INTRODUCCIÓN

Las máquinas rotativas ocupan un rubro importante dentro de los inventarios de cualquier empresa productora de bienes de capital por lo que es necesario en el momento de adquirirlas conocer la vida disponible con la cual se cuenta y saber cuales son los factores que en la práctica hacen que ésta se vea reducida. Muy pocas veces el dueño de la máquina rotativa conoce a ciencia cierta cuál es la vida en horas de operación que ha comprado por lo que le resulta muy complicado y prácticamente imposible saber si tal ó cual condición operacional, de lubricación ó de contaminación están impactando negativamente la vida del mecanismo y qué se podría hacer para controlarlos ó evitarlos.

Lo primero que se debe hacer en la práctica, si se desea lograr la mayor rentabilidad posible de los mecanismos adquiridos es saber su vida disponible, la cual es suministrada por el fabricante de la máquina rotativa y puede ser expresada en horas de operación, en kilómetros recorridos ó en rpm como en el caso de los rodamientos. Una vez conocido este dato es necesario tener muy claro cuales son los factores que la afectan y qué debe hacer el usuario para eliminar la posibilidad de que estos se presenten. El problema que se presenta con la mayoría de las máquinas rotativas es que el usuario por lo regular no conoce su vida disponible porque pasa por alto pedirle esta información al fabricante en el momento de adquirir ó de recibir la máquina rotativa, haciendo más difícil evaluar el efecto que realmente tienen los factores modificadores de la vida disponible.

La vida disponible (Vd) de los mecanismos de una máquina rotativa es la que proyecta el fabricante de la misma desde el mismo momento en que la está diseñando y es la que se espera que se alcance cuando se está utilizando en un proceso productivo. En la siguiente ecuación se especifican los diferentes factores que afectan la vida disponible de un mecanismo:

Vd = wd/wt x fho x fTop x fTAN x fISO4406 x fH2O

Donde:

Vd: Vida disponible del mecanismo.
wd/wt: Relación entre la carga de diseño y la de trabajo.
fho: Factor del espesor de la película lubricante a la temperatura de operación del mecanismo.
fTop: Factor de la temperatura de operación.
fTAN: Factor del Número Acido Total del aceite de acuerdo con la norma ASTM D664.
fISO4406: Factor de limpieza del aceite de acuerdo con la norma ISO 4406.
fH2O: Factor del contenido de agua en el aceite de acuerdo con la norma ASTM D95.

La relación de carga Wd/Wt se define como la relación entre la carga Wd que tuvo en cuenta el fabricante del mecanismo

en el momento de diseñarlo y la carga máxima de trabajo Wt que se espera que actúe sobre dicho mecanismo cuando esté trabajando. Entre más alta sea esta relación mayor será la probabilidad de vida del mecanismo y si es menor de uno, la vida disponible será menor que la especificada por el fabricante de la máquina rotativa ya que la vida disponible esperada está basada para una relación de carga máximo de uno. En la práctica en no pocos casos se trabaja con relaciones de carga menores que uno como resultado de sobrecargas que actúan sobre los mecanismos ocasionadas por problemas mecánicos como desbalanceos, desalineamientos, etc, ó por condiciones operacionales anormales cuando las máquinas rotativas se someten a procesos diferentes a los de diseño.

El factor del espesor de la película lubricante fho se define como la relación entre el espesor de la película lubricante de trabajo y el de diseño (fho = ho trabajo / ho diseño); el valor máximo de este factor debe ser uno. El ho trabajo es el que genera el aceite cuando se encuentra lubricando el mecanismo y se calcula con el grado ISO del aceite y la temperatura de operación (Top); este valor es muy susceptible de variar en la práctica y puede ser mayor ó menor que el de diseño dependiendo de las variaciones en la temperatura ambiente (Ta) que hacen que la temperatura de operación (Top = Ta + incremento de temperatura por fricción) varíe prácticamente en la misma proporción. Si la temperatura de operación disminuye, el ho trabajo aumenta, haciendo que el fho aumente por encima de uno y por lo tanto parecería que la vida disponible se incrementaría, teóricamente esto es cierto pero al aumentar el ho trabajo se incrementa también el desgaste erosivo en los mecanismos lubricados, el consumo de energía por exceso de fricción fluida, la temperatura de operación y el aceite se oxidará más fácilmente. Si la temperatura de operación aumenta, el ho trabajo disminuye, haciendo que el fho disminuya por debajo de uno reduciendo la vida disponible del mecanismo lubricado. Al disminuir el ho trabajo se puede presentar desgaste adhesivo en el mecanismo lubricado como resultado del menor número de capas de la película lubricante, tanto si la lubricación es EHL como si es fluida, siendo más crítico el problema en esta última condición de lubricación. Lo ideal sería que el ho trabajo no variara con respecto al ho diseño haciendo que el fho fuera siempre igual a uno; esto en la actualidad es imposible de lograrlo con los lubricantes disponibles en el mercado pero si se puede alcanzar un fho lo más cerca de uno mediante la utilización de aceites con Indices de Viscosidad (IV) mayores de 150 ( por lo regular son aceites sintéticos del tipo PAO y PAG ó vegetales). El ho trabajo también puede variar como resultado de la utilización de aceites de grados ISO mayor ó menor (por una selección inadecuada) que el especificado por el fabricante de la máquina rotativa.

El ho diseño es el que calcula el fabricante del mecanismo teniendo en cuenta parámetros como la carga de trabajo, la velocidad, la temperatura de operación, las dimensiones del mecanismo, el tipo de película lubricante y la rugosidad de las superficies sometidas a fricción. Con el ho diseño el fabricante define el grado ISO y las propiedades físico-químicas del aceite que se debe utilizar y la temperatura de operación. Para seleccionar correctamente el grado ISO del aceite que se va a utilizar es necesario tener en cuenta el Indice de Viscosidad, el coeficiente de fricción del aceite recomendado y la temperatura ambiente en el cual va a trabajar el mecanismo, si es diferente a la que tuvo en cuenta el fabricante de la máquina rotativa al calcular el grado ISO del aceite, es necesario hacer los correctivos del caso utilizando un gráfico Viscosidad - Temperatura y graficando allí la curva del aceite.

El factor de la temperatura de operación se define como la relación entre la temperatura de operación de diseño (especificada por el fabricante del mecanismo y que no debe ser mayor de 50°C) y la temperatura de operación de trabajo del mecanismo que es la temperatura real a la cual se encuentra trabajando (fTop = Top diseño/ Top trabajo). Este factor no debe ser menor de uno.

La Top diseño en los mecanismos de las máquinas industriales no debe ser mayor de los 50°C, entre más alta sea la Top diseño con respecto a este valor más limitada será su vida disponible, especialmente cuando las condiciones de lubricación son del tipo EHL; por lo tanto un buen diseño debe estar fundamentado en este valor máximo recomendado para la temperatura de operación.

Un buen número de máquinas industriales operan a Top trabajo por encima de los 50°C, siendo una de las razones más importantes la falta de sistemas de enfriamiento para el aceite debido en algunos casos a la necesidad de los fabricantes de poderle ofrecer a los posibles clientes máquinas industriales más baratas y así poder competir en un mercado cada vez más difícil. En este caso la responsabilidad de optimizar la Top trabajo recae en el usuario, pero éste pocas veces lo hace, lo cual conlleva a que el fTop cada vez sea menor que uno y por consiguiente la vida disponible se reduzca considerablemente. En otras ocasiones, el usuario, deliberada ó inconscientemente le elimina a las máquinas rotativas los sistemas de enfriamiento de aceite que por diseño traían dando lugar al incremento en la Top trabajo y por lo tanto a la reducción del fTop. El incremento en la Top trabajo también puede ser el resultado de sistemas de enfriamiento deficientes debido, por ejemplo, al taponamiento de los tubos de enfriadores de aceite que trabajan con agua que contiene lodos en suspensión ó al uso de aceites de mayores viscosidades que las requeridas.

El factor del Numero Acido Total fTAN del aceite industrial debe ser máximo de uno; si es mayor de uno en el momento de cambiar el aceite, se estaría sub-utilizando el aceite ya que se estaría cambiando aún con un buen porcentaje de vida disponible y si es menor de uno, los ácidos ( H2S; H2SO4) presentes en el aceite oxidado darían lugar a problemas de desgaste corrosivo en los mecanismos lubricados. El factor del Número Acido Total (fTAN = TAN diseño/ TAN trabajo) se calcula de la relación entre el TAN máximo permisible ó de diseño TAN diseño para el aceite en servicio de acuerdo con el mecanismo que está lubricando y el TAN de trabajo ó real del aceite TAN trabajo. Ambos valores del TAN se evalúan mediante pruebas de laboratorio.

El TAN diseño se evalúa con la norma ASTM D664 y su valor depende del mecanismo que se esté lubricando, por lo regular, el valor máximo permisible del TAN diseño para los aceites minerales es 1,0 mgrKOH/gr.ac.us y para los aceites sintéticos de 3,0 mgrKOH/gr.ac.us. El TAN trabajo se determina analizando periódicamente el aceite mineral y cuando alcance el valor máximo del TAN diseño se cambia. El fTAN se podría controlar fácilmente si la lubricación de las máquinas rotativas de la empresa se lleva a cabo por condición y no bajo un programa preventivo de lubricación.

·El factor de limpieza del aceite fISO4406 en la práctica si puede ser mayor de uno y puede incrementar la vida disponible del mecanismo por encima del valor especificado por el fabricante de la máquina industrial. El fabricante cuando calcula el fISO4406 tiene en cuenta la limpieza máxima normal con la cual un mecanismo podría trabajar en la máquina lubricada. Si el usuario puede garantizar, en operación, una limpieza del aceite mejor que la del aceite nuevo (es poco probable) sería posible lograr incrementar significativamente la vida disponible del mecanismo lubricado.

El factor de limpieza del aceite (fISO4406 = ISO4406 diseño / ISO4406 trabajo) se calcula de la relación entre el nivel de limpieza de diseño ó recomendado ISO4406 diseño que lo especifica la norma ISO 4406 en función del mecanismo que se vaya a lubricar y el nivel de limpieza real del aceite que está trabajando en el mecanismo ISO4406 trabajo el cual se evalúa tomando una muestra del aceite en servicio y haciéndole un conteo de partículas. Si el fISO4406 es mayor de uno, el desgaste erosivo y abrasivo en los mecanismos lubricados es menor, y será tanto menor, cuanto más limpio esté trabajando el aceite en los mecanismos lubricados. Por el contrario, si el fISO4406 es menor de uno, el desgaste erosivo y abrasivo en los mecanismos lubricados se intensificará y será mayor cuanto mas contaminado esté el aceite en el mecanismo.

En la práctica no es fácil lograr que el fISO4406 sea al menos igual a uno, empezando porque los aceites nuevos ya vienen con un determinado nivel de contaminación, por lo regular su nivel de limpieza es 16/13/11 ó sea que nos son aceites "limpios" ; por otro lado, en la mayoría de las empresas se presentan malas prácticas en la manipulación y aplicación de los aceites industriales y en la limpieza interna de los mecanismos lubricados, lo cual conlleva a que se trabaje con aceites con códigos ISO de limpieza altos, que en la mayoría de los casos pueden ser 21/20/19 ó más altos. El fISO4406 es quizás el factor que más impacta la vida de los mecanismos y al que menos atención se le presta por parte de la industria. Filtrar aceites industriales no es una tarea fácil, en la mayoría de los casos porque en las empresas se trabaja con programas de lubricación preventiva y no predictiva, y por la falta de contar con filtros de alta eficiencia ó porque su costo es relativamente alto. Para garantizar en la práctica fISO4406 mayores de uno se requiere cambiar la filosofía de cómo llevar a cabo los programas de lubricación en las empresas y que todo el personal, desde la gerencia hasta el personal de mantenimiento, comprendan que las partículas de un tamaño igual ó mayor a las 2 micras presentes en el aceite generan críticos problemas de desgaste erosivo y abrasivo en los mecanismos lubricados. Una muestra de aceite industrial, aunque al ojo humano parezca completamente "limpia" puede tener cientos de partículas microscópicas que pueden reducir considerablemente la vida disponible del mecanismo lubricado.

La presencia de agua en el aceite por encima del valor máximo permisible da lugar al rompimiento de la película lubricante ho y por consiguiente al desgaste adhesivo en los mecanismos lubricados. También permite el desprendimiento de la película límite que se encuentra adherida a las micro-rugosidades de las dos superficies que se mueven la una con respecto a la otra. Lo ideal sería que en la práctica el contenido de agua presente en el aceite sea nulo, ó sea que el aceite trabaje completamente seco en el mecanismo, pero esto es completamente imposible, por lo que la vida del mecanismo con respecto al fho contempla una cantidad máxima permisible de agua en el aceite, que de acuerdo con la norma ASTM D95 es de 0,2% por volumen para la mayoría de los mecanismos lubricados.

El fho se calcula de la relación del contenido de agua máxima permisible en el aceite ó de diseño ho diseño y la cantidad de agua real presente en el aceite ho trabajo la cual se evalúa tomando una muestra del aceite que se encuentra trabajando en el mecanismo lubricado y analizándole en el laboratorio el contenido de agua en % volumen de acuerdo con el método ASTM D95. El valor de fho es de uno si el aceite trabaja con una cantidad máxima de agua de 0,2% por volumen; será mayor de uno si trabaja exento de agua (lo cual en la mayoría de los casos es prácticamente imposible) y con esto se lograría incrementar la vida del mecanismo lubricado y finalmente será menor de uno cuando se encuentra contaminado con ella, siendo más crítico en la medida que la cantidad de agua presente en el aceite sea mayor. Se han presentado casos críticos en la industria, principalmente cuando se trata de turbinas de vapor en las cuales, en no pocos casos, el aceite ha alcanzado niveles de contaminación con agua hasta del 10% por volumen, ocasionando en la mayoría de los casos la destrucción parcial ó total de los cojinetes de empuje.

La mejor práctica para mantener el aceite libre de agua es drenándole diariamente el agua que pueda tener; por la acción de los aditivos anti-emulsionantes que posee el aceite industrial, el agua presente en él se va al fondo del depósito lo cual permite que al abrir la válvula de drenaje se pueda evacuar la totalidad del agua en estado libre que se ha separado del aceite. En caso tal de que el agua en el aceite se encuentre diluida ó emulsionada será necesario filtrarlo con filtros coalescentes, centrifugarlo ó dializarlo según el caso.

La vida disponible de los mecanismos de las máquinas industriales depende de los factores que la pueden afectar como son fho, fTop, fTAN, fISO4406 y fH2O; dependiendo del valor que tengan estos factores se tendrá una mayor ó menor vida disponible. En cualquier caso se debe garantizar, hasta donde sea posible, que estos factores sean iguales a uno, para lo cual es necesario comprender bien su significado e implementar los correctivos que sean necesarios con el fin de alcanzar este objetivo. Es muy importante tener en cuenta fundamentar los programas de lubricación predictiva en el uso de aceites con altos Indices de Viscosidad y eficientes sistemas de filtración, con filtros que cumplan con los niveles especificados por la norma ISO 4406 de acuerdo con el mecanismo que se esté lubricando. Aparentemente se estará pagando más por la utilización de aceites con altos IV y con mejores niveles de limpieza, pero esta inversión se verá compensada por los menores costos de mantenimiento, de lubricación y la mayor disponibilidad obtenida en las máquinas rotativas.

INQUIETUDES DE NUESTROS SUSCRIPTORES

Muy importante el punto que ustedes han tocado, ya que muy pocas veces en la industria a la hora de justificar la implementación de aceites sintéticos se tiene en cuenta el menor consumo de energía por fricción en los mecanismos lubricados. El procedimiento que se debe seguir en este caso es el siguiente:

· Hacer un dibujo del reductor de velocidad en el cual se detallen todos los puntos donde se van a presentar pérdidas de energía por fricción, como por ejemplo, en los rodamientos y en el punto de engrane de los engranajes. Es necesario tener en cuenta que si el sistema de lubricación es por salpique, en el punto donde el diente del engranaje toca el aceite también se presentarán pérdidas de energía.
· Determinar la condición de lubricación en cada uno de los rodamientos y engranajes del reductor de velocidad, esto es si la lubricación es fluida ó EHL.
· Emplear la ecuación de consumo de energía por fricción para reductores de velocidad, que en este caso es igual a: CEf = P ( 1- et ), Kw , donde P es la potencia en el eje de entrada del reductor de velocidad en Kw y et es la eficiencia total de la transmisión, donde se tienen en cuenta los rodamientos de apoyo de los ejes de los engranajes, los engranajes y los puntos de contacto de los engranajes conducidos con el aceite.
· Calcular la eficiencia de cada mecanismo de la ecuación: e = 1 - f, donde f es el coeficiente de la película lubricante teniendo en cuenta el tipo de lubricación bajo el cual esta trabajando el mecanismo.
· El cálculo de CEf se debe hacer con los coeficientes de fricción tanto del aceite mineral como del sintético. La diferencia del CEf de los dos aceites es el ahorro que se puede lograr al utilizar el aceite sintético en la lubricación del reductor de velocidad.
· Si la condición de lubricación es EHL es necesario tener en cuenta si los aditivos de Extrema Presión del aceite utilizado y del sintético que se va a utilizar son de 1ra, 2da ó de 3ra generación.
· Una vez que se tenga el dato del menor consumo de energía por fricción en Kw, se multiplica el valor obtenido por el número de horas por año que va a trabajar el reductor de velocidad y finalmente por el costo del Kw-hr.
· Es necesario tener en cuenta en los cálculos las mayores frecuencias entre cambios de aceite que se obtienen con la utilización de aceites sintéticos.