INTRODUCCIÓN

El tema de la rugosidad de las superficies sometidas a fricción corresponde al mundo de lo desconocido, ya que por lo regular el tamaño de las rugosidades de los mecanismos de las máquinas está por debajo de las 25 micras, dimensiones que el ojo humano, sin la ayuda del microscopio, nunca podría ver. Como a simple vista no se puede observar y evaluar la incidencia que tiene la rugosidad en el desgaste adhesivo, erosivo y abrasivo de los mecanismos lubricados, es muy poca la atención que se le presta al tema de la rugosidad y por lo tanto la vida de las mecanismos se ve considerablemente reducida cuando en la práctica se cambia el valor estándar de la rugosidad especificada por el fabricante para un determinado tipo de mecanismo.

La rugosidad juega un papel decisivo en el nivel de desgaste que se puede presentar en los mecanismos lubricados, en el momento de la puesta en marcha, en la parada y cuando las condiciones de lubricación son del tipo EHL. Cuando un mecanismo se encuentra en reposo, las rugosidades de las dos superficies metálicas interactúan y las crestas más altas se introducen en los valles de las otras, dando lugar a que en la puesta en marcha, al desgastarse la película límite conformada por el aditivo antidesgaste ó Extrema Presión, el desgaste adhesivo sea más crítico entre más irregulares sean las rugosidades de las dos superficies. En la práctica dicho desgaste adhesivo depende del tamaño, forma y concentración de las crestas y valles de las rugosidades.

Mediante los métodos convencionales disponibles hoy en día de cepillado, pulido, maquinado, etc, no es factible obtener una superficie completamente lisa, por lo que microscópicamente presentan una forma rugosa muy irregular constituida por valles y crestas. Las rugosidades de las superficies metálicas pueden tener la misma altura entre las crestas pero diferentes longitudes de onda ó viceversa; en superficies de mecanismos que han estado trabajando la altura de las crestas puede variar entre 0,05 micras y 50 micras y la longitud de onda entre 0,5 micras y 5 micras. La altura promedio de la rugosidad de una superficie metálica es el promedio de la altura de las crestas y valles que la constituyen y se identifica mediante el símbolo griego S (sigma) y el promedio geométrico de las rugosidades de las dos superficies que se mueven la una con respecto a la otra se denomina Sp (sigma promedio).

La forma y altura de las crestas y la longitud de onda de las rugosidades de las superficies metálicas sometidas a fricción, juegan un papel decisivo en el consumo de energía en el momento de la puesta en marcha de un mecanismo, independientemente del tipo de lubricación bajo la cual vaya a trabajar; en la fatiga y en el desgaste adhesivo de dichas superficies; en el consumo de energía durante su funcionamiento normal en aquellos mecanismos que trabajan bajo condiciones de lubricación Elastohidrodinámica (EHL) y en el cálculo del espesor de la película lubricante (ho) en la lubricación fluida ya que entre más altas sean las crestas mayor será el espesor de dicha película lubricante, mayor la viscosidad y por lo tanto más alto será el consumo de energía por fricción fluida.

La relación entre el espesor de la película lubricante y la rugosidad promedio se conoce con el nombre de factor de seguridad L (lambda) y se calcula a partir de:

L = ho / Sp, 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.

En la práctica es necesario garantizar que cuando se fabrica el repuesto de una máquina, como por ejemplo un engranaje, un cojinete liso, etc, la rugosidad promedio S1 ó S2 de la superficie de dicho mecanismo sea la misma que la del componente original ya que de lo contrario si es mayor y dependiendo de su magnitud, el

coeficiente de seguridad L disminuirá, hasta tal punto que puede cambiar las condiciones de lubricación y pasar por ejemplo de lubricación fluida a una mixta ó EHL sin que el lubricante tenga los aditivos EP adecuados para compensar esta nueva condición de lubricación ya que el tipo de aceite que el usuario le aplica al mecanismo es el mismo que se venía utilizando antes de que se llevara a cabo el mantenimiento correctivo y por lo tanto el ho es similar al del aceite originalmente utilizado.

.En el mecanizado de las superficies sometidas a fricción se pueden obtener básicamente dos tipos de rugosidades, las cuales dependen del tipo de mecanismo, de las condiciones de lubricación (fluida ó EHL) y de las condiciones operacionales bajo las cuales va a estar sometido dicho mecanismo. Los dos tipos de rugosidades son:

Agudas

Se caracterizan porque su forma es triangular y la altura de las crestas y longitud de onda es aproximadamente igual.

Dentadas

Tienen la forma de dientes de engranajes y generan un menor consumo de energía en el momento de la puesta en marcha del mecanismo porque las crestas se entrelazan menos.

El coeficiente de fricción sólida y EHL aumenta con la altura de las rugosidades cuando se tienen condiciones de fricción sólida en el momento de la puesta en marcha de un mecanismo que va a funcionar bajo condiciones de lubricación fluida ó cuando es EHL (es necesario tener en cuenta que en este tipo de lubricación las rugosidades de las dos superficies permanentemente están interactuando). Cuando las rugosidades de las superficies del mecanismo interactúan, la mayoría de las crestas se entrelazan, en mayor ó menor proporción, haciendo que en el momento del contacto se presente una mayor área que desliza la una con respecto a la otra y una mayor deformación elástica entre las mismas, la fricción sólida que se presenta será mayor que en aquellas superficies donde las crestas interactúan menos y por lo tanto el consumo de energía por fricción sólida ó EHL también será menor.

En la Tabla No1 se presentan los resultados de varios experimentos llevados a cabo por Burwell para condiciones de fricción sólida y EHL.

Tabla No2
Coeficientes de fricción sólida en función de la altura de la rugosidad

El ahorro de energía por menos fricción en elementos de máquinas que trabajan bajo condiciones de lubricación fluida y EHL debe estar orientado teniendo en cuenta tanto la forma y altura promedio de la rugosidad de las superficies en movimiento relativo como del tipo de aditivo antidegaste y de Extrema Presión que se van a utilizar.

En la práctica es muy difícil evaluar el ahorro de energía por menos fricción sólida en elementos de máquinas rotativas que trabajan bajo condiciones de lubricación fluida, ya que el tiempo que permanece dicho elemento trabajando bajo condiciones de fricción sólida es muy pequeño y solo se presenta en el momento de la puesta en marcha ó cuando se detiene el mecanismo. Bajo estas condiciones es más significativo evaluar la cantidad de desgaste adhesivo que se puede presentar de acuerdo con el tipo de rugosidad y el aditivo utilizado que el consumo de energía por fricción sólida. Por lo tanto sólo es viable evaluar el consumo de energía por fricción en mecanismos que trabajan bajo condiciones de lubricación EHL.

En elementos de máquinas que trabajan bajo condiciones de lubricación EHL, es factible reducir y cuantificar el consumo de energía por fricción teniendo en cuenta los siguientes aspectos:

· Forma y tamaño de las rugosidades: la forma más adecuada de las rugosidades de las superficies sometidas a fricción es la dentada, con los bordes ligeramente redondeados; de una altura promedio de las crestas de 5 micras y con una longitud de onda de 5 micras. La rugosidad se puede evaluar utilizando un rugosímetro ó un perfilómetro, el cual la reproduce exactamente. La rugosidad de las dos superficies debe ser la misma, de lo contrario la superficie más irregular termina deteriorando la otra, haciendo que se presente un elevado desprendimiento de partículas metálicas que dan lugar a su vez a desgaste erosivo y abrasivo. Este caso se pude asemejar a lo que ocurre cuando en una transmisión por engranajes desgastados solo se cambia el que esté más deteriorado.

· Coeficiente de fricción EHL: dependiendo de la generación del aditivo de Extrema Presión que se esté utilizando, será el valor del coeficiente de fricción EHL de la película sólida que se adhiere a la rugosidad de las dos superficies sometidas a fricción. El mejor desempeño lo dan los aditivos EP de 3ra generación, los cuales además de garantizar los menores coeficientes de fricción posibles, alrededor de 0,021 garantizan que con el tiempo las rugosidades dentadas van adquiriendo un perfil redondeado, el cual ayuda, tanto a reducir el consumo de energía por fricción, como el desgaste adhesivo que se presenta en el momento en que la película sólida del aditivo EP se rompe y vuelve a reaccionar con las superficies metálicas.

Entre más irregulares sean las superficies de los mecanismos que trabajan bajo condiciones de lubricación EHL, más desprendimiento de partículas metálicas se presentaran y mayores serán los niveles de desgaste erosivo y abrasivo en los mecanismos lubricados. Una rugosidad redondeada y del tamaño recomendado permitirá que no haya deslizamiento entre las crestas de las dos superficies sino rodadura minimizando el desgaste adhesivo. Sin embargo si esto no se puede garantizar, es necesario en el desarrollo de los programas de filtración que se lleven a cabo en la empresa tener en cuenta los niveles de limpieza, de acuerdo con la Norma ISO 4406, con los cuales se deben trabajar los aceites en las máquinas que trabajan bajo condiciones EHL. Si en la práctica se conoce el valor de la rugosidad de las superficies de los mecanismos sometidos a fricción y está es del orden de las 5 micras, se puede trabajar el aceite con el nivel de limpieza recomendado por la Norma ISO 4406, si no, se debe trabajar el aceite con un código ISO menor que el especificado.

En la Tabla No2 se anexa la Norma ISO 4406. Los niveles de limpieza para condiciones de lubricación EHL se seleccionaron considerando tamaños de rugosidades de 5 micras y con los bordes redondeados.

Tabla No2

Niveles de limpieza del aceite de acuerdo con la Norma ISO 4406 teniendo en cuenta el mecanismo que esté lubricando y el tipo de película lubricante

 

El tamaño y la forma de las rugosidades de las superficies metálicas es más importante de lo que aparentemente se cree. El consumo de energía por fricción y los niveles de desgaste en los mecanismos lubricados bajo condiciones de lubricación EHL pueden ser considerablemente menores si se logra garantizar que el tamaño promedio de las crestas no sea superior a las 5 micras, la longitud de onda de 5 micras y la topografía de las mismas ligeramente redondeada. En lubricación EHL la vida del mecanismo no solo depende de que se tengan presentes los factores que afectan su vida disponible Vd = wd/wt x fho x fTop x fTAN x fISO4406 x fH2O; ver artículo de INGELUB del 28 de mayo de 2002, FACTORES QUE AFECTAN LA VIDA DISPONIBLE DE LOS MECANISMOS LUBRICADOS, sino también que cuando se fabrique se puedan garantizar las características de la rugosidad original. El impacto de la rugosidad de los mecanismos lubricados, en los costos de mantenimiento pocas veces se tiene en cuenta, porque al ojo humano no es visible, solo si se utilizan técnicas como la ferrografía será posible cambiar los conceptos que se puedan tener con respecto a este importante tema de la rugosidad. . -INGENIEROS DE LUBRICACIÓN LTDA -

En los camiones con motores Diesel de nuestra compañía estamos utilizando un aceite mineral SAE15W40 de especificación API CH4, con un buen rendimiento en la lubricación de dichos motores. Sin embargo, en uno de ellos, poco a poco se empezaron a presentar gomas en el carter y alta concentración de lacas en las sección de los balancines. Se limpiaron estas partes y se le aplicó de nuevo el aceite que se venía utilizando, presentándose otra vez la formación de gomas y de lacas a los 2.000 kilómetros de trabajo del aceite. En los demás motores no se detectó ninguna anomalía por lo que se descartó que fuera el aceite el causante del problema; a pesar de que la opinión de algunos mecánicos de muchos años de experiencia en la reparación de estos motores era que el nivel de detergencia-dispersancia del aceite era mayor que el anterior y estaba lavando los residuos que había dejado dicho aceite acumulados en las diferentes partes lubricadas del motor. Este comentario se descartó porque el nivel de detergencia-dispersancia del aceite anterior es similar al actual debido a que su calidad corresponde a un API CG4.

Se le hizo un seguimiento al funcionamiento del motor y se le tomaron temperaturas al agua de enfriamiento a la entrada y salida del radiador y se compararon con la de los motores Diesel que estaban operando normalmente, ó sea, aquellos en los cuales no se detectaron problemas de formación de gomas y de lacas. En estos motores, la caída de la temperatura del agua al pasar por el radiador del motor era de 30°C, mientras que en el motor que mostraba problemas era de 5°C, se inspeccionó el radiador externamente y se encontró que había una gran cantidad de arena solidificada y barro entre las aletas del radiador que hacían que el aire que impulsaba el ventilador hacia el radiador se devolviera en un alto porcentaje dando lugar a que el agua de enfriamiento no se enfriara adecuadamente y que por lo tanto el aceite en el motor Diesel trabajara a temperaturas que aceleraban su proceso de oxidación dando lugar a la formación de gomas y lacas.

El problema de formación de gomas y de lacas quedó resuelto, limpiando el radiador y se le colocó a todos los camiones en el tablero de instrumentos un control digital de temperatura que permite monitorear la temperatura del aceite a la salida del radiador.

Debemos recordar que en la mayoría de los casos, los problemas y daños que ocurren en los equipos rotativos se los "achacan", como decimos en mi país, al aceite; pero hemos llegado a la conclusión, que el problema efectivamente termina por fallo de la película lubricante pero no por mala calidad de los aceites utilizados, sino por factores externos a él, que fácilmente se podrían evitar y que obviamente conducen a su deterioro.

CEMENTOS Y MINERALES HERCULES, SANTO DOMINGO-REPUBLICA DOMINICANA