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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