Taller ACR-P
Aprende el Análisis Causa Raíz

Lubricación

Introducción

El mantenimiento tiene como objetivo mantener las condiciones de los equipos industriales en óptimas condiciones. En el mantenimiento industrial, la lubricación juega un papel importante para la conservación de los engranajes, uniones y demás mecanismos sometidos a la fricción. Estos, sin lubricantes se desgastarían muy rápido o simplemente no funcionarían.

La fricción es una fuerza importante y presente en muchos aspectos de nuestra vida. Por ejemplo, el aceite de un motor automotriz reduce la fricción entre piezas móviles; no obstante, un automóvil no podría avanzar ni dar vuelta sin fricción entre los neumáticos y el asfalto. El arrastre del aire, o la fricción ejercida por el aire sobre un cuerpo que se mueve a través de él, reduce el rendimiento del combustible en los autos; sin embargo, hace que funcionen los paracaídas. Sin fricción, los clavos se saldrían, las bombillas y tapas de frascos se desatornillarían sin esfuerzo y el hockey sobre hielo sería imposible.

Tipos de fricción

Existen dos tipos de fricción: la cinética y estática.

  • La fricción cinética es la fuerza que actúa cuando un cuerpo se desliza sobre una superficie. Esto es que dos superficies se mueven una relativa a la otra. La magnitud de esta fricción suele aumentar al incrementar la fuerza normal ejercida sobre el cuerpo en movimiento. Por eso, se requiere más fuerza para deslizar por el suelo una caja llena de libros, que la misma caja vacía, por ejemplo. Asimismo, los frenos de los automóviles utilizan este principio; las zapatas al ser presionadas con mayor fuerza contra los discos giratorios, mayor es el efecto de frenado. En otras palabras, mayor es la fricción.
  • Por otro lado, tenemos a la fuerza de fricción estática, la cual actúa aún cuando el objeto se encuentra en reposo. Por ejemplo, si aplicamos una pequeña fuerza a la caja llena de libros esta no se moverá debido a la fricción estática. Entonces, para lograr moverla debemos aplicar una fuerza mayor a la fuerza de fricción estática.

Necesidad de lubricación

Cuando las superficies de dos cuerpos sólidos están en contacto, se debe aplicar una cierta cantidad de fuerza a uno de ellos para que se produzca un movimiento relativo. Por ejemplo, si un bloque de acero seco descansa sobre una superficie de acero seca, el movimiento relativo de deslizamiento no comenzará hasta que se aplique una fuerza igual a la quinta parte del peso del bloque de acero. En general, la fricción estática entre dos superficies cualesquiera de materiales similares es de esta magnitud, y se expresa como un coeficiente de fricción de 0,2. Tan pronto como se supera la resistencia inicial, una fuerza mucho menor mantendrá el deslizador en movimiento con una velocidad uniforme. Esta segunda condición de rozamiento se denomina rozamiento dinámico.

En todo cojinete o superficie de deslizamiento, en todo tipo de máquina, estos dos coeficientes son de vital importancia. La fricción estática establece la fuerza necesaria para poner en marcha la máquina y la fricción dinámica absorbe la potencia que debe pagarse en términos de combustible consumido. Además, la resistencia al rozamiento de las superficies no lubricadas, provoca un calentamiento, un desgaste rápido e incluso, en condiciones severas, la soldadura real de las dos superficies.

La lubricación, en el sentido generalmente aceptado de la palabra significa mantener las superficies en movimiento completamente separadas mediante una capa de algún líquido. Cuando esto se consigue satisfactoriamente, la resistencia a la fricción ya no depende de las superficies sólidas, sino únicamente de la fricción interna del líquido, que, a su vez, está directamente relacionado con su viscosidad. Cuanto más viscoso sea el líquido, mayor será la resistencia, pero ésta nunca es comparable a la existente entre superficies no lubricadas.

Figura 1. Efectos de desgaste por fricción en los neumáticos.

Tipos de lubricantes

La lubricación existe en una de estas tres condiciones:

  1. Lubricación de frontera,
  2. elastohidrodinámica,
  3. lubricación completa por película de fluido.

1. Lubricación de frontera

La mejor definición de la lubricación de frontera es la lubricación de superficies por películas de fluido tan finas que el coeficiente de fricción se ve afectado tanto por el tipo de lubricante, como por la naturaleza de la superficie. Además, es en gran medida independiente de la viscosidad. Un fluido lubricante introducido entre dos superficies puede extenderse hasta formar una película microscópicamente fina. Este, reduce la fricción de deslizamiento entre las superficies. Los picos de los puntos altos pueden tocarse. No obstante, el entrelazamiento se produce sólo en un grado limitado y la resistencia a la fricción será relativamente baja.

En los aceites lubricantes pueden incorporarse diversos aditivos químicos aceites lubricantes para mejorar sus propiedades en condiciones de lubricación límite. Algunos de estos aditivos reaccionan con las superficies para producir una capa extremadamente fina de lubricante sólido, que ayuda a separar las superficies y evitar el agarrotamiento. Otros mejoran la resistencia de la película de aceite al efecto de la presión.

2. Lubricación elastohidrodinámica

Anteriormente, se pensaba que el aumento de la presión reducía el espesor de la película de aceite hasta aspirados se rompía. Consecuentemente, provocando un contacto metal-metal. Sin embargo, las investigaciones han demostrado que el efecto de una presión de contacto elevada sobre el aceite mineral es un gran aumento de la viscosidad del lubricante. Este aumento de la viscosidad, combinado con la elasticidad del metal, hace que la película de aceite de aceite actúe como una fina película sólida, impidiendo así el contacto entre metales.

Lubricación elastohidrodinámica.
Figura 2. Lubricación elastohidrodinámica.

3. Lubricación completa por película de fluido

Si dos superficies de un cojinete (elemento de máquina formado por uno o dos anillos, paralelos o concéntricos, con o sin rodamientos) están completamente separadas por una película de fluido, el desgaste por fricción de la superficie quedaría prácticamente eliminado. Así, la resistencia al movimiento se reduce a un nivel que depende en gran medida de la viscosidad del fluido lubricante.

Entonces, para generar una película lubricante dentro de un rodamiento, las superficies opuestas deben ser separadas por la presión generada dentro de la película de fluido. Por ejemplo, una forma de hacerlo es introducir el fluido bajo una presión suficiente en el punto de máxima carga. Sin embargo, este método hidrostático, aunque es igualmente eficaz a todas las velocidades, necesita una potencia considerable. Por tanto, debe evitarse siempre que exista una alternativa satisfactoria.

Las fuerzas electrodinámicas se producen a partir de una determinada velocidad crítica, que depende principalmente del tamaño y la carga del rodamiento y de la viscosidad del lubricante. Estas separan las superficies y permiten una lubricación completa de la película de fluido. En reposo, la película de fluido ha sido exprimida de debajo del eje, dejando sólo una película absorbida en las superficies de contacto. Entonces, cuando el eje empieza a girar, la fricción entre el gorrón y el agujero del cojinete hace que el eje suba por el interior del cojinete hasta que el par de torsión. Además, junto con el aumento del grosor de la película lubricante, supera la resistencia a la fricción y el eje empieza a resbalar en el punto de contacto. A continuación, el eje giratorio adopta su posición de equilibrio, donde se apoya en una película de fluido arrastrada por la fricción viscosa.

Elegir el tipo de lubricación: aceite o grasa

Como vimos, la lubricación juega un papel esencial en el funcionamiento de componentes mecánicos, evitando el desgaste por roce. Sin embargo, sabemos que existen dos clases de lubricantes: aceite y grasa. El problema viene al tener que elegir cuál de los dos es el más adecuado para cada situación.

Por ejemplo, nos toca decidir la mejor elección de lubricante para una caja de cambios, la cual depende de las condiciones de servicio. Entonces, debemos tener en cuenta si las fugas son un problema, o si durante las paradas, es necesario mantener una película gruesa de lubricante. Así, logramos evitar la corrosión y el funcionamiento en estado seco. En estos casos, las grasas resultan ventajosas. Si la generación de calor y las consiguientes temperaturas excesivas temperaturas son un problema, es mejor el uso de lubricantes líquidos, los cuales tienen la ventaja de una alta tasa de transferencia de calor.

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