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lubricacion analisis de lubricantes aditivos y engrases
Tipo: Apuntes
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- Tribos Ingeniería S.A.S, Nit. 900.652.287-9 / Carrera 65 No. 74-75 Multicentro Caribe Teléfono: (057-4) 444 05 81 Ext. 103 mercadeo@tribosingenieria.com
La LUBRICACION EFECTIVA hace parte de la LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD - LCC cuyos objetivos son los siguientes:
- Implementación de los programas de lubricación que constituyen el LCC y que permitirán asegurar que todos los mecanismos de los equipos rotativos de la empresa, cuenten con los elementos y accesorios que les permitan ser lubricados eficientemente, dentro de intervalos de tiempo precisos, y con el lubricante que más se adecue a las condiciones operacionales de los mismos, con bajos costos de lubricación y generando un efecto nulo sobre al ambiente al disponer de la manera más adecuada posible de los lubricantes luego de haber cumplido con su ciclo de servicio. - Implementar el programa de termografía para monitorear la temperatura de operación. - Implementar el programa de Vibraciones ó mejorarlo en caso de que ya se esté ejecutando, en los equipos rotativos de la empresa. - Implementar el programa de Confiabilidad en los equipos rotativos de tal manera que se pueda garantizar que todos estarán en estado OC 1 (equipo principal en Operación Confiable) y OC 2 (equipo Stand By en operación confiable) mediante el aseguramiento de la filosofía de la Confiabilidad, Disponibilidad y Mantenibilidad de dichos equipos rotativos. 2. DESARROLLO
La LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD se desarrolla bajo la filosofía de interrelacionar los Programas de Lubricación, Vibraciones y Confiabilidad, en los cuales estarán incluidos todos los equipos rotativos de la empresa, con miras a obtener resultados que permitan garantizar la Confiabilidad y Disponibilidad de dichos equipos rotativos.
Los equipos rotativos incluidos en el desarrollo del LCC, se clasifican como equipos rotativos críticos, esenciales y de propósito general, y a cada uno de estos grupos de equipos rotativos, se le seleccionará el programa de lubricación, termografía y vibraciones que más le convenga, dentro del esquema de la LUBRICACION CENTRADA EN LA CONFIABILIDAD.
3. DESCRIPCION DE LOS EQUIPOS ROTATIVOS - Crítico: es un equipo rotativo que al parar de manera no programada, para la empresa, para una planta generando altos costos de mantenimiento o lucro cesante por pérdidas en la producción o en la oportunidad de negocios, impacta el ambiente, atenta contra la seguridad de las personas o afecta la imagen de la empresa. - Esencial: es un equipo rotativo que cuenta con equipo rotativo auxiliar, y que al fallar de manera no programada no para la planta, pero genera una situación de incertidumbre, ya que se convierte en un equipo rotativo crítico. - De propósito general: es un equipo rotativo que cuando falla no genera los problemas de los equipos rotativos críticos, pero que de todas maneras, es importante porque se requiere para desarrollar un determinado trabajo dentro del proceso productivo de la planta.
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El programa FORMACION DE EXPERTOS del LCC comprende los siguientes procesos, los cuales se deben desarrollar mediante el análisis de las Fortalezas y Debilidades, especificando las Recomendaciones que se deben llevar a cabo para asegurar su efectividad.
LCC – Programa 1 Lubricación Efectiva No Elemento Fortaleza Puntaje positivo
Debilidad Puntaje negativo
Puntaje parcial
Factor parcial
Puntaje global 01 Personal de lubricación
Si tiene 100 Se improvisa - 20 0, Falta capacitación - 20 No están certificados - 20 Personal insuficiente - 20 No tiene 0 0 0 0, 02 Cuarto de lubricantes Si tiene 100 Mal ubicado - 20 0, Mal almacenamiento - 20 Alta contaminación - 20 Diseño inadecuado - 10 No tiene 0 0 0 0, 03 Cartas de lubricación Si tiene 100 Faltan máquinas - 20 0, Información incompleta - 10 Falta foto ó dibujo - 10 No están difundidas - 10 No tiene 0 0 0 0, 04 Rótulos de lubricación
Si tiene 100 Falta código de color - 20 0, Forma no definida - 20 Falta rotular máquinas - 10 No se rotula en el taller - 10 No tiene 0 0 0 0,
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05 Pancartas metálicas Si tiene 100 Información incompleta - 20 0, Número insuficiente - 10 Mal ubicadas - 10 No tiene 0 0 0 0, 06 Válvula de drenaje y tapón
Si tiene 100 Faltan máquinas - 30 0, Válvulas inadecuadas - 20 Mal ubicadas - 10 No tiene 0 0 0 0, 07 Puerto de muestreo de aceites 08 Sistemas de venteo Si tiene 100 Faltan máquinas - 30 0, Venteos inadecuados - 20 Venteos mal ubicados - 10 No tiene 0 0 0 0, 09 Indicadores del nivel de aceite
Si tiene 100 Faltan máquinas - 30 0, Son inadecuados - 20 Están mal montados - 10 No tiene 0 0 0 0, 10 Fugas de aceite Si tiene 100 Son comunes - 30 0, No se corrigen a tiempo - 20 No tiene 0 0 0 0, 11 Aceiteras de 1 y de 5 galones
Si tiene 100 Son inadecuadas - 10 0, No son suficientes - 10 Material inadecuado - 10 Una ó varias para todo - 10 Color no estandarizado - 20 Sin rotulación - 20 No tiene 0 0 0 0, 12 Pistolas engrasadoras
Si tiene 100 Son inadecuadas - 10 0, No son suficientes - 10 Se llenan manualmente - 5 No son acero inoxidable - 5 Una ó varias para todo - 20 Color no estandarizado - 20 Sin rotulación - 20 No tiene 0 0 0, 13 Grasera y protector plástico 14 Carro portátil de lubricación
Si tiene 100 Es inadecuado - 10 0, Capacidad insuficiente - 20 No tiene 0 0 0 0, No necesita 100 4 4 4 13 Equipo para pre- filtración y filtración de aceites
Si tiene 100 No tiene calentador - 20 0, Tiene un solo filtro - 10 No tiene 0 0 0 0, No necesita 100 4 4 4 14 Guardas metálicas para cadenas
Si tiene 100 Faltan algunas cadenas - 20 0, No sirven para lubricar - 40 No tiene 0 0 0 0. No necesita 100 5 5 5 15 Equipo para tambores de 55 galones de aceite 16 Equipo móvil de filtración
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No necesita 100 10 10 10 07 Seminario Lubricación de Clase Mundial, Categoría IV
Si tiene Falta de inversión - 50 0, Falta de asistentes - 10 Falta de instructores - 10 No tiene 0 0 0 No necesita 100 10 10 10 08 Seminario teórico- práctico Tribología y Confiabilidad operativa, Categoría I
Si tiene Falta de inversión - 50 0, Falta de asistentes - 10 Falta de instructores - 10 No tiene 0 0 0 0, No necesita 100 10 10 10 Puntaje total:
Puntaje global = Puntaje parcial x factor parcial Factor neto programa Lubricación Correctiva: 0, Puntaje total máximo = 12,
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TRIBOLOGÍA
La Tribología viene de los términos griegos Tribos: Fricción y Logos: estudio. Es quizás la ciencia de mayor trascendencia en la actualidad y lo será aún más en el futuro en la medida en que el hombre necesite ser más productivo, ya que sin su aplicabilidad resultaría casi imposible la supervivencia de los seres vivos en la tierra. El movimiento generado por fuentes energéticas cualquiera que sea su origen (viento, ríos, olas del mar, tempestades, descargas eléctricas, terremotos, etc), le ha permitido al hombre evolucionar desde períodos tan antiguos como la Edad de Piedra hasta la era de la conquista del espacio. Una tempestad con descargas eléctricas fue precisamente el comienzo del desarrollo del hombre primitivo, porque fue ese fenómeno físico de la naturaleza el que le permitió conocer el fuego al prenderse de manera accidental unas ramas secas, o quizás una pila de carbón, y de ahí en adelante, a pesar de los miles de años que aún transcurrieron, hasta que él aprendiera a generarlo, le permitieron encontrar su verdadero camino que lo han conducido hasta los tiempos modernos y hacia niveles que hoy en día son insospechados para quienes hemos tenido la fortuna de habitar nuestro planeta.
CLASIFICACION DE LA TRIBOLOGIA
Los aspectos más relevantes de la Tribología que están íntimamente relacionadas con la Vida Disponible (Vd) de las máquinas son:
Sistema Tribotécnico: es el conjunto de los procesos (corte, mecanizado, pulimiento, soldadura, etc) relacionados con las superficies de fricción de los mecanismos, y de su estudio técnico-económico desde el punto de vista de la fricción. Lubricación y desgaste.
Sistema Tribológico (ST): es el conjunto de mecanismos relacionados entre sí, sometidos a un proceso de fricción que puede afectar positiva ó negativamente su vida disponible (Vd).
FRICCION Y FUERZA DE FRICCION
La Fricción está presente en nuestras vidas todos los días y en algunos casos es imprescindible para poder desarrollar determinadas acciones como caminar, andar ó frenar un vehículo, generar fuego, fabricar piezas en un torno ó en una fresadora, etc; pero es completamente improductiva en los elementos de una máquina, los cuales podrían fallar catastróficamente si no se controla mediante la aplicación de un lubricante, y aunque esto se hiciera, si el lubricante no es el adecuado, el mecanismo, dentro de un proceso más lento presentará un desgaste anormal. La fricción en los componentes de máquinas, conlleva a la transformación de energía útil, aprovechable en trabajo productivo, en calor, con el subsecuente número de problemas que las altas temperaturas de operación generan para los mecanismos lubricados, para el aceite y para el ambiente, ya que aporta calor causante del cambio climático. Es muy importante el análisis ingenieril de los fenómenos de fricción en las máquinas, para determinar si las causas que lo generan son mecánicas, operacionales ó de lubricación, con el objetivo de controlarlas y reducirlas hasta llegar a eliminarlas algún día. En las relaciones diarias con otras personas, la “ fricción” ó el “roce entre diferentes temperamentos ”, como popularmente se le conoce, conlleva a disgustos, enemistades y a otro tipo de problemas, porque no es posible lograr muchas veces el
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puesto que el cuerpo y la superficie no se presionan entre sí. La fuerza normal N sobre la superficie puede ser mayor que el peso si se ejerce una presión adicional sobre el cuerpo.
Tipos de fuerzas de fricción
Los siguientes tipos de fuerzas de fricción son los que se pueden presentar en los mecanismos lubricados de las máquinas.
Fuerza de Fricción cinética metal-metal (Ffcmm)
Tiene lugar cuando la rugosidad de una superficie metálica desliza directamente sobre la otra y el Sistema Tribológico (ST) está constituido por dos cuerpos sólidos, entre los cuales no hay un tercer elemento sólido ó fluido que los separe. La fuerza de fricción cinética metal-metal (Ffcmm), tiene las siguientes características:
Puede ser de alta, mediana o baja intensidad, dependiendo de la naturaleza de las superficies de fricción (coeficiente de fricción) y de la potencia transmitida por el mecanismo. Ocasiona en la mayoría de los casos que las superficies de fricción de los componentes de la máquina se suelden y la falla sea catastrófica, debido a la gran cantidad de calor generado cuando las crestas altas y pequeñas chocan, se deforman elásticamente y luego plásticamente hasta fracturarse. Ver Figura 2. Ocurre de manera transitoria y con baja intensidad cuando los mecanismos lubricados de una máquina se ponen en operación ó se detienen y la condición inicial es de fricción sólida y la final es de lubricación Elastohidrodinámica (EHL) ó Hidrodinámica (HD).
Figura 2 Falla catastrófica por fricción metal–metal (Fmm) entre el cojinete liso y el muñón del eje de un reductor de velocidad al interrumpirse el flujo de aceite.
Fuerza de Fricción cinética sólida (Ffcs)
Se presenta de manera transitoria siempre que los componentes de la máquina inician su movimiento ó paran y el lubricante utilizado tiene aditivos metálicos AW o EP y/o de untuosidad. También como consecuencia del aumento de la fuerza de fricción cinética fluida o mixta, debido a condiciones mecánicas u operacionales anormales en el mecanismo lubricado. La Fuerza de fricción cinética sólida (Ffcs) presenta las siguientes características:
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Depende del tipo de aditivo antidesgaste (AW) o Extrema Presión (EP) que tenga el lubricante utilizado. Es de regular o baja intensidad, y conlleva a un bajo nivel de desgaste adhesivo. Ver Figura 3.
Fuerza de fricción cinética mixta (Ffcm)
Se presenta de manera permanente cuando los mecanismos lubricados de una máquina trabajan bajo condiciones de lubricación elastohidrodinámica (EHL) o de manera transitoria cuando se
rompe la película lubricante (ho) en condiciones de lubricación hidrodinámica (HD). La fuerza de fricción cinética mixta (Ffcm) tiene las siguientes características:
Depende del tipo de aditivo extrema presión (EP), de la viscosidad y del índice de viscosidad del aceite utilizado. Es de baja, mediana o alta intensidad, conlleva a un nivel de desgaste adhesivo moderado, y se presenta en los componentes lubricados durante el funcionamiento de la máquina. Se puede minimizar cuando se requiere un lubricante con un aditivo extrema presión de tipo EP 1 y se utiliza un EP 2 o un EP 3 y se puede incrementar cuando se requiere un EP 2 o un EP 3 y se pasa a un EP 1. Ver Figura 4.
Figura 3 Figura 4
Figura 3 Desgaste adhesivo incipiente como consecuencia de fricción sólida (Fs) en el cojinete liso de un compresor centrífugo en el momento de la puesta en marcha y parada. Figura 4 Desgaste adhesivo incipiente como consecuencia de fricción cinética mixta (Fcm) entre la capa de babbitt de un cojinete liso y el eje de un rodillo laminador.
Fuerza de fricción cinética fluida (Ffcf)
Tiene lugar cuando las superficies de fricción se mueven la una con respecto a la otra completamente separadas por un tercer elemento que por lo regular es un fluido. La fuerza de fricción cinética fluida cinética (Ffcf) presenta las siguientes características:
Para un mismo espesor de película lubricante (ho), depende de si el lubricante utilizado es mineral, sintético ó vegetal.
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Tabla 1 Valores típicos de coeficientes de fricción para aceites minerales y sintéticos en diferentes mecanismos y condiciones de lubricación
Coeficiente de fricción Metal- metal fmm
Sólido fs
Mixto fm
Fluido ff Primera Generación EP 1
Segunda Generación EP 2
Tercera Generación EP 3 Mineral fsd
Sintético fsr
Mineral fmd
Sintético fmr
Mineral fmd
Sintético fmr
Mineral fmd
Sintético fmr
Mineral ffd
Sintético ffr Mecanismo
Notas:
(1) Por lo regular los engranajes sinfín-corona trabajan bajo condiciones de lubricación EHL. (2) En cojinetes lisos el coeficiente de fricción fluida se calcula más exactamente por la ecuación de Sommerfeld. (3) El coeficiente de fricción equivalente fe para aceite salpicado es de 0,002 y para aceite aplicado a presión es de 0,001.Se puede considerar el mismo tanto para aceites minerales como sintéticos. (4) El coeficiente de fricción es por deslizamiento (d) cuando se utilizan lubricantes minerales (derivados del petróleo), y es por rodadura (r) cuando se utilizan lubricantes sintéticos.
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(5) fsd y fsr son los coeficientes de fricción sólida por deslizamiento y rodadura respectivamente. (6) fmd y fmr son los coeficientes de fricción mixta por deslizamiento y rodadura respectivamente. (7) ffd y ffr son los coeficientes de fricción fluida por deslizamiento y rodadura respectivamente. (8) En los acoples de piñones, rejilla y cadena, la condición de lubricación es EHL y se toma como coeficiente de fricción mixta (fm) el mismo de los cojinetes lisos. (9) NA porque nunca se presenta esta condición de fricción en este tipo de mecanismos.
Se identifica como Sistema Tribológico (ST), la zona de fricción de un mecanismo en la cual actúa la carga dinámica (Wd), se pierde energía y se genera calor. Una máquina tendrá tantos Sistemas Tribológicos (ST) como mecanismos tenga sometidos a fricción.
CALOR GENERADO POR LA FUERZA DE FRICCION (CFf)
El calor generado por la fuerza de fricción (CFf) en una máquina compleja constituida por diversos mecanismos como engranajes, rodamientos, cojinetes lisos, guías, cadenas, acoples, etc, depende del tipo de fricción que se presente entre las superficies de fricción y de la potencia transmitida en dichos mecanismos. En la Tabla 2 se especifican las fórmulas para calcular el Calor generado por la fuerza de fricción (CFf) en rodamientos, cojinetes lisos, engranajes y reductores de velocidad.
Tabla 2 Cálculo del Calor generado por la fuerza de fricción (CFf) en diferentes componentes de máquinas
No Mecanismo Unidades de calor Kcal/hr
Unidades de energía Kw Fórmula Ecuación Fórmula Ecuación 01 Rodamiento 4,42x10-^3 fwddintn 2(a) 5,13x10-^6 fwddintn 2 (b) 02 Cojinete liso 4,42x10-^3 fwddejen 3(a) 5,13x10-^6 fwddejen 3(b) 03 Engranajes 4,42x10-^3 fwddpn 4(a) 5,13x10-^6 fwddpn 4(c) 04 Caja de engranajes 860P(1-et) 5(a) P(1- et) 5(d)
Donde:
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Figura 6 Elementos que constituyen la película lubricante, ho
La eficiencia de la película lubricante (ho) depende de los aditivos metálicos AW o EP, adhesividad o aditivos de untuosidad, y viscosidad del lubricante. Es tan perjudicial una película delgada como una gruesa porque en el primer caso, aún cuando no conlleve a una condición de contacto metal - metal, que propicie el desgaste adhesivo, genera un menor efecto amortiguador sobre la carga dinámica que actúa entre las superficies de fricción, incrementando el desgaste por fatiga superficial; y en el segundo caso, se presenta más generación de calor por un exceso de fricción fluida entre las laminillas (aceite mineral) o esferas (aceite sintético o vegetal), que constituyen la película lubricante; esto igualmente puede conducir a problemas de desgaste por fatiga superficial o a desgaste adhesivo, debido a la pérdida de viscosidad como consecuencia de las mayores temperaturas de operación. El espesor de la película lubricante ho depende de la rugosidad superficial; en superficies con un buen acabado (N6 o menor),
una película lubricante fina es suficiente, mientras que en superficies mal acabadas se necesita una película gruesa. Esto particularmente es mucho más importante cuando se tienen condiciones de lubricación EHL, debido a que un acabado superficial fino, junto con un aceite de alto grado ISO (320, 460 o 680), minimizan la condición de fricción mixta y la acercan más a una fricción fluida, a pesar de las condiciones de alto torque y bajas velocidades que se puedan estar presentando.
Regímenes de lubricación
La película lubricante (ho) que se forma entre dos superficies metálicas define el tipo de lubricación bajo el cual va a trabajar un mecanismo; las que se presentan en cualquier tipo de mecanismo lubricado son:
La lubricación hidrostática o hidrodinámica artificial, es un modo de lubricación más que un régimen de lubricación, por lo tanto se va a tener en cuenta en la descripción de los diferentes tipos de lubricación, teniendo en cuenta esta observación.
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Una de las condiciones más críticas en la operación de un mecanismo es en el momento en que se pone en marcha, ya sea por primera vez (aún más crítica, ya que la condición de fricción es prácticamente metal-metal) ó después de que ha permanecido fuera de servicio durante un período de tiempo determinado (fricción sólida y fricción metal-metal). Cuando la
velocidad nominal de operación de un mecanismo (engranajes, rodamientos, cojinetes lisos, cadenas, etc), disminuye, las rugosidades de las dos superficies metálicas se acercan y un gran número de las crestas que las constituyen interactúan hasta que finalmente, cuando la velocidad es igual a cero, un buen número de ellas se superponen y otras se entrelazan de manera semejante a como quedan los “dientes de dos serruchos cuando se entrelazan entre si”. Es fácil imaginar lo que sucedería si en la realidad se tomasen dos serruchos y se colocaran de tal forma que todos sus dientes quedaran entrelazados y luego se le aplicara a uno de ellos una fuerza lo suficientemente alta como para ponerlo en movimiento. Como es obvio lo más probable es que un buen número de dichos dientes se fracturarían quedando inservibles los dos serruchos. Pues bien, en los mecanismos de las máquinas puede suceder lo mismo, cuando se lubrican de una manera inadecuada, se utiliza un lubricante incorrecto ó éste se sigue utilizando, cuando ya se ha oxidado. En el momento de la puesta en marcha de un mecanismo un buen número de las crestas de las rugosidades de las dos superficies se encuentran en contacto ó entrelazadas y su separación dependerá de la untuosidad (lubricidad) ó de los aditivos antidesgaste (AW) ó Extrema Presión (EP) del lubricante que se esté utilizando, de acuerdo con la condición de lubricación final del mecanismo; esta propiedad del lubricante se conoce como película sólida ó límite la cual aisla las rugosidades de las dos superficies metálicas, permitiendo que en el momento de la puesta en marcha del mecanismo
dichas rugosidades no se “suelden” sino que se deslicen la una con respecto a la otra y se deformen elásticamente debido a las propiedades elásticas del material.
En la industria hay un buen número de mecanismos como engranajes de hornos cementeros, cojinetes lisos de rodillos laminadores, rodamientos de cilindros secadores en textileras y papeleras, mecanismos de palas eléctricas y mecánicas, transmisiones de camiones carboneros, etc, en los cuales las cargas dinámicas transmitidas son tan altas y las velocidades tan bajas que el suministro de aceite por la acción de bombeo de los mismos mecanismos hacia las zonas sometidas a fricción es mínimo haciendo que las rugosidades de las dos superficies en operación nunca se separen, dando lugar a que permanentemente interactúen, requiriéndose por lo tanto la utilización de aceites de alta viscosidad, con aditivos metálicos que tengan la capacidad suficiente de formar una película sólida ó límite de una resistencia al desgaste adhesivo mayor que la película límite que se forma en los mecanismos cuyas superficies interactúan solamente en el momento del arranque y que luego se separan, por la acción hidrodinámica del lubricante utilizado y de las condiciones de carga dinámica y velocidad bajo las cuales trabaja. La película lubricante que se forma es una combinación de película límite y película fluida denominada película mixta y el tipo de lubricación se conoce como Elastohidrodinámica ó EHL y los aditivos metálicos utilizados se identifican con el nombre de Extrema Presión (EP), cuya característica más importante es que tienen la capacidad suficiente de soportar altas cargas de compresión y esfuerzos cortantes sin que se rompa la película límite, pero ésta obviamente se va desgastando y es necesario restaurarla de nuevo, lo cual se logra mediante la reactividad del aditivo metálico EP a altas temperaturas, hacia las superficies metálicas del mecanismo. Los aditivos Extrema Presión pueden ser de