, muchas piezas de maquinariason demasiado ásperas cuando nuevas, para mantener lascargas que ellas finalmente llevaran. El calor friccionalresultante de las asperezas iniciales de las piezas encontacto, puede ser suficiente para dañar la pieza alextremo de hacerlas inservibles. Esta es la razón por lacual una maquinaria nueva, o con piezas nuevas debe seroperada por debajo de su capacidad determinada, hasta quelas asperezas hayan sido gradualmente gastadas hasta elgrado de pulimiento requerido.

Bajo las condiciones de desajuste, lo que se hacegeneralmente es controlar la fricción por la reducción dela carga, mejor que mediante el uso de lubricantesfortalecidos con agentes soportadores de carga. Tanefectivos son estos lubricantes en evitar el desgaste, queellos pueden interferir con la creación del acabadometálico deseado.

DESGASTE

Aún con las piezas más perfectamente lubricadas, debeesperarse algún desgaste físico. Algunas veces es tanpequeño que resulta despreciable, como en el caso de loscojinetes de muchas turbinas de vapor. Las turbinas usadaspara generar energía, operan bajo cargas, velocidades ytemperaturas relativamente constantes y esta situaciónpermite la clase de lubricación más efectiva.

Muchas otras máquinas, sin embargo, operan bajocondiciones menos ideales. Si se paran y arrancanfrecuentemente, habrá interrupciones de la películalubricante – también existe siempre la posibilidad decontaminación abrasiva –. En los motores de combustióninterna, la sobrecarga, la marcha lenta sin carga y otrasvariaciones en las condiciones rutinarias de operación, nofavorecen el proceso de desgaste. Bajo estas condiciones,el uso de sistemas de lubricación adecuados, puede reducirel desgaste a un mínimo aceptable, pero no lo puedeneliminar completamente.

Desgaste v/s fricción

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Aunque el desgaste y la fricción van parejos, haysituaciones extremas en las cuales esto no es así. Aalgunos cojinetes de baja velocidad se les carga tanpesadamente, que se requiere un aceite de la más altaviscosidad para su completa lubricación. Por causa de lamayor fricción fluida, este lubricante impone más fricciónal cojinete que la que impondría un lubricante más ligero.

Por otra parte, como el lubricante ligero proporcionasolo una lubricación parcial, no puede ser consideradoadecuado desde el punto de vista de la protección de lasuperficie del metal. Deben sacrificarse algunas ventajasfriccionales, a favor de una mejoría en las característicasde desgaste. Bajo condiciones extremas de lubricación,tales como éstas, es un hecho que menos desgaste significamás fricción a pesar del concepto popular en contra.

COMO ELEGIR UN LUBRICANTE

La selección de un lubricante esta relacionada con lasfunciones que estos desarrollan. Algunas de estas funcionesestán relacionadas con protección de la acción decontaminantes para lo cual los lubricantes deben conteneraditivos para mejorar el desempeño en este campo. Sinembargo, la principal función de un lubricante en la mayorparte de los casos es proteger de la fricción. Para estocomo ya se dijo, la principal característica que debemosdeterminar es la viscosidad. Los factores que afectan laselección del lubricante, en cuanto a viscosidad son:

Velocidad

Ya hablamos anteriormente de cómo la viscosidad tiendea producir la cuña de aceite que protege los mecanismos,también se explicó la existencia de una fricción fluida quees tanto mayor cuanto mayor es la viscosidad o cuerpo dellubricante; consiguientemente, siempre que la velocidadrelativa de las superficies en movimiento sea elevada,habrá una mayor facilidad para formarse la cuña de aceite ypor lo tanto, un aceite ligero será suficiente, además deque habrá menor fricción fluida y menor pérdida depotencia. Por otra parte, cuando la velocidad es muy baja,la deficiencia en la formación de la cuña de aceite deberáser suplida mediante un aceite muy viscoso, o dicho enotras palabras, de cuerpo pesado el cual si bien no alcanzaa formar cuña de aceite, su misma viscosidad presentadificultad a ser exprimido y protegerá mejor lassuperficies.

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Generalmente, cuando un sistema trabaja con altasvelocidades, los cojinetes vienen maquinados con juegos oclaros muy pequeños, pero suficientes para que el aceiteque va a trabajar en ellos, alcance a formar una películaresistente; si estos juegos o claros fueran excesivos, noalcanzaría a formarse la cuña de aceite, pues no obstantela velocidad de las superficies, habría una pérdidaexcesiva de lubricante debido a que los fluidos tienden aseguir la trayectoria que menos resistencia ofrece,trayendo como consecuencia la fricción y el desgaste. Porel contrario, un huelgo demasiado pequeño no solamente nopermite la formación de la cuña de aceite, sino que ademásimpide la circulación de lubricante en cantidad suficientepara verificar su efecto refrigerante, trayendo comoconsecuencia el sobrecalentamiento de las partes lubricadasy la falla consiguiente de las mismas.

Normas básicas para la selección de la viscosidad

Para UseAlta VelocidadBaja VelocidadCarga ligera

Carga pesadas

Bajas temperaturasAltas temperaturas

Aceite ligeroAceite pesadoAceite ligeroAceite pesadoAceite ligeroAceite pesado

Carga

Resulta lógico que cuando existe una carga pesada quetiende a juntar dos superficies en movimiento, una mayorviscosidad del lubricante soportará mejor la acción deexprimido que esa carga pesada ejerce. Por el contrario, sise trata de un cojinete muy pequeño que lleva una carga muypequeña (por ejemplo, en un pivote de reloj), seráindispensable un aceite de muy baja viscosidad parapermitir el libre movimiento de las partes y menor pérdidade potencia por fricción fluida.

Temperatura

La temperatura influye directamente modificando laviscosidad de los aceites. Todo lubricante al ser calentadosufre un adelgazamiento o disminución de viscosidad; el

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enfriamiento obviamente produce el efecto contrario. Deacuerdo con esto, al seleccionar un lubricante deberátenerse en cuenta la temperatura ambiente o de operacióndel lugar en que va a trabajar y así, si el ambiente escaliente (por ejemplo, un extractar de gases de un horno),se deberá emplear un aceite muy viscoso, no obstante que lavelocidad sea alta y la carga ligera, pues la temperaturase encargará de dar al aceite la fluidez necesaria.Inversamente, en el caso de una parte que va a trabajar enfríos excesivos deberá lubricarse con aceites de muy bajaviscosidad no obstante que la velocidad sea relativamentebaja y la carga algo pesada, pues la temperatura seencargara de aumentar la viscosidad del lubricante yhacerlo capaz de soportar las otras condiciones de trabajo.

Naturalmente que siempre deberá haber un balance entrelos factores VELOCIDAD, CARGA Y TEMPERATURA, paradeterminar la viscosidad adecuada de cada caso enparticular.LOS LUBRICANTES EN ACCIÓN

Ya hemos discutido cómo y por qué difieren loslubricantes y en qué forma se seleccionan de acuerdo conlas diversas condiciones de carga, velocidad y temperatura.Ahora consideremos cómo las condiciones de la plantaafectan la acción o el desempeño de los lubricantes,suponiendo que éstos han sido seleccionados correctamentepara cada aplicación.

Las condiciones más comunes que debemos considerarson:

La contaminación de los lubricantes. Método de aplicación. Lugar de aplicación.

Estudiemos cada uno de estos puntos por separado parapoder establecer cuáles son las mejores condiciones quepermiten obtener el desempeño que se espera de loslubricantes de alta calidad.

Contaminación

Si se pudiera conservar en excelentes condiciones delimpieza el lubricante, éste podría permanecer trabajandoen los sistemas de lubricación por circulación, por muchotiempo; sin embargo, debido a la contaminación, esnecesario desechar la carga de aceite por ser el medio más

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sencillo y económico de eliminar los contaminantes para queno ocasionen daños. Los contaminantes por lo general, seencuentran en el medio ambiente o son introducidos a lossistemas de varias formas, siendo sus efectos en todos loscasos, sumamente dañinos.

Principales contaminantes que afectan al desempeño delos lubricantes:

1) Polvo y suciedad2) Agua3) Fluidos para el corte de metales4) Solventes.

Polvo

a) Puede tener su origen en la bodega de lubricantes cuandolas condiciones de limpieza no son muy aceptables, y sedejan los envases destapados.

b) Cuando los recipientes utilizados para vaciar ellubricante no tienen tapas y se dejan en lugares pocolimpios.

c) Cuando hay capas de polvo o de suciedades sobre laspartes de la máquina.

d) En los sistemas de dispositivos de lubricación cuando nose limpian frecuentemente.

e) En las operaciones de maquinado; por ejemplo, arenaprocedente de los moldes de fundición.

f) En el aire.

Estos contaminantes ocasionan serios daños en lamaquinaria, tales como desgaste abrasivo, formación dedepósitos que puedan intervenir con la distribucióncorrecta o que puedan acortar la vida del aceite (ya que enalgunos casos el polvo metálico acelera la oxidación).Agua

a) El agua proviene principalmente de la condensación y seforma cuando las máquinas se enfrían al terminar sutrabajo, o puede provenir de fugas de las serpentinas deenfriamiento o de las chaquetas de agua; algunas vecesdesde luego penetra a los tambores de aceite almacenadosa la intemperie y en forma incorrecta.

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b) Su efecto sobre el desempeño de los lubricantes resultaigualmente perjudicial ya que se forman emulsiones quejunto con las suciedades forman depósitos lodosos queinterfieren con la distribución correcta y,principalmente con la lubricación. Además ocasionanherrumbre y corrosión.

Fluidos para corte

Es este, otro de los contaminantes más comunes, del cual existen dos tipos: solubles y no solubles.

a) Estos líquidos generalmente contaminan al lubricante porescapes o salpiques durante la operación de lasmáquinas, o por haber quedado residuos de ellos en losrecipientes en que se vacían los lubricantes o porhaberse seleccionado equivocadamente al sacarlos de labodega.

b) En todos los casos estas contaminaciones alteran enmayor o menor grado las características del lubricante,especialmente su viscosidad y estabilidad, lo cualsignifica la aparición de problemas de calentamiento,desgaste, corrosión, herrumbre, etc.

Solventes

Los solventes representan otro tipo de contaminantebastante común. Durante la limpieza de las partes y de lasmáquinas mismas, resulta frecuente que quedan ciertosresiduos de solventes que adelgazan sumamente las películasde aceite a tal grado que pueden ocurrir desgaste. Por otraparte, también suele ocurrir contaminación o dilución,cuando se usan los mismos recipientes para vaciar ellubricante, que los que se emplean para manejar solventes,combustibles, etc.

Métodos de aplicación

Existen en la práctica varios métodos de aplicación,los cuales dependen del diseño de la máquina o parte porlubricar, de las cargas que transmiten, de su operación, desu eficiencia etc., así tenemos por ejemplo, sistemas delubricación por circulación, a baño o salpique, a mano ymediante dispositivos especiales.

Sistema de circulación

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Es un sistema muy frecuentemente usado, el cualimplica un abundante flujo de lubricante a las partes porlubricar. Generalmente está formado por una bomba que dápresión y velocidad al lubricante y a través de conductoslo aplica en los puntos necesarios de la máquina; de aquígeneralmente escurre a un depósito en donde es tomadonuevamente por la bomba para iniciar un nuevo ciclo. Enestas condiciones el aceite deberá trabajar durante largosperíodos de tiempo sin alterarse en sus características.Suponiendo que se ha elegido el aceite adecuado para elsistema, o sea, un lubricante de alta calidad, con granresistencia a la oxidación y con inhibidores contra laformación de herrumbre, etc., podríamos asegurar que durarámucho tiempo. Sin embargo, si el servicio es continuo y lastemperaturas del aceite son algo elevadas, por muy buenoque sea el lubricante llegará un momento en que éste seoxidará volviéndose más viscoso y formando lodos y lacasque evidentemente afectan al sistema, por lo tanto, deberánfijarse los períodos de tiempo adecuados para cambiar elaceite y substituirlo por nuevo, además de tener cuidado decompletar el nivel correcto constantemente para asegurar elflujo correcto de lubricante.

Aplicación a mano

Cuando se utiliza este tipo de aplicación, seconsidera que la lubricación es a película delgada la cual,como ya vimos, no es muy eficiente, además no se puedelograr una alimentación regular, continua y controlada. Porejemplo: recién aplicado el lubricante este se encuentra enabundancia y la protección es buena, pero al irse escapandopor los lados va habiendo mayor posibilidad de fricción.Por lo tanto, si la cantidad o la frecuencia de aplicaciónes inadecuada, puede ocurrir desgaste severo, un consumoexcesivo de fuerza y elevación de la temperatura de loscojinetes, los cuales pueden fallar por barrido oatascamiento, etc. (Fig. 1 3).

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Con este tipo de aplicación se han obtenido losmejores resultados aplicando frecuentemente y a intervalosde tiempo iguales, pequeñas cantidades de lubricantes, conlo cual se consigue una buena protección de las partes.

Es muy ampliamente usado este sistema de aplicacióndebido a su sencillez y bajo costo inicial.

Aplicación mediante dispositivos

Otro tipo de lubricación a película delgada, es cuandose usan dispositivos para la aplicación tales como botellaaceitera, copas con mecha o copas graseras de resorte,copas goteras, lubricadores automáticos, etc.,representando en general una mejoría en comparación con laaplicación a mano, ya que estos dispositivos alimentanconstantemente pequeñas cantidades de lubricante, el cualdespués de actuar se escurre y se tira. Sin embargo, si nose usa el dispositivo adecuado en cada caso, no obstante,que el lubricante sea el indicado, puede resultar unalubricación deficiente.

Por ejemplo: si un cojinete requiere para sulubricación un aceite muy pesado o viscoso y si se trata dealimentarlo mediante una copa gotera inadecuada, el flujode aceite será tan escaso que naturalmente sobrevendrá lafalla en el cojinete.

Estos dispositivos deben recibir un mantenimientoadecuado (revisión, limpieza, reparación), para que juntocon un buen lubricante, puedan proporcionar una lubricacióneficiente.

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Fig. 13

Gentileza Copec Mobil Ltda.

Lugar de aplicación

El lugar o punto de aplicación también tiene relacióncon el buen desempeño del lubricante. Veamos la Fig. 14para ilustrar gráficamente la importancia del punto deaplicación. En esta figura aparece un cojinete conlubricación abundante en donde se puede formar una cuña deaceite y vemos cómo el lugar de aplicación se encuentra enel punto opuesto a donde ocurre la máxima presión. Como se

puede observar, la presión radial comienza a elevarse en elpunto A llegando a un máximo poco después y luego caenuevamente a 0 (naturalmente que en la figura se haexagerado el claro o huelgo, para lograr claridad en loexpuesto).

En la Fig. 15 se muestra la distribución de la cargasoportada por la película lubricante en un planolongitudinal. La máxima presión se encuentra en el terciomedio aproximadamente y enseguida cae hacia los lados endonde escurre el aceite.

En algunos casos se proveen unas ranuras o canaletas(Fig. 16 y 17) para mejorar la distribución del aceite,

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Fig. 16

Fig. 17Gentileza Copec Mobil

Ltda

Fig. 14

Fig. 15Gentileza Copec Mobil

Ltda

pero se tallan sin llegar a los extremos para evitar lafuga de lubricante antes de llegar a la zona de máximapresión y la pérdida de capacidad para soportar carga.Sirven además estas canaletas como depósitos o reservas deaceite, cuando la alimentación es intermitente.

En los cojinetes divididos o de dos partes,frecuentemente se encuentran unos chaflanes que tienen elmismo objeto.

Aunque una canaleta bien diseñada puede ayudarconsiderablemente a la distribución del aceite, si se haceuna canaleta en el área de presión (Fig. 16), ésta tendráun efecto perjudicial ya que evitará la formación de lacuña de aceite, facilitará la rápida salida de éste delárea de presión y reducirá la capacidad máxima de carga delcojinete igualmente, si las canaletas no están biendiseñadas, no solamente no ayudan a mejorar la distribucióndel lubricante, sino además pueden ejercer un efectoperjudicial.

En los cojinetes con lubricación a película delgada,al igual que en los de aplicación abundante, el aceite debesuministrarse en el área de menor presión (la cual nosiempre se encuentra en un lado superior del cojinete y enalgunos casos además, cambia de posición).

TIPOS DE LUBRICANTES

Aunque las sustancias de uso más frecuente comolubricante han sido aceites o grasas, pueden ser adecuadosmuchos otros materiales de naturaleza muy diferente. Lossólidos y los fluidos (aire u otros gases y tambiénlíquidos) se emplean como lubricante. El lubricantedesempeña, con frecuencia, funciones simples: es un mediopara transferencia de calor, protector contra la herrumbrey la corrosión, sellador y para arrastrar y suspender loscontaminantes.

La aplicación particular, en sus múltiples aspectos,determina la selección del lubricante. Los lubricantes sefabrican y modifican a fin de que tengan ciertascaracterísticas especificas, que se pueden definir entérminos de propiedades físicas o químicas o por su accióny rendimiento.

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El concepto de lubricante como parte de lasconsideraciones en el proyecto, han ayudado a darimportancia necesaria a los aspectos de lubricación en elfuncionamiento de mecanismo y ha dado como resultado unrendimiento más satisfactorio.

LUBRICANTES LÍQUIDOS

Aunque hay muchos líquidos, inclusive el agua, que sepueden usar como lubricantes, los de uso más frecuente sonlos de base de petróleo o los basados en fracciones depetróleo refinado o en líquidos sintéticos. Los lubricanteslíquidos del petróleo son los de uso más extenso, debido asu adaptabilidad general a la mayoría de los equiposexistentes y/o por su disponibilidad a un costo moderado.Los aceites lubricantes derivados del petróleo se preparancon muchos procesos disponibles para refinación a partir dehidrocarburos naturales. Los tres tipos principales depetróleo crudo son: parafínico, mixto y nafténico. Lasfuentes importantes de petróleo crudo están dispersas portodo el mundo, en tierra o fuera de la costa.

Las pruebas físicas se utilizan con frecuencia paracaracterizar a los aceites de petróleo, porque elrendimiento del lubricante a menudo depende o estárelacionado con esas propiedades físicas. Las pruebasfísicas usuales incluyen medición de la viscosidad,densidad, punto de fluencia, densidad específica,inflamación e ignición separación de las emulsiones olor ycolor. Las pruebas químicas incluyen pruebas para residuos decarbón, oxidación, corrosión, acidez, aceitosidad, extremapresión, azufre, cenizas y número de precipitación.

La variación de la viscosidad con la temperatura enlos aceites derivados del petróleo se puede determinar conexactitud cuando se conocen las viscosidades a dostemperaturas cualesquiera.

LUBRICANTES SÓLIDOS

Un lubricante sólido es una película delgadaconstituida por un sólido o una combinación de sólidosintroducida entre dos superficies en rozamiento con el finde modificar la fricción y el desgaste. El funcionamientode ciertos mecanismos sometidos a temperaturas, presiones yambientes severos, en los cuales los líquidos orgánicos no

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son adecuados, ha promovido el perfeccionamiento delubricantes sólidos. Los lubricantes de película sólidaincluyen numerosas variedades y tipos de materiales quepueden tener diferentes propiedades y gamas defuncionamiento y distintos métodos de aplicación yadherencias en las superficies que se van a lubricar.

Aunque la tecnología de los lubricantes sólidos sedesarrollo con el paso de los años como un “arte” y casisiempre por experiencia, recientemente se ha aplicado unenfoque científico más estricto en este tema. Los estudiossistemáticos de los materiales utilizados y su aplicacióncomenzaron con la introducción de lubricantes sólidos en laindustria de la aviación. Existen muchas formas paraclasificar los lubricantes sólidos; una se relaciona con suforma de adherencia al material de cojinete o de apoyo. Lapreparación de superficie es de extrema importancia paralograr un buen rendimiento del lubricante sólido.

Los lubricantes sólidos sin aglutinar, el tipo más sencillo, songranulares o pulverizados. Se adhieren en cierto grado a lasuperficie por acción mecánica o molecular, aunque no hayenlace químico o físico intencional. Los materiales máscomunes en esta clase son el grafito, el Bisulfuro demolibdeno, el politetrafluoretano y otros polímeros, talco,metales, óxidos metálicos y sales. Las propiedades de lossólidos, por lo general, determinan los límites de trabajoasí como la influencia del coeficiente de fricción y deldesgaste.

Las partículas sólidas sin aglutinar se pueden aplicaren muchas formas: los polvos se pueden aplicar con pincel obrocha, por inmersión o aspersión. Si los sólidos seaplican con un vehículo, líquido o gaseoso, el vehículo porlo general no contribuye a las propiedades adhesivas olubricantes, sino que sirve principalmente para facilitarla aplicación. A veces resulta útil dar un brillo intenso alas superficies.

Lubricantes sólidos aglutinados. La durabilidad de laspelículas sólidas, es decir, su capacidad para sostenerse ypara mantener una lubricación adecuada durante largotiempo, ha sido un factor un tanto limitativo. Se halogrado mayor duración útil del lubricante con el uso deadhesivos, de los cuales hay varios tipos adecuados paradiferentes condiciones de operación y aplicaciones.

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Los adhesivos, es decir, los aglutinantes, se mezclancon los lubricantes sólidos (por lo general los citadosantes como lubricantes sin aglutinar) y la mezcla se aplicaa la superficie del cojinete de apoyo. Se utilizan dostipos de materiales orgánicos como aglutinantes: “los querequieren curado de aire” y “los que requieren curadotérmico”. Estos últimos son los más duraderos y deresultados superiores, pero requieren horneado atemperaturas elevadas. Las películas de curado de aire, porlo general, están limitadas a temperaturas defuncionamiento inferiores a los 149ºC (300ºF) mientras quealgunas películas termoendurecidas pueden sersatisfactorias hasta a 371ºC (700ºF).

Los adhesivos inorgánicos permiten usar películas sólidasaglutinadas a temperaturas superiores a los 649ºC (1200ºF).Un ejemplo son los aglutinantes cerámicos en combinacióncon metales pulverizados o los sólidos más estables que elgrafito y el Bisulfuro de molibdeno.

Además de las propiedades de los sólidos y de lascondiciones de operación prevalecientes, otros factores quepueden influir en el rendimiento del lubricante de películasólida, incluyen el método de aplicación, acabado y durezadel material de la superficie de cojinete o apoyo, lamezcla de aglutinante y lubricante sólido, el tratamientoprevio de la película y la superficie y la limpieza.

ACEITES ANIMALES, VEGETALES Y DE PESCADO

Propiedades de las diversas grasas lubricantes y aceites grasos. Losaceites grasos o fijos, como el aceite animal, vegetal y depescado, se distinguen de los minerales porque sesaponifican con álcalis cáusticos. Estos aceites orgánicosse oxidan, se vuelven rancios y forman ácidos grasoslibres. La oxidación causa también consistencia gomosa, enparticular con aceites de semilla de algodón y de maíz. Alsometerlos a temperaturas elevadas, tienden a descomponerseen ácidos corrosivos.

Número de saponificación. El número de saponificación (ASTMD94-71) se utiliza para determinar el porcentaje de aceitegraso o de la grasa en un lubricante compuesto de petróleo.Cuando la muestra contiene cantidades apreciables deazufre, fósforo y halógenos, el número de saponificaciónobtenido será mayor que la cantidad de materia grasarealmente presente. El porcentaje de aceite graso o deaceite en un producto del petróleo compuesto, se puede

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calcular con el número de saponificación cuando se conoceel aceite graso (Tabla 1).

La adición de aceites grasos o grasa a un aceite depetróleo aumenta la película absorbida sobre la superficiede trabajo, lo cual eleva la capacidad para soporte decarga u “oleosidad” de la película de aceite, una propiedadnecesaria en aplicaciones especiales en donde es fácilencontrar condiciones peculiares para la lubricación. Todoslos aceites animales, vegetales y de pescado estáncontaminados o pueden sostener el crecimiento de bacteria;hay que tener el cuidado de que tales aceites seanestériles.

Los aceites naturales están siendo sustituidos por lossintéticos. El aceite de esperma, uno de los másimportantes, ya no se puede obtener, porque su fuente, laballena de esperma, esta en la lista de especies en peligrode desaparición.

Tabla 1(1). Propiedades de algunos aceites animales y vegetalesAceitegrasou

oleicolibre,

%

Densidadespecifica a 16ºC(60ºF)

Nº desaponif

i-cación

Puntode

fluidez

ASTM,ºF(ºC)

Punto deinflamaci

ón encopa

abierta,ºF(ºC)

Viscosi-dadSUS a38ºC

(100ºF)

Ricino,hidrogenad

o

0.15-2 0.963 178-181 15(-9) 505(263) 1 485

Semilla dealgodón

1-3 0.922 187-197 40(4) 580(304) 180-195

Aceite degrasa decerdo

15-18 0.915 192-198 50(10) 440(227) 200-210

Sebo, sinácidos

0.2-0.5

0.927 193-198 80(27) 610(321) 205-215

GRASAS

Las grasas se usan mucho en vehículos automotrices,camiones, buses, equipos de construcción, maquinariaagrícola y diversos otros vehículos comerciales. Lubricanlos elementos componentes del chasis, los mecanismos de1(?) Tabla obtenida del libro “Marks Manual del Ingeniero Mecánico”, Octava edición, Volumen I, Baumeister-Avalone-Baumeister, Editorial Mc

Graw Hill, Año 1990.

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dirección, cojinetes de las ruedas, otras partes mecánicasy, en algunos casos, los equipos de servomecanismos ydispositivos auxiliares. Entre las propiedades importantesde las grasas, que se relacionan con estos diversos usos,se incluyen:

Estabilidad estructural. Adhesividad (para permanecer en su sitio e impedir el

acceso de los contaminantes). Capacidad para soportar cargas impuestas (protección

antidesgaste). Estabilidad a la oxidación. Resistencia al calor (para evitar un ablandamiento o

endurecimiento excesivos). Resistencia a la eliminación por lavado con agua. Protección contra la herrumbre. Capacidad de suministro en tiempo frío. Compatibilidad con empaquetaduras y otros componentes

del sistema.

No todas estas propiedades se necesitan en la mismamedida para cada aplicación. Por ejemplo, las propiedadesde suministro a baja temperatura son de poca importanciapara los productos que se usan en regiones tropicales ocuando se aplican en talleres calefaccionados, y laresistencia a altas temperaturas no resulta necesaria paralubricantes de chasis que se usan en regiones árticas. Elcaso ideal sería que cada grasa estuviese hecha a la medidapara cada elemento de maquinaria y para cada uso especificoen cuestión. Por razones practicas, sin embargo, se cuentacon tres tipos principales de grasa para satisfacer lamayor parte de los requerimientos. Dichos tipos son lasgrasas de uso múltiple, las grasas para chasis y las grasaspara cojinetes de rueda. Un cuarto tipo, la grasa especialpara rodillos de oruga, también se usa en cierta medida.

LUBRICACIÓN EN LAS DISTINTAS ÁREAS

En las prácticas de ingeniería suele ser deseableproyectar un mecanismo para que funcione con una películade líquido que separe las superficies. Esta lubricaciónhidrodinámica ocurre cuando las presiones desarrolladas enuna película convergente de líquido son suficientes parasoportar la carga sobre los cojinetes. Cuando las cargassobre los cojinetes son elevadas, el espesor de la películase puede reducir al tamaño de las asperezas de lasuperficie. La viscosidad del lubricante en sí se puedeafectar por condiciones de funcionamiento tales como la

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presión de película, temperatura y velocidad cortante.Cualquiera de estos factores puede influir en el sistemahidrodinámico. Para que exista un estado hidrodinámico, lacombinación de velocidad, carga y viscosidad del lubricantedebe estar dentro de una gama bastante amplia, perodefinida. El aumento en la velocidad o en la viscosidadproduce una película más gruesa; si se aumenta la carga sereduce el espesor de la película en un cojinete dado. Loscojinetes se construyen para permitir la conservación deuna película de líquido en la mayoría de las condicionesusuales de funcionamiento. Sin embargo, cuando elmovimiento entre las superficies de cojinetes y apoyo seaproxima a cero (durante el arranque y la parada), cuandose aplican severas cargas de choque o cuando se reduce laviscosidad, no se puede mantener la totalidad de lapelícula entre el muñón (apoyo) y el cojinete y ocurrecontacto de metal a metal. En estas condiciones delubricación marginal, se utilizan aditivos suaves paraextrema presión (EP) para dar cierta medida de seguridad.

El tratamiento clásico de la lubricación hidrodinámicasupone que las superficies de cojinete y apoyo songeométricamente lisas y que los lubricantes y lassuperficies no se afectan con los esfuerzos aplicados. Enel otro extremo, en la "lubricación marginal", lassuperficies sólidas no están en contacto continuo nisoportan la carga por completo. En la lubricación real conlíquido es muy poco probable que prevalezca ninguno de losdos extremos y no se debe de olvidar la interacción de lassuperficies.

A menudo, en la práctica, los regímenes defuncionamiento son en condiciones en las cuales laspelículas hidrodinámicas tienen una delgadez suficientepara permitir que interactúen las irregularidades de lassuperficies. En la lubricación de elementos rotatorios(cojinetes de bolas y de rodillos), mecanismos de levas eimpulsores o sigue-levas y dientes de engranes acoplados,las cargas tienden a deformar las superficies metálicas enla zona de contacto. Por tanto, la superficie de contactodepende de la deformación de las superficies de soporte decarga. Aunque las cargas puedan ser elevadas, por logeneral existe una película delgada entre las superficies"en contacto". La película se llama películaelastohidrodinámica (EHD). La formación de esa películadepende de dos factores de dependencia mutua: laspropiedades hidrodinámicas del líquido y la deformación delos puntos de contacto y apoyo.

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Sistemas de lubricación. Existen muchos métodos positivos deaplicación de los productos para asegurar una lubricaciónapropiada. Los sistemas de baño y de circulación pueden serautomáticos para tener lubricación continua o intermitente,pero se requiere una aplicación positiva. Existenlubricantes de nivel constante, aceitadores de botella,aceitadores de alimentación por gravedad, alimentadores conmirillas múltiples de vidrio, graseras, lubricadores dealimentación forzada, sistemas centralizados de lubricacióny lubricadores por nebulización (para sólo mencionar unoscuantos). La selección del método de aplicación dellubricante es tan importante como el lubricante en sí. Laselección del dispositivo y la complejidad del sistemadependen de muchos factores, que incluyen el tipo ycantidad de lubricantes, la confiabilidad y costo de loselementos de la máquina, los programas de mantenimiento, laaccesibilidad de los puntos para lubricación, los costos demano de obra y otras consideraciones económicas, así comolas condiciones de operación.

Los sistemas de filtrado para la eliminación de cuerposextraños en el lubricante en circulación pueden sernecesarios, en particular en máquinas y aparatos que tienencomponentes acabados a alta precisión y piezas de ajustemuy exacto.

Los aceites para máquinas de combustión interna debendesempeñar numerosas funciones a fin de suministrarlubricación adecuada. El aceite para motor, además dereducir la fricción y el desgaste, debe mantener limpio elmotor y libre de herrumbre y corrosión, debe actuar comoenfriador y sellador y debe actuar como aceite hidráulicoen motores que tengan levantadores hidráulicos("punterías") para las válvulas. El lubricante puedefuncionar a altas temperaturas y en presencia de polvo,agua y otras condiciones atmosféricas adversas, así comocon los materiales formados como resultado de unacombustión incompleta; debe ser resistente a la oxidación ya la formación de lodos.

Por ello, los aceites para motor son compuestos ypueden contener uno o más agentes y aditivos necesarios,tales como dispersantes para mantener suspendidos a losmateriales insolubles; detergentes para una limpieza suavey retardar la formación de depósitos; Mejoradores de índicede viscosidad, para aumentar la viscosidad de modo que seamayor, en proporción, a 100ºC (210ºF) que a 40ºC (1OOºF);inhibidores de corrosión para descomponer los peróxidos,

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inhibir la formación de radicales libres y pasivar el metaldescubierto; inhibidores de corrosión para neutralizar losmateriales ácidos y formar películas protectoras sobre lassuperficies de metal; desactivadores de metales para formarpelículas protectoras inactivas; agentes contra desgaste,para extrema presión, oleosidad y reforzadores de películapara formar una película con menor resistencia al corte quelos metales de base para reducir la fricción y evitar la"soldadura" y la pegadura en el caso de que llegue adesaparecer la película de aceite; inhibidores de herrumbrepara producir protectores, repelentes del agua;dispersantes de punto de fluidez para evitar o inhibir elcrecimiento de cristales de ceras o parafina a temperaturasbajas; inhibidores de espuma para reducir la tensión desuperficie v permitir que haya mayor desprendimiento fácilde las burbujas de aire.

La operación de las máquinas de gasolina depende mucho deltipo de motor y del servicio. Los motores varían en tamaño,velocidad, cilindrada y potencia producida; las condicionesde operación pueden variar desde altas velocidades y cargasmáximas en condiciones de elevada temperatura ambiente,hasta marcha mínima ("ralentí') con muy esto no va porencima de lo natural frenando lo que todos quieren cuandodebemos estar de acuerdo en

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