UNIDAD VIII

lubricación

objetivos

Conocer las principales propiedades de la lubricación.

Analizar y diferenciar los diferentes tipos de desgaste.

Conocer, analizar y diferenciar las características

principales en el proceso de lubricación.

Entender cómo la lubricación influye en la industria y

en la minería

¿QUÉ ES LA TRIBOLOGÍA?

TRIBOLOGÍA TRIBOS

LOGOS

Fricción

Tratado

LOS OBJETIVOS DE LA TRIBOLOGIA SON EL

ESTUDIO Y LA REDUCCION DE LA FRICCION Y DEL

DESGASTE ENTRE SUPERFICIES EN MOVIMIENTO.

ES LA CIENCIA Y

TECNOLOGÍA DE LAS

SUPERFICIES

INTERACTIVAS EN

MOVIMIENTO RELATIVO

FUNDAMENTOS DE LA

TRIBOLOGÍA

La Tribología se centra en el estudio de tres fenómenos:

La fricción entre dos cuerpos en movimiento.

El desgaste como efecto natural del fenómeno de fricción.

La lubricación como un medio para disminuir la fricción y evitar el

desgaste.

FRICCIÓN

La fricción se define como la resistencia al movimiento

durante el deslizamiento o rodamiento que experimenta un

cuerpo sólido al moverse tangencialmente sobre otro con

el cual esta en contacto.

La fuerza tangencial de resistencia que actúa en una dirección

directamente opuesta a la dirección del movimiento se conoce

como fuerza de fricción.

La fricción no es una propiedad del material, es una respuesta

del sistema.

TIPOS DE FRICCIÓN

FRICCIÓN

ESTÁTICA

DINÁMICA

Impide el movimiento

Elemento de oposición

al movimiento

FRICCION

SOLIDA FRICCION

POR RODADURA

FRICCION

FLUIDA

TIPOS DE FRICCIÓN

DESGASTE

ES LA PERDIDA

PROGRESVA DE

MATERIAL DE UNA

SUPERFICIE SOLIDAD

COMO RESULTADO DE

LA FRICCIÓN

Mecanismo de Desgaste

Mecanismo de Desgaste

• Desprendimiento de material en un componente mecánico

• Perdida de eficiencia y/o inutibilidad completa del sistema

• El objetivo es minimizar los costos de mantenimiento a través de la prolongación de la vida útil de partes y piezas

1. La aplicación de un revestimiento protector anti desgaste

2. La reparación de partes y piezas que han sufrido roturas y/o desprendimientos.

Clasificación de los tipos de desgaste

1. ABRASION

2. IMPACTO

3. FRICCION

4. CORROSION

5. EROSION

6. CAVITACION

7. CALOR

8. ADHESION

1.- ABRASION

• Describe varias formas de desgaste superficial

• Causado por el movimiento relativo de partículas duras en la superficie

• El grado de abrasión depende de la naturaleza de las partículas abrasivas, (morfología, granulometría, concentración, ángulo incidencia y la velocidad relativa)

1. Abrasión pura o de bajo esfuerzo

2. Abrasión de alto esfuerzo

3. Abrasión por desgarramiento

DESGASTE POR ABRASIÓN

La abrasión es la causa fundamental del desgaste. Las partículas se sitúan en las tolerancias entre dos superficies en movimiento, se encajan en una

de ellas y actúan como herramientas de corte, extrayendo material de la

otra superficie. Las partículas que causan mayor daño son aquellas cuyo

tamaño coincide o es ligeramente superior a la tolerancia entre las

superficies.

Partículas ultrafinas demasiado pequeñas para atascarse

Microsólido (del tamaño de la

tolerancia) se incrusta entre las

dos superficies dañándolas

Chute de descarga

Rueda

guía de

pala

2.- IMPACTO

• Es la transferencia de energía, el cual se convierte en trabajo de deformación elástica y plástica

• En la medida que la superficie reciba el impacto y pueda absorber energía es que exhibirá resistencia al choque

• La propiedad de la tenacidad es muy importante en este tipo de desgaste, test de Charpy-V

• El empleo de las aleaciones tenaces del tipo aceros al manganeso austeniticos y aceros de baja aleación tratados térmicamente, son los que están dando buenos resultados

3.- FRICCION

• Se considera la acción de un par bimetálico en contacto dinámico

• El análisis de estas superficies amplificadas nos permite observar la existencia de aristas agudas

• Micro rugosidades, las cuales son las responsables de recibir y transmitir las cargas aplicadas

• Dado que las áreas de contacto son extremadamente pequeñas, las presiones involucradas son elevadísimas y frecuentemente exceden el limite elástico del material

• El desplazamiento de dos superficies implica un considerable aumento de la temperatura la puede alcanzar el punto de fusión de uno u otro de los metales posibilitando la generación de micro soldaduras

4.- EROSION

• La diferencia frente a la abrasión, esta en el hecho de que el abrasivo es proyectado en un flujo fluido o gaseoso contra la pieza

• La energía cinética de las partículas abrasivas es transferida al componente, deterioro superficial

• El deterioro de la superficie dependerá de la tenacidad y dureza del metal base, dureza y granulometría del abrasivo, ángulo de incidencia del haz abrasivo.

5.- CORROSION

• Existe en casi todos los sectores industriales, particularmente donde las piezas están en contacto con agua fresca o salina, en ambientes básicos o ácidos, o cuando las mismas están expuestas a gases a temperaturas normales o elevadas.

• Se puede definir la corrosión como un ataque químico o electroquímico sobre un material del ambiente que lo rodea

1. En ambientes secos o corrosión por oxidación.

2. Corrosión electro-química.

6.- CAVITACION

• Es la generación y posterior implosión de burbujas de vapor de agua producto de un cambio de velocidades en el fluido que implican cambios de presión hidráulica en el sistema.

• La burbuja es generada cuando la presión baja a los niveles de presión de vapor del fluido y se produce implosión cuando dicha burbuja se encuentra nuevamente con zonas de mayor presión.

• Conjuntamente a la cavitación está presente la corrosión.

• Para resistir estos desgastes, los materiales resistentes a la cavitación deben exhibir buenas propiedades de tenacidad, tales como los aceros inoxidables martensiticos, inoxidables austeniticos, aleaciones de Cr-Co-W y fundiciones de bronce.

7.- CALOR

1. Fatiga térmica.- se debe a la repetición de ciclos de calentamiento y enfriamiento en donde, si el componente tiene alguna restricción a su libre contracción o dilatación, se generan esfuerzos residuales considerables

2. Oxidación.- al estar ésta expuesta a elevadas temperaturas y dependiendo de Composición química del metal base, se puede formar óxidos inestables y de pobre adherencia, escamas de oxidación

3. La protección de componentes para trabajos de altas temperaturas se basa en la aplicación de un recubrimiento protector refractario o rico en cromo, para favorecer la formación del oxido de cromo (Cr2O3), es estable, denso y de buena adhesión

8 - DESGASTE POR ADHESIÓN

Pequeños puntos de soldadura

Máximo contacto entre metales de dos superficies opuestas

El desgaste por adhesión ocurre cuando todo el material (incluyendo la película de fluido y la inorgánica) que se

encuentra entre las rugosidades o irregularidades microscópicas de dos superficies opuestas, es desplazado. El

contacto entre las dos superficies provoca la aparición de puntos de soldadura en las rugosidades, como se muestra

en la figura.

Cuando las rugosidades comienzan a moverse, los puntos de soldadura se rompen, por regla general,

asimétricamente, extrayéndose material de la superficie de menor resistencia.

Cuando se produce un gran número de puntos de soldadura al mismo tiempo, las superficies no pueden moverse y

el componente queda bloqueado.

Superficie transferida del metal mas blando

Rugosidades

LUBRICACIÓN

Es una ciencia interdisciplinaria mediante la cual es

posible alcanzar la vida útil del equipo, disminuir el consumo de energía y alcanzar los mayores índices de

productividad.

Alrededor del 43% de las fallas prematuras de los

elementos mecánicos, se deben a prácticas incorrectas de lubricación.

Sin el empleo de un lubricante adecuado en los

elementos de una máquina, sería imposible mantenerlos en movimiento, llegando a convertirse la máquina en un montón de chatarra altamente costoso en unos cuantos

minutos

¿QUÉ ES LUBRICAR?

Lubricar es:

Encontrar la mejor manera de aplicar

el lubricante apropiado (proceso de

selección), en el lugar requerido

(sistema de lubricación), en la

cantidad correcta (niveles), en el

momento preciso (períodos de

cambio), al menor costo (control de la

fricción) y con el mayor valor agregado

posible

FUNCIONES DE LOS

LUBRICANTES

CONTROL DE LA FRICCIÓN

CONTROL DEL DESGASTE

CRONTOL DE CORROSIÓN CONTROL DE TEMPERATURA CONTROL DE CONTAMINACIÓN TRANSMISIÓN DE POTENCIA

CONTROL DE LA FRICCIÓN

Al separar las partes en movimiento por medio de una

película fluida que sostiene la carga, los lubricantes :

Reducción de la fricción

Reducción de calor

Menor degradación

Control de desgaste

CONTROL DE desgaste

El grado de separación de dos componentes depende :

La carga

La velocidad

Viscosidad del aceite

El espesor de la película lubricante depende en cierto

grado de la velocidad relativa entre dos componentes

CONTROL DE corrosión

Los lubricantes también controlan la corrosión al

cubrir las superficies metálicas de los componentes.

Esto es muy importante para muchos componentes y

sistemas al prevenir la formación de herrumbre y

corrosión

CONTROL DE temperatura

Los lubricantes absorben el calor del punto en que se

generan en el sistema, el lubricante lleva ese calor al

depósito donde es irradiado naturalmente.

En sistemas que generan

cantidades importantes

de calor el fluido se hace

pasar por un sistema

intercambiador de calor.

CONTROL DE contaminación

Los lubricantes arrastran los contaminantes como

partículas sólidas y humedad a un lugar donde pueden

ser removidos.

Los filtros

Transmisión de potencia

En sistemas hidráulicos el aceite actúa como fluidos de

transmisión de potencia

La energía es trasmitida desde la bomba del sistema a

los actuadores.

Los lubricantes también crean un sello entre áreas que

trabajan a diferentes presiones

Principios básicos de

lubricación

De acuerdo con las condiciones de operación, cada

máquina requiere una lubricación en particular.

En una máquina pueden existir elementos iguales, pero

pueden estar sometidos a condiciones de operación diferentes, requiriéndose, por lo tanto, de lubricantes que cumplan cada caso específico.

Los lubricantes seleccionados deberán cumplir con todas

las características físico-químicas necesarias para su correcto funcionamiento.

FACTORES QUE AFECTAN LA

VIDA DEL LUBRICANTE

El Agua.

Las Altas Temperaturas.

Materiales Sólidos.

Materiales como el Cobre.

REGÍMENES DE LUBRICACIÓN

Lubricación Límite -Hidrodinámica Clasificación Lubricación de película llena - Hidrostática Lubricación Elastohidrodinámica

Lubricación ESCASA O LÍMITE

Se presenta cuando el espesor de la película de aceite no exceda la

rugosidad de la superficie de los componentes del sistema

Lubricación hidrodinámica

Conocida como lubricación de película completa, es la separación de

los componentes por una cuña de aceite que se produce

hidrodinámicamente.

Lubricación hidrodinámica

Lubricación hidrodinámica

EL ESPESOR DE LA PELÍCULA SE INCREMENTA CONFORME

LA VELOCIDAD DE ROTACIÓN DEL EJE INCREMENTE

CONFORME LA TEMPERATURA DEL ACEITE DISMINUYA

LA CARGA EN EL EJE SEA MENOR

formulación de los lubricantes

ADITIVOS SELECTOS

ACEITE BASE

Compuestos minerales

Compuestos sintéticos

Compuestos vegetales

Viscosidad

Índice de viscosidad

Densidad relativa

Punto de flama

Punto de fluidez

Lubricante mineral

Lubricante sintético

formulación de los lubricantes

aditivos

Sustancias químicas disueltas o suspendidas en el aceite base para

alterar una o más propiedades de desempeño

El porcentaje de aditivos en el aceite terminado es entre 0.5 a 30 %

dependiendo de la aplicación

aditivos

Mejorar las propiedades existentes de los aceites básicos

Suprimir propiedades indeseables del aceite básico

Impartirle nuevas propiedades

aditivos

Una propiedad interesante de algunos aditivos es conocida como

polaridad. ( cuando una aditivo tiene una atracción natural por la

superficie o los contaminantes )

Clasificación de los aditivos

antioxidantes

La oxidación es la reacción de un compuesto con el oxígeno

La rapidez con que este fenómeno ocurre se llama taza de

oxidación

Clasificación de los aditivos

Inhibidores de herrumbre

La herrumbre es el resultado de la contaminación con agua y es

una forma común de desgaste corrosivo que reduce la vida útil

de los componentes

Clasificación de los aditivos

Inhibidores de herrumbre

Son moléculas polares que son químicamente atraídas por el

hierro y el acero

Clasificación de los aditivos

Antioxidantes (aw) y extrema presión (Ep)

Protegen la máquina contra condiciones de lubricación escasa

Clasificación de los aditivos

Clasificación de los aditivos

viscosidad

Es la característica más importante a ser considerada cuando se

selecciona un lubricante para una aplicación específica.

Clasificación de los aditivos

Viscosidad alta

Generación de calor

Oxidación de aceite, lodo y barniz

Cavitación

Excesivo consumo de energía

Pobre separación de aire y agua

Flujo lento de aceite al tanque

Clasificación de los aditivos

Viscosidad baja

Pérdida de película de lubricante

Lubricación escasa

Desgaste excesivo

Calor y oxidación del aceite

Fugas internas y externas

Falla de película de aceite en altas temperaturas, bajas

velocidades y altas cargas

COMPOSICIÓN DE UN ACEITE LUBRICANTE

COMPOSICIÓN DE UNA GRASA

LUBRICANTE

Composición de la grasa

• Producto entre sólido y semisólido obtenido mediante dispersión de un agente espesante en un lubricante líquido

• Se pueden incluir otros ingredientes que imparten propiedades especiales

• Malla en 3-D de poros del espesante

• Las partículas del espesante se adhieren entre sí debido a fuerzas de atracción química / física

• Los poros se llenan de aceite

• El aceite es liberado del espesante debido a calor, movimiento y otras fuerzas

• Cuando se retiran las fuerzas, el aceite es reabsorbido dentro del espesante

Considere la Grasa como una esponja

• Aceite Base : Aceites lubricantes minerales, sintéticos o naturales; puede incluir una combinación de estos

• Espesante: Provee el cuerpo y la estructura con componentes de jabón o no-jabón

• Aditivos: Mejora el desempeño del lubricante con componentes solubles en aceite, para controlar: extrema presión, desgaste, herrumbre, corrosión, oxidación, adhesión. Algunos componentes sólidos ayudan al desempeño e incluyen: bisulfuro de molibdeno, grafito, polímeros, carbonato de calcio y otros sólidos

Composición de la Grasa Grasa = Aceite Base + Espesante + Aditivos

Recuerde: El aceite es el que Lubrica!

Composición de una Grasa Típica

• La amplia variedad de aplicaciones para las grasas lubricantes requiere igualmente de un rango de composiciones igualmente diverso

Aceite Base Rango 80-95%

Espesante Rango 2-20%

Aditivos Rango 0-15%

Producción Mundial de Grasa (NLGI 2001)

Sodio 4%

Complejo

de Litio

12%

Otros

Metales 1%

Poliuria 4%

Arcilla 4%

Otras

No- Jabón

3% Aluminio /

Complejo

de

Aluminio

5%

Otras

21%

Calcio /

Complejo

De Calcio

15%

Litio

52%

Retroalimentación Producción Anual de Grasas (NLGI 2001)

Sodio 4%

Complejo

de Litio

12%

Otros

Metales 1%

Poliuria 4%

Arcilla 4%

Otras

No- Jabón

3% Aluminio /

Complejo

de

Aluminio

5%

Otras

21%

Calcio /

Complejo

De Calcio

15%

Litio

52%

Aceite Base Rango 80-95%

Espesante Rango 2-20%

Aditivos Rango 0-15%

Retroalimentación

Composición de una Grasa Típica • La amplia variedad de aplicaciones

para las grasas lubricantes requiere igualmente de un rango de composiciones igualmente diverso

Lubricantes

Características que aportan a las grasas:

• Su cualidad lubricante

• Capacidad de carga

• Influyen sobre la estructura

• Estabilidad química

• Estabilidad térmica

Agentes Espesantes

Características que aportan a las Grasas:

• Influyen sobre la estructura

• Resistencia al agua

• Resistencia a la temperatura

• Resistencia a los esfuerzos mecánicos

Litio

Altopuntodegoteo

Buenaresistenciaalagua

Altatemperaturadeoperación(másde120°C)

Excelenteestabilidadmecánica

Calcio Muybuenaresistenciaalagua

Estabilidadmecánica

Bajocosto

Sodio Ampliorangodetemperaturas(-20a120°C)

Estabilidadmecánicarazonable

Absorbeagua(noparahumedad)

Tipos de espesante – Jabón base

Estructura de una grasa

Vista microscópica de las fibras de una grasa de Litio comparada con una de Calcio

LITIO CALCIO

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Consistencia

Punto de goteo

Capacidad anticorrosiva

Estabilidad mecánica

Capacidad para soportar cargas

Miscibilidad

Estabilidad a la oxidación

Resistencia al agua

Estabilidad térmica

Propiedades de las grasas

Escala NLGI de penetración

Penetración trabajada a 25° C en décimas de milímetro

445 - 475 400 - 430 355 - 385 310 - 340 265 - 295 220 - 250 175 - 205 130 - 160 85 - 115

Grado NLGI

000 00 0 1 2 3 4 5 6

GRADOS DE CONSISTENCIA

S/N.L.G.I. Nº N.L.G.I.

000

00

0

Cifra penetración A.S.T.M. mm/10 445-475

400-430

355-385

Grado de dureza

Muy fluida

Fluida

Semi-fluida

Aplicaciones más usuales Engranajes

Engranajes

Cojinetes

Sistemas

centralizados

1 310-340 Muy blanda Cojinetes Sistemas

centralizados

2

3

4

5

265-295

220-250

175-205

130-160

Blanda

Media

Dura

Muy dura

Cojinetes

Cojinetes

Cojinetes lisos

Grasa en briquetas Cojinetes lisos Grasa en briquetas

6 85-115 Durísima Cojinetes lisos

Grasa en briquetas

LUIS EDUARDO BENÍTEZ HERNÁNDEZ - IM - MBA - Profesor Titular - Maestro Universitario

- Antidesgaste

- Inhibidoresdecorrosión

- Detergentes dispersantes

- Antiespuma ntes

- Deefecto polar

ADITIVOS

-Mejoradores del índice deViscosidad - Depresores del punto

Aceitesde fluidez

- Antioxidan tes -Untosidad

- Extremapresión(EP)

-Inhibidoresdecorrosión

LUIS EUARDO BENÍTEZ HERNÁNDEZ - IM - MBA - Profesor Titular - Maestro Universitario

-Desactivadoresdemetal

-Inhibidoresde Lodos

-Formadoresde Fibra

- Agentesderelleno

ADITIVOS

- Antioxidan tes

Grasas -Estabilizadoresdecolor

-EPo Fortalecedoresde Película

Viscosidad

La viscosidad es la propiedad más

importante de un lubricante, y probablemente es la más fácilmente observada, se define como:

“ La resistencia que opone un líquido

a fluir libremente ”

La viscosidad depende de la temperatura (t) , desciende a medida que (t) aumenta y viceversa.

La viscosidad también varía dependiendo del tipo

de fluido y su estructura molecular.

Medición de la viscosidad

Existen diferentes unidades de medida para la viscosidad:

Centistokes (cSt)

Grados ISO VG

Grados AGMA

Segundos Universales Saybolt (SUS)

Grados Engler ( ºe)

Cada uno de estos sistemas, tiene

equivalencias con otros sistemas.

Efectos de cambios de la Viscosidad Si la viscosidad es demasiado baja: La presión es baja La película es delgada Genera alta fricción, más desgaste y calor. Si la viscosidad es demasiado alta: Se incrementa la resistencia Se incrementa el consumo de energía Problemas de arranque y fluidez Se incrementa la temperatura.

mm2 / s

100 40 C GRADOS

ISO VG

GRADOS

AGMA

GRADOS GRADOS

SAE GEAR SAE MOTOR 40

SUS

100 C Equivalencias de Viscosidad

(*)La equivalencia es sólo en la viscosidad, no en el tipo de aceite o en calidad. Ejemplo: Un aceite hidráulico ISO VG 46, tiene una viscosidad equivalente a un aceite de motor 15W- 20, pero son diferentes productos.

Pruebas típicas en Lubricantes

Viscosidad, ASTM D445, D2161

Índice de Viscosidad, ASTM 2270

Prueba FZG, DIN 51354

Prueba FALEX, ASTM 2670

Punto de Flash, ASTM D-92

Grado ISO, ASTM 2422

Capacidad de carga (Turbinas de Vapor) ASTM D

1947

Inhibición a la Oxidación, ASTM D 943

Punto de congelación, ASTM D 97

Pruebas Antiherrumbre, ASTM 665

Ensayo SRV, DIN 51834

Lubricantes sintéticos -características

Alta resistencia a oxidación Alta fluidez a bajas temperaturas Extraordinaria estabilidad térmica en altas

temperaturas. Alta confiabilidad de operación y menores

costos de mantenimiento Menor riesgo de contaminación ambiental Alto costo inicial

Aceites

Espesantes

Aditivos

Minerales

Sintéticos

Base jabón: Litio, Complejo de Li, Calcio,

Complejo de Ca, Aluminio,

Complejo de Al, Sodio,

Sulfonatos

Sin jabón: Arcilla, Poliurea,

Silicón, Silica, Pigmentos, Carbón.

Igual que en los aceites + Sólidos: Molibdeno (Mo), Sulfuro de Mo, Teflón, carbonato de Calcio, Grafito

Componentes de una grasa

Más consistente Menos consistente

Consistencia de una grasa

La consistencia se usa para definir el grado de

rigidez, o dureza de una grasa. La consistencia no significa resistencia la carga.

Penetración de Cono- ASTM D-217

Clasificación y Consistencia NLGI

Elección de la viscosidad del aceite base

CONDICION Alta velocidad Baja temperatura Baja velocidad Alta temperatura

Viscosidad: (@40°C) 10 - 25 cSt 70 - 200 cSt 400 - 1000 cSt

ELECCION Aceite base de BAJA viscosidad Aceite base de BAJA viscosidad Aceite base de ALTA viscosidad Aceite base de ALTA viscosidad

Aplicación: (Indicación) Baja temperatura, alta velocidad Aplicaciones estandar (Muy) altas cargas, (Muy) bajas velocidades