INTRODUCCIÓN

Conocer la diferencia entre lubricación fluida y Elasto-Hidrodinámica es más importante de lo que aparentemente parece ya que son muchos los daños en componentes de máquinas que se presentan por no diferenciar los usuarios de la lubricación cuando un mecanismo trabaja bajo una condición u otra. A mediados de los años 1850 la lubricación dejó de ser un arte y se empezaron a plantear las primeras formulaciones matemáticas mediante las cuales se buscaba una concordancia con los resultados prácticos de la lubricación de elementos de máquinas. Hasta esta fecha, el hombre lubricaba las máquinas basado en muchos años de experiencia, la cual se transmitía de una generación a otra pero que en la práctica, a medida que el diseño y la construcción de nuevas máquinas se iba presentando, los lubricantes utilizados hasta entonces no daban los resultados esperados y por prueba y error se debían buscar los lubricantes que verdaderamente sirvieran para esa aplicación en particular. Esta forma de encontrar el lubricante correcto resultaba muy costosa por lo que era necesario recurrir a metodologías más precisas y fundamentar ecuaciones mediante las cuales al asignarles las variables de velocidad, carga y temperatura principalmente se pudiese hallar la viscosidad del aceite requerido.

Bajo las nuevas filosofías de entender y llevar a cabo la lubricación se desarrollaron teorías que eran aplicables perfectamente a mecanismos que operaban bajo condiciones de lubricación fluida, que eran las que se presentaban prácticamente en todas las máquinas construidas hasta entonces. Con el reemplazo de la madera por el carbón como combustible en las calderas de los ferrocarriles en Inglaterra, surgió la minería y con ella nuevas máquinas cuyas condiciones de operación eran muy diferentes a las conocidas hasta entonces; los mecanismos de estas máquinas estaban sometidos a bajas velocidades, altas cargas y con frecuencia eran cargas de impacto. Como las teorías de la lubricación estaban basadas solamente en la lubricación fluida, estos mecanismos se desgastaban, aun cuando se lubricaran, por lo que los diseñadores de dichas máquinas contrarrestaban el desgaste adhesivo que se presentaba empleando materiales más resistentes al desgaste y de gran peso que conllevaban a altos consumos de energía por fricción generando altos costos en los procesos de producción. Solo fue hasta la década de los años 50¨s que se desarrollaron los conceptos de la lubricación Elasto-Hidrodinámica ó EHL y que es aplicable a aquellos mecanismos cuyas condiciones de operación son de baja velocidad, alta carga y temperaturas normalmente altas. La teoría EHL optimizó el tamaño de las máquinas y redujo considerablemente el desgaste en los mecanismos lubricados y el consumo de energía por fricción.

A medida que el mecanismo va incrementado su velocidad, las crestas de las dos superficies que se mueven la una con respecto a la otra, chocan menos y se van separando lentamente debido al bombeo de aceite originado por el movimiento de dichas superficies; antes que el mecanismo alcance su velocidad nominal de operación se presenta una condición intermedia entre lubricación sólida y fluida conocida como lubricación mixta; en este caso solo una parte de la carga es soportada por la acción hidrodinámica y la otra por la película sólida que recubre las rugosidades que aún interactúan. Una selección incorrecta de la viscosidad del aceite al igual que una disminución de ésta en operación pueden dar lugar a que el mecanismo quede funcionando bajo condiciones de lubricación mixta. Una vez que el mecanismo queda operando a su velocidad de régimen y si ésta es lo suficientemente alta las rugosidades de las dos superficies quedarán completamente aisladas y "flotando" entre sí de manera semejante a como navega un barco sobre la superficie del agua y se tendrán por lo tanto condiciones de lubricación fluida ó hidrodinámica; en este tipo de lubricación, es más influyente la velocidad del mecanismo que la viscosidad del aceite. En lubricación fluida las rugosidades de las dos superficies quedan recubiertas por una capa del lubricante y las demás se deslizan entre sí presentándose entre ellas fricción fluida; la intensidad de esta fricción depende del valor del coeficiente de fricción del lubricante utilizado, el cual es el parámetro que influye en mayor ó menor proporción en el valor de la temperatura de operación.

La lubricación fluida debe tener características de flujo laminar para garantizar que la capa limite que se encuentra adherida a las dos superficies metálicas no se desprenda (velocidad cero) evitando que el desgaste erosivo que se presenta durante la explotación normal del mecanismo sea superior a su valor normal; este tipo de flujo se caracteriza por tener un Número Reynolds menor ó igual a 2000. En la práctica, sin embargo, si se pretendiera garantizar condiciones de flujo laminar permanentemente en la película fluida la viscosidad del aceite debería ser constante con la temperatura, lo cual en la actualidad con la tecnología disponible en lubricación no es factible, por lo que es necesario utilizar lubricantes con un Indice de Viscosidad (IV) lo más alto posible (mayor de 100) para garantizar que el tipo de flujo de la película lubricante no pase de laminar a turbulento durante los cambios en la temperatura de operación que se presenta como resultado de las fluctuaciones en la temperatura ambiente entre el día y la noche y mucho más en aquellos países donde hay estaciones. En lubricación se considera que la película lubricante es turbulenta a partir de 2000 debido a que las pequeñas burbujas que empiezan a formarse una vez que llegan a la zona de carga "explotan" fatigando las rugosidades y haciendo que finalmente se desprendan pequeñas partículas metálicas las cuales incrementan el desgaste erosivo normal. El Número Reynolds (Re) que define el tipo de flujo se puede calcular de la fórmula No 1:

Re = v d / u No 1

Donde:

Re : Número Reynolds, adimensional.
v : Velocidad lineal del mecanismo.
d : Espesor de la película lubricante (ho).
u : Viscosidad cinemática del aceite a la temperatura de operación del mecanismo.

Se puede observar de la ecuación de Reynolds que el parámetro que más influye en las condiciones de flujo de la película lubricante es la viscosidad del aceite, la cual es menor a medida que la temperatura de operación aumenta (esta temperatura está influenciada por la temperatura ambiente y por el incremento de temperatura debido a la fricción fluida en la película lubricante, este último parámetro es constante mientras que la temperatura ambiente es variable) dando lugar a que si la viscosidad disminuye significativamente con el aumento en la temperatura de operación (aceite con un bajo Indicie de Viscosidad) las condiciones de flujo de la película lubricante pueden pasar de laminar a turbulento y por lo tanto propiciar un incremento en el desgaste erosivo de las superficies metálicas del elemento lubricado. Los otros parámetros de la ecuación de Reynolds como la velocidad (v) de régimen del mecanismo por ser constante no tiene ninguna incidencia mientras que el espesor (ho) de la película lubricante al variar ligeramente con los cambios en la temperatura de operación puede incidir en el tipo de flujo, pero en un porcentaje muy bajo con respecto al que tiene la viscosidad.

La tendencia normal al desgaste erosivo en lubricación fluida es característica de cada aceite y se puede reducir con aceites de alto IV (por lo regular de tipo sintético), mejorando la limpieza del aceite por encima del valor recomendado por la Norma ISO 4406 y manteniendo la temperatura de operación del mecanismo en un valor igual ó menor a los 50°C.

La teoría de la lubricación hidrodinámica fue descubierta en la década de 1880 por el inglés Beauchamp Tower; este científico realizó un experimento consistente en poner a girar un eje soportado en un cojinete liso sumergido en aceite con la carga actuando hacia arriba y colocando un tapón en un orificio practicado en la parte superior del cojinete liso, cuando el eje alcanzó su velocidad nominal de operación el tapón fue expulsado suavemente de su alojamiento comprobando de esta manera que bajo estas condiciones de operación el aceite desarrollaba una presión hidráulica que mantenía separadas las dos superficies metálicas. Posteriormente el tapón fue reemplazado por un manómetro y se comprobó que la presión hidráulica de la película lubricante era aproximadamente el doble de la presión mecánica calculada como la relación entre la carga y el área proyectada (W/ LD). Con base en los resultados obtenidos se realizaron otros experimentos para determinar la distribución de la presión hidráulica a lo largo de la periferia de todo el cojinete liso.

.En la industria hay un buen número de mecanismos como engranajes de hornos cementeros, cojinetes lisos de rodillos laminadores, rodamientos de cilindros secadores en textileras y papeleras, mecanismos de palas eléctricas y mecánicas, transmisiones de camiones carboneros, etc, en los cuales las cargas transmitidas son tan altas y las velocidades tan bajas que el suministro de aceite por la acción de bombeo de los mismos mecanismos hacia las zonas sometidas a fricción es mínimo haciendo que las rugosidades de las dos superficies en operación nunca se separen dando lugar a que permanentemente interactúen, requiriéndose por lo tanto la utilización de aceites de alta viscosidad y que tengan la capacidad de formar una película sólida ó límite de una resistencia al desgaste adhesivo mayor que la película que se forma en los mecanismos cuyas superficies interactúan solamente en el momento del arranque y que luego se separan. Este tipo de lubricación se conoce con el nombre de Elasto-hidrodinámica ó EHL y requiere de la utilización de lubricantes con aditivos de Extrema Presión (EP) en los cuales el producto utilizado como antidesgaste debe tener la suficiente capacidad de soportar altas cargas de compresión y esfuerzos cortantes sin que se rompa la película límite.

Antes de que la lubricación EHL fuera descubierta por los profesores británicos Duncan Dowson y Gordon Higginson en la década de los años 50¨s, se creía que todos los mecanismos diseñados hasta ese momento, independientemente de las condiciones operacionales, trabajaban bajo condiciones de lubricación fluida y que para obtenerla era suficiente con aplicar un aceite (ó una grasa ) de una determinada viscosidad, sin embargo en la práctica se presentaban problemas críticos de desgaste adhesivo en aquellos mecanismos que funcionaban bajo condiciones de altas cargas y movimientos lentos, dentro de intervalos muy cortos de funcionamiento. El análisis de estos problemas de desgaste adhesivo condujo al desarrollo de las teorías de la lubricación EHL, fundamentadas en sus comienzos más en la experiencia y en la práctica de la lubricación diaria que en procesos de cálculos matemáticos; sin embargo desde su descubrimiento hasta los tiempos actuales se han desarrollado planteamientos matemáticos que permiten establecer con mucha precisión cuales mecanismos en realidad trabajan bajo condiciones de lubricación EHL y cuales bajo fluida.

La lubricación EHL se presenta en mecanismos cuyas superficies de fricción trabajan siempre entrelazadas y nunca llegan a separarse a la velocidad nominal de operación, en este caso las crestas de las rugosidades permanentemente se están deformando elásticamente y el control del desgaste adhesivo y el consumo de energía dependerán de las características de la película adherida a las rugosidades y de la forma geométrica que tengan éstas. La película lubricante que se forma se puede denominar como sólida ó límite pero de unas características de soporte de carga y de resistencia al desgaste adhesivo mucho más resistentes que la que forma la película límite en el caso de la lubricación hidrodinámica. En la lubricación EHL las condiciones de película límite son permanentes, ó sea que no hay mucha diferencia entre las condiciones de la puesta en marcha del mecanismo y una vez que éste alcanza la velocidad de régimen.

La lubricación Elasto-hidrodinámica se divide en dos conceptos fundamentales en los cuales Elasto significa elasticidad, ó sea que las crestas de la rugosidad de una de las superficies del mecanismo en el momento de la interacción con las de la otra superficie se deforman elásticamente sin llegar al punto de fluencia del material bajo unas condiciones determinadas de carga y temperatura y luego una vez que termina de actuar la carga regresan a su posición original; Hidrodinámica significa que a pesar de que la velocidad de funcionamiento del mecanismo no es la óptima para que se desarrolle una película hidrodinámica, no obstante, ésta se forma a un nivel más microscópico debido a que el aceite que queda atrapado entre las dos crestas deformadas elásticamente (Esfuerzos de Hertz) ejerce una presión hidráulica entre ellas formando una película fluida de un espesor mucho menor que el que tendría la que se forma en un mecanismo que funciona bajo condiciones de lubricación fluida. El aumento de la viscosidad del aceite debido a la presión y la deformación elástica de las superficies se combinan para atrapar el lubricante en el momento en que éste penetra en la zona de contacto; la viscosidad del aceite puede llegar a ser hasta cinco veces mayor que la viscosidad que tiene a la entrada de las rugosidades y la película lubricante puede desarrollar presiones hasta de 350.000 psi. En la lubricación hidrodinámica el espesor de la película lubricante puede ser del orden de los 5 micrones en adelante, mientras que en la lubricación EHL de 2 micrones ó menos. Estos espesores de película lubricante tan pequeños hace más susceptibles al desgaste erosivo y abrasivo los mecanismos que funcionan bajo condiciones de lubricación EHL, siendo necesario por lo tanto mantener los lubricantes que se utilizan en su lubricación dentro de códigos ISO 4406 de limpieza más rigurosos.

Para determinar si un mecanismo trabaja bajo condiciones de lubricación EHL se calcula el factor de seguridad L (lambda) de la película lubricante a partir de la fórmula No 2:

L = ho / Sp No2

Donde :

L : Factor de seguridad de la película lubricante, adimensional.

ho: Espesor de la película lubricante, micras.

Sp : Promedio geométrico de las rugosidades de las dos superficies en movimiento relativo, micras.

El Sp se calcula de:

Sp = (S1x S1 + S2 x S2)½, micras.

Donde S1 y S2 es la rugosidad promedio de la superficie 1 y 2 respectivamente.

Si el valor de L es menor de 1, teóricamente, las condiciones de lubricación son EHL y si es igual ó mayor a este valor la lubricación es fluida, sin embargo, si se considera que a partir de 1 la película lubricante es fluida se estará trabajando bajo condiciones de alto riesgo ya que si la temperatura ó la carga aumentan ligeramente, el espesor de la película lubricante disminuirá y por lo tanto L será menor de 1 cambiando las condiciones de lubricación fluida a EHL sin que el lubricante tenga los aditivos de EP requeridos para esta nueva condición debido a que la lubricación inicialmente era fluida y por lo tanto el aceite utilizado no tenía aditivos de EP, dando lugar por consiguiente a que se presente el desgaste adhesivo de los elementos lubricados. Para evitar estos problemas se han establecidos valores de L mucho más conservativos para los diferentes mecanismos lubricados a partir de los cuales la lubricación es EHL ó fluida. Para cada mecanismo hay un método de cálculo del valor L , los cuales se pueden encontrar en los capítulos respectivos a cada mecanismo en el libro TRIBOLOGIA Y LUBRICACIÓN INDUSTRIAL Y AUTOMOTRIZ ó en un artículo que se publicará próximamente.

La criticidad de la lubricación EHL depende del valor del parámetro L del lubricante. Es mayor en la medida que L sea mucho menor de 1, de la manera como interactúen las rugosidades de las dos superficies metálicas, así si "deslizan" como es el caso de mecanismos como cojinetes lisos y engranajes sinfín-corona es más crítica que cuando "engranan" y "desengranan" como en el caso de rodamientos y engranajes de diente rectos y helicoidales entre otros, y por último de la forma que tengan las rugosidades de las dos superficies en movimiento relativo.

Es muy importante que el personal de mantenimiento y de lubricación de las máquinas rotativas tenga muy claro cuando la lubricación es fluida y cuando EHL. Para condiciones de lubricación fluida por lo regular se utilizan aceites de un grado ISO 220 ó menores y sin aditivos de Extrema Presión; para condiciones de lubricación EHL la viscosidad del aceite requerido, por lo regular es de un grado ISO 220 ó mayor y deben contar con aditivos de Extrema Presión. Un aceite para condiciones de lubricación EHL se puede utilizar en lubricación fluida pero el caso contrario nunca ya que daría lugar al desgaste adhesivo de los mecanismos lubricados. Igualmente dentro de las condiciones de lubricación EHL también hay criticidad en este tipo de lubricación dependiendo del valor de L , si éste es muy pequeño los aditivos EP requeridos no serán los mismos que cuando este valor se aproxima a 1, de ahí que en la actualidad existan tres tipos de generaciones de aditivos EP, lo que hace necesario que el personal de mantenimiento y de lubricación esté en capacidad de seleccionarlos correctamente.-INGENIEROS DE LUBRICACIÓN LTDA -

En el sistema hidráulico de la válvula de corredera en nuestra planta de Cracking, se emplea un aceite sintético del tipo Polyalkileneglicol ó PAG con muy buenos resultados luego de 2 años de estarlo utilizando. Este aceite se monitorea cada tres meses para determinar sus propiedades físico-químicas y el nivel de desgaste de los componentes del sistema hidráulico. Hace algunos días se presentó una emergencia en dicho sistema que por poco saca de servicio la planta debido a que los filtros de aceite se taponaron, interrumpiendo el flujo de aceite lo que ocasionó que la válvula de corredera del Reactor se atascara y fuera necesario accionarla manualmente, superándose de esta manera la emergencia que se presentó.

El comentario del personal de proceso de la planta fue que la emergencia tuvo su origen como resultado de la utilización de un aceite sintético en el sistema hidráulico en lugar de un aceite mineral debido a que los aceites sintéticos del tipo PAG atacan los retenedores de Buna N haciendo que al dañarlos, se presenten fugas de aceite y la presión del sistema disminuya a valores por debajo de los requeridos y por lo tanto la válvula no se pueda accionar automáticamente. Este comentario es cierto pero el aceite ya lleva 2 años trabajando y el deterioro de los retenedores se hubiera presentado en un tiempo no mayor a los 6 meses, esto permite concluir que los sellos no son de Buna N ó son de un tipo de Buna N de óptima calidad.

Al desmontar los filtros de aceite se encontraron completamente obstruidos por catalizador y el aceite del depósito se encontró contaminado con este elemento y con un alto contenido de agua, alrededor del 10% por volumen. Como es apenas lógico, un aceite trabajando bajo estas condiciones, así sea de tipo sintético tiene que dar lugar a la falla del mecanismo, en este caso el sistema hidráulico. La causa del problema es que cuando los mecánicos de mantenimiento le aplicaban aceite al depósito quitaban la tapa superior del depósito y dejaban el aceite expuesto durante largo tiempo a las partículas de catalizador presentes en el ambiente. Por diseño, el depósito de aceite trae una boquilla especial en la cual se acopla otra boquilla que va montada en el extremo de la manguera que se debe utilizar para aplicarle aceite al depósito, al acoplarse las dos boquillas se garantiza que no entre catalizador hasta el aceite; desafortunadamente la manguera provista de la boquilla se extravió dando lugar a que el aceite se tenga que aplicar por la parte superior del depósito. El problema del agua es que el depósito de aceite está ubicado a la intemperie y cuando llueve a través del tubo de venteo se introduce el agua hasta el aceite. Estos problemas se resolvieron y en la actualidad el sistema hidráulico continua trabajando con el aceite sintético de tipo PAG sin problema alguno.

REFINERÍA DE PETROLEOS DEL ORINOCO, BRASILIA-BRASIL