Lubricantes       en Acción

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Teoría y Práctica de la Lubricación

Las funciones básicas de un lubricante son: reducción de la fricción, disipación del calor y dispersión de los contaminantes. El diseño de un lubricante para realizar estas funciones es una tarea compleja, que involucra un cuidadoso balance de propiedades, tanto del aceite de base como de los aditivos.  

Reducción de la Fricción

La reducción de la fricción se realiza manteniendo una película de lubricante entre las superficies que se mueven una con respecto de la otra, previniendo que entren en contacto y causen un daño superficial. La fricción es un elemento común en la vida diaria. Una persona puede caminar por una rampa inclinada sin resbalar debido a la alta fricción entre la suela de sus zapatos y la rampa, y puede deslizarse montaña abajo en sus esquíes porque la fricción entre éstos y la nieve es baja. Ambos casos ilustran la fricción entre dos superficies ordinarias.

La cantidad de resistencia al movimiento debido a la fricción se puede expresar en términos del coeficiente de fricción:

             

Este coeficiente es casi constante para cualquier par de superficies. Para metales limpios, con una terminación superficial ordinaria, expuestos a la atmósfera, el valor es aproximadamente 1. Para el mismo metal, contaminado por el manipuleo, el valor cae a alrededor de 0,3. Para sistemas bien diseñados y lubricados, el coeficiente puede ser tan bajo como 0,005. Bajo condiciones muy especiales, se pueden obtener valores tan bajos como 0,000005. En contraste, los coeficientes para superficies metálicas limpias en el vacío, pueden ser tan altos como 200 o más, y la soldadura en frío debido a la adhesión puede ocurrir. La lubricación es de dos tipos generales basado en el ambiente operacional, esto es, carga y velocidad del equipamiento y viscosidad del lubricante. Las superficies lisas separadas por una capa de lubricante no entran en contacto, y por lo tanto no contribuyen a las fuerzas de fricción. Esta condición se llama lubricación hidrodinámica. Se llega al límite de la lubricación cuando hay un contacto intermitente entre las superficies, resultanto en fuerzas de fricción significativas.

Lubricación hidrodinámica

Mantener una capa de líquido intacta entre superficies que se mueven una respecto de la otra, se logra generalmente mediante el bombeo del aceite. Entre un cigueñal y su asiento existe una capa de aceite que hace que el cigueñal flote. El espesor de esta capa depende de un balance entre la entrada y la salida de aceite.

El espesor de equilibrio de la capa de aceite se puede alterar por:

  • Incremento de la carga, que expulsa aceite
  • Incremento de la temperatura, que aumenta la pérdida de aceite
  • Cambio a un aceite de menor viscosidad, que también aumenta la pérdida de aceite
  • Reducción de la velocidad de bombeo, que disminuye el espesor de la capa

La lubricación de un cigueñal que rota dentro de su bancada es un ejemplo clásico de la teoría de la fricción hidrodinámica, como fue descripta por Osborne Reynolds en 1886. La teoría asume que bajo estas condiciones, la fricción ocurre solamente dentro de la capa fluída, y que es función de la viscosidad del fluído.

Lubricación Elasto-hidrodinámica

A medida que la presión o la carga se incrementan, la viscosidad del aceite también aumenta. Cuando el lubricante converge hacia la zona de contacto, las dos superficies se deforman elásticamente debido a la presión del lubricante. En la zona de contacto, la presión hidrodinámica desarrollada en el lubricante causa un incremento adicional en la viscosidad que es suficiente para separar las superficies en el borde de ataque del área de contacto. Debido a esta alta viscosidad y al corto tiempo requerido para que el lubricante atraviese la zona de contacto, hacen que el aceite no pueda escapar, y las superficies permanecerán separadas.

La carga tiene un pequeño efecto en el espesor de la capa, debido a que a estas presiones, la capa de aceite es más rígida que las superficies metálicas. Por lo tanto, el efecto principal de un incremento en la carga es deformar las superficies metálicas e incrementar el área de contacto, antes que disminuir el espesor de la capa de lubricante.

Pérdida de lubricación

Las hipótesis simples hechas durante la discusión anterior, no siempre son válidas en la práctica. Bajo ciertas condiciones - tales como carga repentina, alta carga durante largo tiempo, alta temperatura, baja velocidad, o baja viscosidad - el sistema de lubricación no se mantiene en régimen hidrodinámico. Se llega a una situación en la cual existe un contacto intermitente entre las superficies metálicas, resultando en un aumento significativo de la temperatura, y una posterior destrucción de las superficies en contacto. Bajo estas circunstancias, la capa fluída no es capaz de proteger las superficies, y se deben emplear otras técnicas, como ser el agregado de aditivos formantes de capas protectoras sobre las superficies móviles.

Viscosidad del lubricante

La viscosidad es una de las propiedades más importantes de un aceite lubricante. Es uno de los factores responsables de la formación de la capa de lubricación, bajo distintas condiciones de espesor de esta capa. La viscosidad afecta la generación de calor en rodamientos, cilindros y engranajes debido a la fricción interna del aceite. Esto afecta las propiedades sellantes del aceite y la velocidad de su consumo. Determina la facilidad con la que las máquinas se pueden poner en funcionamiento a varias temperaturas, especialmente a las bajas. La operación satisfactoria de una dada pieza de un equipo depende fundamentalmente del uso de un aceite con la viscosidad adecuada a las condiciones de operación esperadas.

El concepto básico de la viscosidad se muestra en la figura, donde una placa se mueve a una velocidad constante V sobre una capa de aceite. El aceite se adhiere a ambas caras de las placas, la móvil y la estacionaria. El aceite en contacto con la cara de la placa móvil viaja a la misma velocidad que ésta, mientras que el aceite en contacto con la placa estacionaria tiene velocidad nula. Entre ambas placas, se puede visualizar al aceite como si estuviera compuesto por muchas capas, cada una de ellas siendo arrastrada por la superior a una fracción de la velocidad V, proporcional a su distancia de la placa estacionaria. Una fuerza F debe ser aplicada a la placa móvil para vencer a la fricción entre las capas fluídas. Dado que esta fricción esta relacionada con la viscosidad, la fuerza necesaria para mover la placa es proporcional a la viscosidad. La viscosidad se puede determinar midiendo la fuerza necesaria para vencer la resistencia a la fricción del fluído en una capa de dimensiones conocidas. La viscosidad determinada de esta manera se llama dinámica o absoluta. 

La viscosidad dinámica normalmente se expresa en poise (P) o centipoise (cP, donde 1 cP = 0,01 P), o en unidades del Sistema Internacional como pascales-segundo (Pa-s, donde 1 Pa-s = 10 P). La viscosidad dinámica, la cual es función sólo de la fricción interna del fluído, es la cantidad usada más frecuentemente en el diseño de cojinetes y el cálculo de flujo de aceites. Debido a que es más conveniente medir la viscosidad de manera tal que tenga en cuenta la densidad del aceite, para caracterizar a los lubricantes normalmente se utiliza la viscosidad cinemática. 

La viscosidad cinemática de un fluído es su viscosidad dinámica dividida por su densidad, ambos medidos a la misma temperatura, y expresada en unidades consistentes. Las unidades más comunes que se utilizan para expresar la viscosidad cinemática son: stokes (St) o centistokes (cSt, donde 1 cSt = 0,01 St), o en unidades del SI como milímetos cuadrados por segundo (mm2/s, donde 1 mm2/s = 1 cSt).

La viscosidad dinámica en centipoise se puede convertir en viscosidad cinemática en centistokes dividiéndola por la densidad del fluído en gramos por centímetro cúbico (g/cm3) a la misma temperatura. La viscosidad cinemática en milímetros cuadrados por segundo se puede convertir en viscosidad dinámica en pascal-segundos multiplicando por la densidad en gramos por centímetro cúbico y dividiendo el resultado por 1000. Resumiendo:

   

Se han utilizado otros sistemas de medida, incluyendo Saybolt, Redwood y Engler, debido a su familiaridad para muchas personas, pero son raros los instrumentos desarrollados para realizar las mediciones en estas unidades. La mayoría de las determinaciones de viscosidad se realizan en centistokes y se convierten a valores de otros sistemas. La viscosidad de cualquier fluído cambia con la temperatura, incrementándose a medida que baja la temperatura, y disminuyendo a medida que ésta aumenta. La viscosidad también puede cambiar con un cambio en el esfuerzo o velocidad de corte .

Para comparar los aceites con base de petróleo con respecto a variaciones de viscosidad con la temperatura, el método ASTM D 2270 proporciona una manera de calcular el índice de viscosidad (IV). Este es un número arbitrario utilizado para caracterizar la variación de la viscosidad cinemática de un producto de petróleo con la temperatura. El cálculo se basa en mediciones de la viscosidad cinemática a 40 y 100 ºC. Para aceites de viscosidad cinemática similar, a índices de viscosidad más grandes, más pequeño el efecto de la temperatura.

Los beneficios de un IV más alto son:

  • Viscosidad más alta a mayor temperatura, lo cual resulta en un menor consumo de aceite y desgaste del motor.
  • Menor viscosidad a bajas temperaturas, lo cual permite un mejor arranque en frío del motor y menor consumo de combustible durante el calentamiento.

La medición de viscosidades absolutas bajo condiciones reales ha reemplazado al concepto de índice de viscosidad convencional para evaluar lubricantes bajo condiciones de operación.

Otro factor en la medición de viscosidades es el efecto del esfuerzo de corte o velocidad de corte. Para ciertos fluídos, llamados Newtonianos, la viscosidad es independiente del esfuerzo o la velocidad de corte. Cuando esta condición no se cumple, los fluídos son llamados no-newtonianos.

Las mediciones de viscosidad cinemática se realizan a velocidades de corte bajas (100 s-1). Se dispone de otros métodos para medir la viscosidad a velocidades de corte que simulan las condiciones de operación del lubricante. Dentro de los diferentes instrumentos disponibles mara la medición de la viscosidad cinemática, se pueden mencionar:

  • Viscosímetros capilares: que miden la velocidad de flujo de un volumen fijo de fluído a través de un orificio de diámetro pequeño, a una temperatura constante y controlada. La velocidad de corte puede variar entre casi 0 a 106 s-1 cambiando el diámetro del capilar y la presión aplicada. Los tipos de viscosímetros capilares y sus modos de operación son:
  • Viscosímetros de capilar de vidrio - el fluído para a través de un orificio de diámetro fijo bajo la influencia de la gravedad. La velocidad de corte es menos de 10 s-1. Todas las viscosidades cinemátidas de lubricantes para automóviles se miden con viscosímetros capilares.
  • Viscosímetros capilares de alta presión - aplicando un gas a presión, se fuerza a un volumen determinado del fluído a pasar a través de un capilar de vidrio de pequeño diámetro. La velocidad de corte se puede variar hasta 106 s-1 . Esta técnica se utiliza comúnmente para simular la viscosidad de los aceites para motor en las condiciones de operación.
    Esta viscosidad se llama alta temperatura-alto corte (HTHS por su sigla en inglés) y se mide a 150 ºC y 106 s-1 

Viscosímetros rotatorios, que usan el torque de un eje rotatorio para medir la resistencia al flujo del fluído. El Simulador de Cigueñal Frío (CCS), el mini-viscosímetro rotatorio (MRV), el viscosímetro Brookfield y el Simulador de Cojinete Cónico (TBS) son viscosímetros rotatorios. La velocidad de corse se puede cambiar modificando las dimensiones del rotor, el espacio entre el rotor y la pared del estator, y la velocidad de rotación.

  • Simulador de Cigueñal frío: El CCS mide la viscosidad aparente en el rango de 500 a 200.000 cP. Los rangos de velocidades de corte van entre 104 y 105 s-1. El rango normal de temperaturas de operación está entre 0 a -40 ºC. El CCS ha demostrado una excelente correlación con los datos de cigueñales de máquinas a bajas temperaturas.La clasificación de viscosidades SAE J300 especifica el comportamiento viscoso de aceites para motor a bajas temperaturas mediante límites del CCS y requisitos del MRV.                   
  • Mini-viscosímetro Rotatorio(ASTM D 4684): La prueba con el MRV, que está relacionado con el mecanismo de bombeo, es una medición a baja velocidad de corte. La baja velocidad de enfriamiento es la característica clave del método. Se trata una muestra para que tenga una historia térmica que incluya ciclos de calentamiento, enfriamiento lento y remojado. El MRV mide una aparente tensión admisible, la cual, si es más grande que el valor umbral, indica un posible problema de bombeo por mezcla con aire. Por sobre una cierta viscosidad (normalmente definida como 60.000 cP por la SAE J300), el aceite podría estar sujeto a una falla de bombeo por un mecanismo llamado comportamiento de "flujo límite". Un aceite SAE 10W, por ejemplo, se requiere para tener una viscosidad máxima de 60.000 cP a -30 ºC sin tensión admisible. Este método también mide una viscosidad aparente bajo velocidades de corte de 1 a 50 s-1
  • Viscosímetro Brookfield: Determina un amplio rango de viscosidades (1 a 105 P) bajo una baja velocidad de corte (hasta 102 s-1). Se usa principalmente para determinar la viscosidad a baja temperatura de aceites para engranajes, transmisiones automáticas, convertidores de torque y aceites hidráulicos para tractores, automóviles e industriales. La temperatura del ensayo se mantiene constante en el rango de -5 a -40 ºC.

La técnica de ensayo Brookfield mide la viscosidad Brookfield de una muestra a medida que es esfriada a velocidad constante de 1 ºC por hora. Como el MRV, este método intenta correlacionar las características de bombeo de un aceite a baja temperatura. El ensayo informa el punto de gelificación, definido como la temperatura a la cual la muestra llega a 30.000 cP. El índice de gelificación se define como la relación entre la mayor velocidad de cambio en el incremento de la viscosidad desde -5 ºC y la temperatura más baja del ensayo. Este método encuentra aplicación en aceites de motores, y es requerido por la  ILSAC GF-2.

  • Simulador de Cojinete Cónico: Esta técnica también mide viscosidades a altas temperaturas y velocidades de corte (ver Viscosímetro capilar de alta presión). Se obtienen altas velocidades de corte usando distancias extremadamente pequeñas entre las paredes del rotor y estator.

Los requerimientos físicos tanto para aceites para cigueñal como para engranajes están definidos por la SAE J300

Intercambio de Calor

Otra importante función de un lubricante es actuar como un enfriador, removiendo el calor generado por la fricción o por otras fuentes tales como la ocmbustión o el contacto con sustancias a alta temperatura. Para realizar esta función, el lubricante debe permanecer relativamente sin cambios. Los cambios en la estabilidad térmica y estabilidad a la oxidación harán disminuir la eficiencia del lubricante. Para resolver estos problemas es que generalmente se agregan los aditivos.

Suspensión de contaminantes

La habilidad de un lubricante para permanecer efectivo en la presencia de contaminantes es bastante importante. Entre estos contaminantes se cuentan agua, productos ácidos de la combustión y materia particulada. Los aditivos son generalmente la respuesta para minimizar los efectos adversos de los contaminantes.

        

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Última modificación: 09 de febrero de 2015