Elementos lubricados con grasa

Elementos lubricados con grasa
Jesús Terradillos, Manuel Bilbao
1. INTRODUCCIÓN
El propósito de la lubricación es la separación de dos superficies con deslizamiento relativo
entre sí de tal manera que no se produzca ningún tipo de desgaste o daño en ellas. Lo que
se pretende es que el rozamiento en el proceso de deslizamiento sea lo más pequeño
posible. Para conseguir esto se intenta, siempre que sea posible, que haya una película de
lubricante de espesor suficiente entre las dos superficies en contacto para evitar el
desgaste.
La lubricación de las máquinas ha cambiado mucho en los últimos años, no sólo por la
evolución de los lubricantes sino también por la utilización de los sistemas de engrase, cada
vez más sofisticados. El mercado de grasas lubricantes no queda exento de cambios.
Aparecen necesidades de lubricación más exigentes, y se requieren grasas de mayor
calidad para periodos de lubricación más largos.
2. LUBRICACIÓN Y DISEÑO DE ELEMENTOS
Los componentes de la maquinaria industrial que necesitan habitualmente lubricación con
grasa son:
1- Cojinetes
2- Rodamientos
3- Engranajes
4- Otras partes en movimiento
En este artículo se van a desarrollar los dos primeros puntos.
1.1. Cojinetes
Normalmente, el cojinete está fabricado por un material o aleación más blando que la pieza
contra la que se mueve. Existen diferentes tipos de cojinetes en función de la aplicación.
A) Cojinetes longitudinales (Journal Bearings). El cojinete solo soporta al eje de la línea
de carga.
B) Cojinetes de Guía (Guide Bearings). En este tipo de cojinetes se reparte mejor la
carga. Normalmente, esta es menos que en los Cojinetes de Eje. Su superficie
interior suele tener surcos para distribuir el lubricante y liberar presión.
C) Cojinete de Empuje (Thrust Bearing). Estos cojinetes acomodan el movimiento axial
de un eje que rota.
Lubricación de Cojinetes.
Dependiendo de si la película de lubricante es capaz de separar las superficies a lubricar la
lubricación, podrá ser de dos tipos:
Lubricación de Película Mixta (Boundary or Mixed Film Lubrication). Cuando no se forma la
película y las superficies no están completamente separadas y existe algún tipo de contacto
metal-metal.
1
Lubricación Hidrodinámica (Hydrodynamic lubrication). Se forma la capa de lubricante con
una presión suficiente como para poder separar las dos superficies a lubricar.
a) Lubricación de Película Mixta. Se pueden generar productos de descomposición del
lubricante. Un caso típico es cuando se pone en marcha una máquina. Una parte de
la grasa se va a mover con el eje y la otra va a permanecer más o menos
estacionaria con el cojinete.
b) Lubricación Hidrodinámica. Si se aumenta la velocidad puede llegarse a formar la
capa de película de lubricante. Los cojinetes suelen tener surcos para permitir a la
grasa acceder a todas las partes en la longitud del cojinete.
c) Elección del lubricante. La elección entre grasa y aceite depende de la relación entre
la velocidad del eje y la viscosidad.
Los cojinetes que funcionan a bajas velocidades utilizan aceites de viscosidad alta o
grasas, mientras que los que van a altas velocidades necesitan aceites ligeros.
La grasa o aceite elegido debe tener la suficiente viscosidad como para mantener
una capa de fluido continua.
1.2. Rodamientos
Un rodamiento está formado generalmente por bolas o rodillos situados en un
compartimiento estanco y con un eje en movimiento.
A) Rodamientos de Bolas. El funcionamiento es similar al de un Cojinete. Pueden estar
cerrados para impedir fugas de lubricante, o para evitar la entrada de contaminación
externa: agua, polvo o suciedad.
B) Rodamientos de Rodillos.
− Rodamientos Cilíndricos. Pueden soportar altas cargas radiales, y pueden operar
a altas velocidades.
− Rodamientos Afilados. Puede soportar tanto cargas radiales como de empuje.
Muy usado en la industria de los coches.
− Rodamientos Esféricos. Están limitados en velocidad soportando altas cargas
radiales y de choque.
− Rodamientos de Aguja. Poseen una alta capacidad para soportar cargas.
Lubricación de Rodamientos.
La lubricación de rodamientos cumple tres funciones:
1.
2.
3.
1)
Reducir la fricción por rodadura y deslizamiento.
Proteger las superficies de los rodamientos contra la corrosión y el pitting.
Actuar como un sello.
Fuente de Fricción. La rodadura es la principal fuente de fricción en un rodamiento.
La fricción por rodadura aumenta debido a la deformación del metal cuando una bola
o rodillo, bajo una presión, se mueve a lo largo del rodamiento. Se forma una
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deformación en la superficie interna del rodamiento debido a la resistencia al
movimiento que ofrece.
Además se produce calor por fricción. Esto genera una acción abrasiva y un desgaste
por deslizamiento.
Se genera desgaste por deslizamiento cuando los elementos del rodamiento están
separados entre sí. También se produce cuando se disminuye la velocidad ya que se
reduce la fuerza centrifuga de los elementos del rodamiento.
La fricción también se puede generar por corrosión en la superficie del metal,
obteniéndose partículas de óxido abrasivo.
2) Capa Elastohidrodinámica (EHD). Los lubricantes que se usan en estos elementos
están sujetos a altas presiones entre las zonas de contacto de los elementos del
rodamiento, sufriendo un dramático aumento de la viscosidad.
Estos contactos a altas presiones deforman elásticamente la superficie del rodamiento
aumentando la zona de contacto que soporte la carga. La combinación entre la
deformación de la superficie y la acción de la lubricación hidrodinámica (EHD) produce
una fina capa de lubricante elastohidrodinamico que es la que se da en las zonas de
contacto de los rodamientos.
3) Lubricación con Grasas. La grasa se introduce en el rodamiento, pero solo una
pequeña parte ejerce el papel de lubricar las zonas de contacto; el resto permanece
intacta y funciona como un sello.
Cuando se cambia la grasa por una nueva, debido a que tiene que circular por los
elementos se genera en un primer momento un aumento en la temperatura debido a la
fricción y a turbulencias. Una vez que la grasa se ha asentado la temperatura disminuye
a unos estados normales.
3. CRITERIO DE SELECCIÓN DE LA GRASA
La selección del lubricante depende en gran medida de las características del aceite o grasa
que se vaya a utilizar. Dependiendo de la aplicación suele ser más conveniente utilizar un
aceite o una grasa. Las grasas lubricantes suelen ser más convenientes en las siguientes
aplicaciones:
a) Equipos que funcionan de manera intermitente o están largos periodos de tiempo
parados.
b) Condiciones de funcionamiento extremas (altas temperaturas, presión, cargas por
impacto, bajas velocidades).
Las grasas se utilizan fundamentalmente para:
a)
b)
c)
d)
e)
Prevenir el desgaste
Reducir la frecuencia de relubricación.
Actuar como sellante.
Proteger frente a la corrosión y herrumbre.
Inhibidor de la oxidación.
3
f) Suspender los aditivos sólidos.
g) Reducir el ruido y vibración.
h) Minimizar las fugas, chorreos y salpicaduras.
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Características de las grasas.
Propiedades
Sodio
Punto de Gota (ºC)
Temperatura máx.
uso
Resistencia al agua
Estabilidad al trabajo
Estabilidad a la
oxidación
Protección
herrumbre
Bombabilidad
163-177
Calcio
Calcio
Complejo
Litio
(convencional) (anhidro)
de Aluminio
96-104
135-143 177-204
>260
Complejo
de Calcio
>260
Complejo de
Litio
>260
243
Arcillas
orgánicas
>260
Poliurea
121
93
110
135
177
177
177
177
177
P-F
F
G-E
F-G
E
G-E
G
G-E
G-E
G-E
F-E
F-G
G-E
G-E
G-E
P-G
F-E
F-G
P-G
P-E
F-E
F-E
F-E
P-G
F-E
G-E
G
G-E
P-E
P-E
P-E
G-E
F-E
F-E
F-E
P-E
P-F
G-E
G-E
G-E
G
Apariencia
De lisa a
fibrosa
Lisa,
mantecosa
Lisa,
mantecosa
Lisa,
mantecosa
Lisa,
mantecosa
Otras propiedades
Adhesivas,
cohesiva
EP
EP
EP
Aumentando
Aumentand
o
Volumen producción
Decayendo
y tendencia
Decayendo
F-E
F-E
F-G
P-F
Lisa,
Lisa,
Lisa,
Lisa,
mantecos manteco
mantecosa
mantecosa
a
sa
EP,
EP,
EP,
EP
reversibl
reversible antidesgaste
e
Sin
El Lider Aumentando Decayendo
cambios
Decayendo
P = Pobre, F =Regular, G = bueno, E = Excelente
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En general, las principales aplicaciones de las grasas se encuentran en:
a) Automoción.
b) Industria.
Servicio
Alta Temperatura
Baja Temperatura
Rango de temperatura de
funcionamiento amplio
Sujeción al agua
Extrema Presión
Multipropuesta
Requerimientos
Espesantes de altas temperaturas
Aceite con alta viscosidad
Aceite con punto de inflamación alto
Alto grado NLGI
Resistencia a la oxidación
Bajo porcentaje de espesante
Grado NLGI bajo
Aceite de baja viscosidad
Aceite con un punto congelación bajo
Resistencia a la herrumbre
Espesantes de altas temperaturas
Torque a bajas temperaturas bueno
Buena bombabilidad
Baja evaporación
Resistencia a la oxidación
Resistencia a la herrumbre
Bajo rociado
Consistencia firme
Resistencia a la herrumbre
Valores de desgaste bajos
Valores test de desgaste de EP altos
Aditivos sólidos
Aceite de alta viscosidad
Habitual EP-Antidesgaste
Resistencia a la oxidación
Resistencia a la herrumbre
Bombeabiliad aceptable
Resistencia al agua
6
−
Automoción.
Los rodamientos que se encuentran en las ruedas de un automóvil son la parte más crítica a
lubricar. Trabajan bajo condiciones muy severas de temperatura y presión en ambientes
hostiles (agua, nieve, polvo, barro, etc.). Están sujetos a cargas repentinas y altas
temperaturas durante el frenado. Es importante que la grasa no se ablande demasiado ya
que podrían producirse fugas, provocando fallos en el frenado.
•
Desgaste (Fretting). Este daño en la pieza se genera debido a las cargas, ya que
producen pequeñas vibraciones durante un largo tiempo. También se puede dar
cuando un automóvil rueda por una carretera con muchos baches. Otra forma es
cuando se tiene parado el automóvil mucho tiempo.
A veces las grasas tornan a un color rojo-marrón por la formación de óxidos
rojos debidos a este “fretting”. Como los óxidos rojos son abrasivos, pueden
generar desgaste en el elemento.
Dependiendo de los aditivos presentes en las grasas, algunas previenen mejor
este fenómeno que otras. Por ejemplo, una grasa blanda con una viscosidad del
aceite base baja, protege mejor que una dura.
•
Vida del Rodamiento de la Rueda. Se puede aumentar utilizando una grasa
adecuada, cambiándola cuando lo recomienda el fabricante y haciendo un
seguimiento de la misma, comprobando las partículas presentes etc.
•
Grasa de Juntas Universales. Se usan cuando se soportan grandes cargas.
•
Grasa del Chasis. Para maquinaria pesada se necesitan grasas con una
viscosidad aparente alta a velocidades de cizallamiento altas.
•
Grasas de Chasis con Amplios Intervalos de Lubricación (ELI). Se usan en
sistemas que se engrasan y sellan durante su fabricación y que normalmente no
requieren relubricación más que en largos intervalos de tiempo.
•
Grasas Multipropuesta. Se suelen usar en cualquiera de los elementos descritos
antes.
•
Grasas de Extrema Presión (EP). Estas grasas soportan altas cargas.
•
Lubricantes de “Track Roller”. Estas grasas son especiales, son blandas NLGI 0 o
semifluidas. Estos lubricantes deben tener unas buenas cualidades sellantes para
proteger contra los abrasivos, tener una buena capacidad de soportar carga,
proteger contra el desgaste tanto a bajas como altas velocidades bajo altas
cargas de funcionamiento, y resisten al lavado con agua.
7
−
Industriales
• Aplicaciones en laminados (Steel Mill). Estas maquinas trabajan en ambientes
muy hostiles.
• Papeleras. El problema fundamental de estas grasas es que trabajan con altas
cantidades de agua, por lo cual debe poseer unas extraordinarias cualidades de
lavado al agua y anticorrosivas.
4. MÉTODOS DE APLICACIÓN DE GRASAS
Las grasas se aplicar en función del número de cojinetes o otras partes en movimiento
implicadas, y en las condiciones bajo las cuales la máquina funciona.
−
Llenado a mano.
Aplicar la grasa antes de ensamblar las partes para su puesta en marcha. Este tipo de
engrasado utiliza mucha grasa que no se aprovecha y permite la entrada de partículas
extrañas y suciedad al sistema.
−
Llenado con copa de grasa por compresión.
La grasa se introduce en una copa y esta se coloca en el lugar de engrase. A continuación
se presiona para que vaya saliendo un hilo de grasa y se introduzca en la máquina. De esta
manera se puede ir engrasando poco a poco. El fallo que tiene es que el reparto no es
uniforme ni eficiente. Además, requiere frecuente atención.
−
Llenado con copa de grasa automática.
Es un método más evolucionado que el anterior. Posee un reservorio de grasa con un
dispositivo ON-OFF. De esta manera se controla el flujo de grasa que entra en el sistema.
Tanto este sistema como el anterior no son recomendables para condiciones de trabajo con
amplias variaciones de temperatura donde la consistencia de la grasa puede verse afectada.
−
Aplicación de presión.
Es el método más usado para la aplicación de la grasa aplicando una presión adecuada. La
grasa se introduce al sistema mediante una válvula con una bola que permite introducirse la
grasa en el sistema. Cuando se deja de aplicar presión, la válvula se cierra para impedir que
entre suciedad y que no se produzcan fugas.
Se elige este método frente a la copa de grasa por diferentes motivos:
•
•
•
Con lubricación a presión, es posible lavar los cojinetes eliminando la grasa vieja y
contaminantes.
Una presión adecuada protege más efectivamente los cojinetes frente a la entrada
de partículas extrañas.
Este sistema es más efectivo porque la grasa usada se reduce al mínimo en el
sistema.
8
−
Sistema de centralización automático.
Este sistema es con mucho el más económico de los métodos de engrasado.
Permite lubricar varias partes de la máquina a la vez y en funcionamiento. Elimina
los posibles problemas del engrasado a mano, facilitando también el engrasado
de partes de la máquina de difícil acceso.
5. CONSIDERACIONES MEDIOAMBIENTALES
−
Biodegradabilidad.
Una de las áreas en las cuales se está trabajando más, hoy en día, es la de mejorar las
formulaciones de las grasas para optimizar el proceso de degradación, para que sea lo más
natural posible. Las grasas biodegradables están compuestas esencialmente por los mismos
componentes que las no biodegradables. La principal diferencia es el aceite base utilizado
para la fabricación. Se están empezando a introducir cada vez más aceites vegetales y
sintéticos biodegradables en sustitución de los minerales que no son biodegradables.
El reto actual está en utilizar aceites vegetales. Sin embargo, en aquellas aplicaciones en las
cuales la temperatura es muy alta no queda más remedio que utilizar los aceites sintéticos,
pero son bastante caros.
Las grasas biodegradables se fabrican con jabones de calcio, los cuales tienen una
temperatura menor de trabajo. Otras grasas biodegradables se crean a partir de jabones de
arcillas, poliurea y aluminio complejo, pero todas ellas tienen limitaciones de aplicación y/o
costo.
Los componentes de una grasa biodegradable son:
−
−
−
−
Aceite base 75-95%: Vegetal o Sintético.
Espesante 5-20%: Jabones convencionales.
Aditivos 1-8%: Inhibidores de la oxidación, Inhibidores de la corrosión, agentes
antidesgaste/EP.
Polímeros.
La Biodegradabilidad es la mayor consideración medioambiental a tener en cuenta, pero no
es la única. Otros factores importantes que se deben tener en cuenta son:
•
•
•
•
•
-
Toxicidad del producto final.
Uso de metales pesados (Pb, Sb).
Uso de cloro para dar características EP.
Aplicaciones para sellado de por vida para reducir la cantidad de grasas usadas.
Grasas, con formulaciones poliméricas, para reducir las fugas.
Aplicaciones Sensibles.
Las aplicaciones o sectores industriales más típicos que tienen un alto impacto
medioambiental, son entre otras:
9
•
•
•
•
•
•
•
•
Trenes (grasas de reborde y curva).
Minería (grasas de engranaje abierto).
Acería (lubricantes de laminación -rolling mill-).
Agricultura (lubricantes para la industria transformadora del algodón).
Construcción (lubricantes para máquinas de perforar).
Marina.
Selvicultura (lubricantes de levas).
Eólica
-
Responsabilidad Global
Hoy en día ya no tienen tanta importancia los problemas de costo y funcionamiento para la
formulación y fabricación de las grasas, sino que se empiezan a tener en cuenta otros
factores:
•
•
•
•
Restricciones ambientales.
Biodegradabilidad.
Aumento de la conciencia del impacto ambiental a través del ciclo de vida del
producto, desde la formulación y fabricación hasta su uso final.
Mayor información del producto respecto al manejo, uso, eliminación, y riesgo
potencial.
6. DIAGNÓSTICO DE APLICACIÓN DE GRASAS.
Síntoma
Rodamientos
Ruido excesivo
Posible Causa
Estado del cojinete
Sobre-engrasado
Lubricación deficiente
Sobrecalentamiento
Producto incorrecto
Juntas
Fuga
excesiva
lubricante
de
Grado NLGI incorrecto
Incompatibilidad de grasas
Recambio frecuente del
Desgaste excesivo
rodamiento
Comprobar
Cojinete gastado
Aplicación
demasiado
frecuente
Cojinete con demasiada grasa
Frecuencia
de
engrasado
insuficiente
Viscosidad del aceite base
incorrecta
Habilidad
deficiente
de
soportar la carga (Calidad EP)
Excesiva fuga de lubricante
Daño mecánico
Hinchamiento o disminución
excesiva
Instalación incorrecta
Grasa demasiado blanda para
la aplicación o se emblandece
en servicio
Mezcla de las grasas
Poca capacidad de soportar
cargas
Lubricación deficiente
Contaminación
de
arena,
polvo, agua
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Demasiado tiempo de vida del
rodamiento
Grado NLGI incorrecto
Alineamiento correcto
Desalineamiento
Cojinetes Planos
Sobrecalientamiento
Desgaste excesivo
Distribución de la grasa
Grado NLGI incorrecto
inadecuada en el cojinete
Surcos de los cojinetes
incorrectos
Lubricación deficiente
Lubricación deficiente
Aplicación de la grasa Estabilidad mecánica de la
incorrecta
grasa en servicio
Lubricación infrecuente
Lubricación deficiente
Lubricación deficiente
Poca capacidad de soportar
cargas
Mala aplicación de la grasa
Rango de temperatura de la
grasa
Engranajes Cerrados
Fugas excesivas
Grasa demasiado
para la aplicación
blanda
Incompatibilidad de grasas
Ruido
Falta de lubricación
Falta de lubricación
Sobrecalentamiento
Hacerse churros
Rotura del diente
Picado
Desgaste y “scoring”
Grado NLGI incorrecto
Contaminación
con
grasa
incompatible
Nivel de lubricante inadecuado
Grado NLGI incorrecto
Nivel de lubricante inadecuado
Grado NLGI incorrecto
Sobrelubricación
Grado NLGI incorrecto
Normalmente
no
está
relacionado con el lubricante
Cuando no está relacionado
con el lubricante, una grasa o
Relacionado con el mal
aceite
base
con
una
diseño o con la fatiga
viscosidad alta puede ayudar a
retrasar el picado
Falta de lubricación de la
Nivel de lubricante inadecuado
película
Aplicación inadecuada de la Consistencia, calidad EP, y
grasa
viscosidad del aceite base
Desgaste abrasivo
Contaminación
Desalineamiento
Alineamiento correcto
Engranajes abiertos
Lubricante inadecuado
Falta de lubricación de la
Frecuencia
de
aplicación
película
inadecuada
Lubricación
demasiado
frecuente
Buildup
en
los
Tipo apropiado de lubricante
engranajes o en las Lubricación excesiva
roots
Contaminación
Superficies deslizantes
Movimiento
no Lubricación insuficiente
Frecuencia de aplicación
Desgaste del engranaje
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uniforme (stick slip)
Juntas Universales
Desgaste excesivo
Tipo apropiado de lubricante
Lubricación insuficiente
Motores Eléctricos
Mal
funcionamiento
Excesivas fugas de grasa
eléctrico
Altas temperaturas
Tipo apropiado de lubricante
Frecuencia de lubricación de la
grasa
Frecuencia de lubricación
Sobre lubricación
Enganches (Couplings)
Enganche seco
Fuga excesiva de grasa
Separación por
centrifugación
Desgaste excesivo
Grasa incorrecta
Lubricadores Centralizados
Grasa endurecida
Resevóreos vacíos
No hay grasa en los Mal funcionamiento de la
bomba
puntos de aplicación
Plugged metering blocks
Sistema airbound
Presión del sistema alta Plugged metering devices
Válvula de alivio funciona
mal
Grado NLGI inadecuado
Aplicaciones Húmedas
Ruido, alto desgaste
Herrumbre excesiva
Lubricación insuficiente
Daño en los sellos
Grado NLGI inadecuado
Keyway abiertos
Tipo de lubricante adecuado
Tipo de lubricante adecuado
Llenar con
adecuado
el
lubricante
Suministro de aire/electricidad
Tipo de lubricante adecuado
Contaminación
Comprobar y reparar
Tipo adecuado de lubricante
Frecuencia de aplicación
Tipo adecuado de lubricante
Tipo adecuado de lubricante
Lavado del lubricante
Aplicación inadecuada de la
Tipo adecuado de lubricante
grasa
Alta Temperatura
Frecuencia de aplicación
Tipo adecuado de lubricante
Incompatibilidad de grasas
Tipo adecuado de lubricante
Contaminación
con
grasa
Grado NLGI inadecuado
incompatible
Fuga excesiva
Viscosidad del aceite base Contaminación
con
grasa
inadecuada
incompatible
La grasa y el sello son
Sellos
incompatibles
Aplicación de la grasa
Tipo de espesante
Endurecimiento de la
inadecuada
grasa
Oxidación de la grasa
Ruido, alto desgaste
Lubricación insuficiente
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