LA FRICCIÓN:
Al frotar un cuerpo contra otro, debe vencerse una resistencia. A esta fuerza
que se opone al deslizamiento se le conoce como fricción.
para vencerla.
CAUSAS:
Ninguna superficie metálica es completamente lisa; aún superficies con
acabados que se aproximan a la perfección presentan asperezas cuando se
examinan en un microscopio. Las diminutas protuberancias en una superficie
interfieren el movimiento relativo de dos cuerpos cuando rozan entre sí dando
origen a la fricción al tratar de entrelazarse y agarrarse.
EFECTOS DE FRICCIÓN:
La fricción no sólo puede ser considerada desde el punto de vista negativo por efectos que produce en maquinaria; también produce efectos positivos. Sin fricción no sería posible caminar, y muchos de los elementos que aprovechamos, como el automóvil, el freno o la piedra de esmeril, etc., no tendrían razón de ser.
En los órganos de las máquinas consideramos la fricción como indeseable porque casi todos requieren del deslizamiento de una parte contra otra. Para vencer la fricción se requiere trabajo y la energía así gastada supone pérdida de potencia y eficiencia. Además donde hay fricción sólida ocurre desgaste,
pérdida de material por la acción cortante de las asperezas opuestas y el
rompimiento de las minúsculas superficies soldadas.
Uno de los problemas de los ingenieros es controlar la fricción; incrementar la fricción donde se requiere (frenos) y reducir en donde no es conveniente (cojinetes). Este módulo trata sobre la reducción de la fricción.
La fricción origina calor, produce pérdida de potencia y desgaste de las partes
en movimiento, desde el punto que se inicia un rápido deterioro hasta una falta
total en la parte en contacto.
REDUCCIÓN DE LA FRICCIÓN:
Las fuerzas de fricción pueden ser disminuidas por los siguientes factores, los
cuales pueden controlarse:
- La carga: Influye en forma directamente proporcional a la fricción; sin embargo, es parte de todo mecanismo y en la mayoría de los casos es difícil de modificar.
- Naturaleza de los materiales: Dependiendo de su naturaleza química, los cuerpos pueden presentar mayor o menor fricción. EJEMPLO: Dos superficies de acero que deslizan presentan mayor fricción que dos superficies de teflón bajo las mismas condiciones de trabajo.
- El acabado de las superficies: Los coeficientes de fricción son mayores cuando las superficies son ásperas que cuando son pulidas.
- Forma de los cuerpos: La fricción por rodamiento es menor que la fricción por deslizamiento. Los cuerpos esféricos o cilíndricos, por lo tanto, ocasionan menor fricción.
- La lubricación utilizada.
CONCEPTO DE LUBRICACIÓN:
Lubricar es interponer entre dos superficies, generalmente metálicas expuestas a fricción, una película fluida que las separe a pesar de la presión que se ejerza para juntarlas. La lubricación elimina el contacto directo de las superficies metálicas, impide su desgaste y reduce al mínimo el rozamiento que produce pérdida de potencia.
IMPORTANCIA DE LA LUBRICACION:
Los costosísimos y complicados equipos industriales que requiere la industria
moderna no podrían funcionar, ni siquiera unos minutos, sin el beneficio de una
correcta lubricación. El costo de ésta resulta insignificante comparado con el
valor de los equipos a los que brinda protección.
La utilización del lubricante correcto en la forma y cantidad adecuada ofrece
entre otros los siguientes beneficios.
- Reduce el desgaste de las piezas en movimiento.
- Menor costo de mantenimiento de la máquina.
- Ahorro de energía.
- Facilita el movimiento.
- Reduce el ruido.
- Mantiene la producción.
FUNCIONES DE LOS LUBRICANTES
Los lubricantes deben rebajar al máximo los rozamientos de los árganos móviles facilitando el movimiento, pero además deben reunir propiedades tales como:
- Soportar grandes presiones sin que la película lubricante se rompa.
- Actuar como refrigerante.
- Facilitar la evacuación de impurezas.
ELEMENTOS BÁSICOS QUE REQUIEREN LUBRICACIÓN:
Por complicada que parezca una máquina, los elementos básicos que requieren lubricación son:
- Cojinetes simples y antifricción, guías, levas, etc.
- Engranajes rectos, helicoidales, sin fin, etc., que puedan estar descubiertos o cerrados.
- Cilindros como los de los compresores, bombas y motores de combustión interna.
- Cadenas, acoples flexibles y cables.
FACTORES QUE AFECTAN LA LUBRICACIÓN:
El desempeño de un lubricante se ve afectado por varios factores. Los
principales en términos generales son:
1. Factores de operación:
Entre los factores de operación principales que afectan la lubricación tenemos:
a. La carga.
b. La temperatura.
c. La velocidad.
d. Posibles contaminantes.
2. Factores de diseño:
Entre los factores de diseño se pueden considerar entre otros:
a. Materiales empleados en los elementos.
b. Textura y acabado de las superficies.
c. Construcción de la máquina.
d. Métodos de aplicación del lubricante
TIPOS O SISTEMAS DE LUBRICACIÓN:
a. Manual.
b. Centralizada o automática.
TIPOS DE LUBRICANTES:
De acuerdo a su estado los lubricantes se pueden clasificar así:
- Gaseosos (aire).
- Líquidos (Aceites).
- Semi-sólidos (grasas).
- Sólidos, Por ejemplo: (Bisulfuro de molibdeno, grafito, talco).
Se destacan por su mayor utilización en la industria los aceites y las grasas.
SEGÚN SU NATURALEZA LOS LUBRICANTES SE CLASIFICAN:
1. Vegetales:
Extraídos de las plantas y frutos, poco usados en la lubricación industrial pues
comparados con los lubricantes minerales quedan en gran desventaja en lo
que respecta al poder lubricante. Se les da mayor utilización en los alimentos.
Podemos citar entre otros: Los aceites de oliva, soya, maíz, coco, algodón,
higuerilla, etc.
2. Animales:
Son extraídos de la lana, de los huesos y tejido adiposo de los animales
terrestres y marinos. También son poco usados en la lubricación industrial, se
les utiliza en procesos industriales. Por ejemplo, en la fabricación de jabones.
Entre los más conocidos citaremos: La lanolina, la manteca de cerdo, el aceite
de ballena, etc.
3. Minerales:
Los lubricantes minerales por sus características son los más utilizados en la
industria. Se pueden clasificar así:
a. Los derivados de los hidrocarburos, del petróleo, del carbón de piedra.
b. Los lubricantes sólidos como; el bisulfuro de molibdeno, el grafito, el tungsteno, el talco y otros.
ELABORACIÓN DE LUBRICANTES A PARTIR DE CRUDOS DE PETRÓLEO:
La palabra petróleo está formada por “Petra” piedra y “Oleum” aceite, esto es aceite de piedra y lo componen en su mayor porcentaje hidrógeno y carbono
recibiendo el nombre de hidrocarburos, contienen además, en pequeños
porcentajes oxígeno, nitrógeno, azufre, etc.
Se encuentra una gran variedad de petróleos crudos y se puede decir que no existen en el mundo dos pozos que contengan petróleo crudo de igual composición química, pero en forma general se han agrupado según la base predominante, esto es:
Base parafínica
Base nafténica o asfáltica
Base mixta (parafínica-nafténica)
IDENTIFICAR Y CLASIFICAR Los ACEITES LUBRICANTES Y LAS GRASAS
ACEITES LUBRICANTES
En la actualidad los aceites se derivan del petróleo. El petróleo crudo es esencialmente una mezcla de gasolina, kerosén, aceite combustible y diesel, fracciones lubricantes, asfalto y gas natural disuelto. Estos productos a su vez son mezclas a menudo de miles de compuestos diferentes, cada uno de los cuales hierve a una temperatura definida.
Para aplicaciones en las cuales las condiciones son extremadamente severas,
los aceites de petróleo se refuerzan a menudo con la adición de ciertos agentes
especiales (aditivos).
La elección del lubricante adecuado es de suma importancia puesto que se tienen numerosos puntos para considerar en vista del servicio que se deba prestar.
Si tomamos como referencia lo concerniente al coeficiente de fricción debe observarse:
- La viscosidad y hasta cierto punto que de sus propiedades depende la facultad de un aceite para quedar entre dos superficies en movimiento.
- Con el aumento de temperatura se reduce la viscosidad y viceversa.
- Con una película completa de espesor constante crece la fricción líquida a medida que aumenta la velocidad del movimiento.
Para elegir en cada caso el lubricante adecuado se dispone de aceites de
petróleo que varían en viscosidad, punto de ebullición, estabilidad química y
otras características ya que todo lubricante debe:
- Humedecer las superficies que necesitan lubricación.
- Poseer la viscosidad adecuada.
- No evaporarse excesivamente durante el servicio.
- No ser perjudicial a las sustancias con las que se pone en contacto y no tener tendencia a formar goma, barniz, sedimento y otros materiales que puedan estorbar su acción propia.
- Poseer tal estabilidad contra las alteraciones químicas, que ninguna de las propiedades mencionadas se haga insuficiente en el servicio.
El aceite lubricante o simplemente “aceite” es una compleja mezcla de hidrocarburos que representa una de las clasificaciones más importantes de productos derivados de la refinación del petróleo crudo, encontrándose una gran variedad tanto de tipos como de grados.
Una de las propiedades más importantes y toda la historia de la lubricación gira
alrededor de ella, es la viscosidad.
LA VISCOSIDAD de un fluido es su resistencia a fluir libremente. Fluidos espesos como la melaza tienen alta viscosidad porque no fluyen con rapidez.
Fluidos delgados como el agua, fluyen rápidamente y tienen bajas viscosidades.
Los aceites lubricantes se encuentran en una gran variedad de viscosidad.
Figura 4 A.
LA VISCOSIDAD:
La viscosidad es la resistencia que opone el aceite a fluir libremente.
VISCOSÍMETROS: Para medir la viscosidad utilizamos los viscosímetros.
A. Viscosímetro Saybolt: S.S.U.
Nos da el tiempo en segundos en que tarda en pasar una muestra de 60 cm3 de aceite a través de un orificio estándar y a una temperatura determinada la cual puede ser 100°F, 130°F, 210°F (38°C, 54°C, 100°C). A las unidades obtenidas con este viscosímetro se les denomina segundos.
Sayboft Universal (S.S.U). Empleado en los E.E.U.U.
viscosidad, como el agua que fluye libremente.
POR EJEMPLO: El aceite hidráulico NUTO 32 de la ESSO, tiene una viscosidad de 147 S.U a 100°F y una viscosidad de 43 S.S.U a 210°F.
Entre mayor sea el S.S.U mayor será su viscosidad.
B. Viscosímetro Engler: (grados Engler °E).
Usado en Europa, excepto Inglaterra. Es la relación que resulta de dividir el
tiempo de derrame de 200 cm3 de aceite a la temperatura que se desee
comprobar la viscosidad y el de igual cantidad de agua a 20°C (50 a 52 seg),
también se utiliza las temperaturas de 50°C y 1 00°C.
C. Viscosímetro Redwood (Segundo Redwood).
Utilizado en Inglaterra y corresponde al tiempo de derrame de 50 cm3 de
aceite. La referencia de temperatura del aceite son de 100°F, 130°F y 21 0°F.
CARACTERÍSTICAS DE LOS LUBRICANTES:
1. Viscosidad:
La característica más importante de los aceites.
2. Índice de viscosidad: I.V.
El índice de viscosidad es el valor que indica la variación de la viscosidad de un aceite frente a la acción de la temperatura. Para hallar el índice de viscosidad se compara la variación de viscosidad que ha sufrido un aceite a dos temperaturas distintas y fijas, casi siempre 100°F (38°C) y 210°F (99°C)
Se ha establecido una escala convencional que va de O a 100, donde los aceites que tiendan a O representan los de mayor variación y son poco estables y los cercanos a 100 son los más estables.
Se han logrado por medio de aditivos, índices de viscosidad superiores a
100 y se consideran estos aceites como inafectables por la temperatura.
Para uso automotriz se deben utilizar IV. superiores a 85.
3. Untuosidad:
Se entiende por untuosidad la adherencia del aceite a las superficies a lubricar.
Es una propiedad de acción física, la cual, aunque siempre es de interés, tiene su máximo exponente en la lubricación de motores de vehículos y de cojinetes
sometidos a frecuentes paradas y arrancadas.
4. Densidad: (Gravedad específica):
Densidad es la relación existente entre el peso de un volumen determinado de
una sustancia y el del agua destilada a 4°C. En los aceites lubricantes esta relación es menor a la unidad (0,855 a 0,934), lo cual nos índica que son menos pesados que el agua, razón por la que flotan en ella. La densidad de los aceites se da a la temperatura de 15,5°C.
5. Puntos de fluidez y congelación:
El punto de fluidez es aquella constante que indica cuál es la mínima temperatura a la que fluye el aceite por los circuitos de lubricación, es decir el aceite a bajas temperaturas se va volviendo más viscoso, hasta que llega el momento en que deja de fluir. Esta característica se debe tener en cuenta principalmente en aceites que van a lubricar mecanismos que trabajan a bajas temperaturas, por ejemplo máquinas frigoríficas.Si se continúa enfriando el aceite, casi inmediatamente se produce la
congelación total, punto éste que se conoce como congelación.
6. Punto de inflamación y combustión:
El punto de inflamación de un aceite lo determina la temperatura mínima a la
cual los vapores desprendidos por un aceite se inflaman en presencia de una llama o chispa que va saltando casi de un modo continuo.
El punto de inflamación tiene una importancia vital en aquellos mecanismos
donde el aceite trabaja a elevadas temperaturas: por ejemplo, motores de
combustión interna en los que se requieren puntos de inflamación superiores a
215°C. En cambio para lugares donde la temperatura sea la ambíental o
ligeramente superior, esta característica no tiene interés alguno, ya que todos
los aceites superan en mucho a dicha temperatura.
Si se prosigue calentando el aceite al llegar a una temperatura de 20° o 30°C
superior al punto de inflamación, los vapores desprendidos ya no arden
momentáneamente, sino de un modo continuado; este fenómeno se conoce
con el nombre de punto de combustión.
7. Acidez:
Es el porcentaje de ácidos libres que un aceite contiene. Dichos ácidos siempre
son perjudiciales tanto para el lubricante como para los metales con los que están en contacto. No es aceptable un aceite que arroje un porcentaje de acidez superior al 0,25%.
Una de las formas de definir la acidez o alcalinidad de una materia es por la
escala PH que va numerada desde O hasta 14,14; en esta escala hay un punto
intermedio de 7,07 que corresponde al agua destilada, o sea, el neutro.
Materias con un pH de 13,5 o 14 son soluciones alcalinas del estilo de la sosa
o potasa cáustica.
8. Índice de acidez:.
Entiéndase por número o índice de acidez el número de miligramos de potasa cáustica (K OH) necesarios para neutralizar la acidez libre de un gramo de grasa o aceite.
9. Porcentaje en cenizas:
Las impurezas (ceniza y azufre) siempre son indeseables en los aceites. En la mayor parte de los casos, proceden de los álcalis utilizados en la refinación y que no han sido después completamente eliminados, o bien provienen de desprendimiento de impurezas o costras de los conductos por los que atraviesa durante todo el ciclo.
Los aceites con porcentajes de cenizas superiores a un 0,02% no son recomendables para lugares finamente ajustados y revolucionado. De este punto neutro hacia abajo se encuentran los ácidos a menor
número de pH, más concentración ácida y los pH superiores indican los alcalinos, a mayor número de pH, más elevada concentración alcalina. Materias con un pH de 0,5 o 1 son los ácidos enérgicos como el
sulfúrico, nítrico, clorhídrico, fosfórico, fluorhídrico.
10.Residuo carbonos:
El residuo carbonoso es la tendencia a la formación de carbón en los aceites
que han de trabajar en lugares que, por su alta temperatura se queman.
Los porcentajes de carbón admisibles en los aceites lubricantes son de 0.1
hasta 0.9%.
TIPOS DE ACEITE:
Los aceites lubricantes derivados del petróleo están clasificados en una
variedad muy amplia, de acuerdo con el servicio al que se han de aplicar.
Algunos de ellos, se destinan virtualmente a usos especiales, mientras que
otros pueden emplearse con éxito en una variedad tan extensa de maquinaria,
que se convierten en productos de aplicación múltiple.
Nos interesa conocer básicamente lo relativo a las clasificaciones siguientes.
- Aceites para sistemas de circulación.
- Aceites para engranajes.
- Aceites para maquinaria o para motores.
- Aceites para husillos.
- Aceites para refrigeración.
- Aceites para cilindros de máquinas a vapor.
Aceites circulatorios:
Probablemente son estos los lubricantes de más alta calidad que se pueden obtener en la actualidad.
- Aceites para lubricación de turbinas de vapor.
- Aceites para usos hidráulicos.
- Aceites para sistemas circulatorios en trenes de laminación.
- Aceites para sistemas circulatorios para maquinaria papelera.
- Aceites para servicio pesado, motores de combustión interna.
ELECCIÓN DE UN ACEITE LUBRICANTE EN CUANTO A LA VISCOSIDAD:
Los factores que afectan fundamentalmente la lubricación con un aceite en
cuanto a su viscosidad son:
1. Velocidad:
La velocidad tiende a producir la cuña de aceite que protege los mecanismos,
es decir siempre que la velocidad sea ELEVADA hay una mejor facilidad para
formarse la cuña de aceite y por lo tanto usamos un aceite ligero (de baja viscosidad). Además existe un menor fricción fluida (la que se forma entre las películas) y una menor pérdida de potencia. Por el contrario, cuando la velocidad es baja, la deficiencia en la formación de la cuña de aceite debe ser suplida mediante un aceite más viscoso, es decir que presente dificultad para romperse la película de aceite.
2. Carga o presión:
Cuando existe una carga pesada, esta tiende a unir las dos superficies en movimiento. Una mayor viscosidad del lubricante soportará mejor la acción de esa carga pesada. Por el contrario si se trata de un cojinete pequeño, que lleva una carga muy pequeña, será indispensable un aceite de baja viscosidad, para permitir el libre movimiento de las partes y menor pérdida de potencia por fricción fluida.
3. Temperatura:
La temperatura influye directamente modificando la viscosidad de los aceites.
Todo lubricante al ser calentado sufre una disminución de viscosidad, el enfriamiento produce el efecto contrario.
Al seleccionar un lubricante deberá tenerse en cuenta la temperatura ambiente o de operación; si el ambiente es caliente, se deberá emplear un aceite muy viscoso, Inversamente, si se va a trabajar en ambientes fríos deberá lubricarse con aceites de baja viscosidad.
GRASAS LUBRICANTES:
Las grasas lubricantes son aceites minerales espesados con jabones. El jabón actúa como base o soporte del aceite. Tanto las propiedades de la base como del aceite lubricante, así como las proporciones de cada uno de estos componentes, proporcionan las características físico-químicas que son las que determinan el uso y aplicación de cada tipo.
CARACTERÍSTICAS DE LAS GRASAS:
Las principales características de las grasas son:
1. Consistencia:
Es el grado de dureza o resistencia a la penetración. Generalmente depende
de los elementos que la componen, de la cantidad, y del proceso de elaboración. La consistencia se mide con el Penetró metro. Figura 6
El ensayo se reduce a dejar el penetró metro sobre la superficie de la grasa, sin más fuerza que la de su propio peso y durante 25 seg. se observa en la carátula lo que ha penetrado en décimas de milímetro. Esta prueba se realiza a una temperatura estándar de 25°C.
El peso del penetró metro es de 150 gramos de peso.
La A.S.T.M (American Society Testing Materlais) Sociedad Americana para prueba de Materiales, y la NLGI (National Lubricating Grease Institute) Instituto
Nacional de Grasas, determinan la penetración en el siguiente cuadro:
La estabilidad de una grasa es la constante que determina el comportamiento del producto en lo referente a la separación del jabón y del aceite ante las duras agresiones de temperatura, velocidad y presión, que deben soportar durante su trabajo o bien durante el almacenaje prolongado.
El fenómeno de no estabilidad se aprecia por la formación de una capa superficial de aceite líquido sobre la masa total de la grasa. Son poco estables las grasas a base de calcio.
2. Reversibilidad:
Se entiende por reversibilidad en una grasa la propiedad de recuperar su estructura primitiva una vez separados el aceite y el jabón por acción de una elevada temperatura y velocidad. Es casi una propiedad imprescindible en las grasas destinadas a la lubricación de rodamientos.
3. Punto de fusión y de gota:
Es la temperatura en la cual una grasa deja de comportarse como tal y se transforma en un aceite y un jabón ambos por separado. Si se prosigue calentando la fluodificación se irá incrementando hasta que se desprenda una gota.
4. Adherencia o pegajosidad:
La adherencia o pegajosidad de una grasa la determina casi exclusivamente la clase de jabón empleado. Las grasas fibras presentan mayor adherencia que las mantequillosas.
Esta propiedad es importante cuando se trata de engrasar sistemas muy revolucionados (giratorios).
OTRAS GRASAS:
También existen otras clases de grasas que no son las de aceites minerales
espesados con jabones. Citaremos entre ellas:
A. Grasas fabricadas con lubricantes sintéticos espesados con jabones, o
aceites de siliconas.
B. Grasas fabricadas con lubricantes espesados, no con jabones sino con
arcillas coloidales (Bentone).
C. Grasas fabricadas con bisulfuro de molibdeno, grafito, etc.
El empleo de las grasas a base de siliconas va extendiéndose rápidamente a pesar de su menor capacidad lubricante con respecto a las de aceites minerales y de su precio muchísimo más elevado, por su perfecto
comportamiento ante la temperatura, la cual no le afecta hasta pasados los
200°C.
Además, una de las propiedades más interesantes de este tipo de grasas es la
gran diferencia en pérdida de peso con las normales ante un mismo ataque
térmico.
En las grasas de muy buena calidad elaboradas a base de aceites minerales, la
pérdida de peso experimentado al exponerlas a una temperatura de 65°C
durante cuarenta horas, es de un 35 a un 40% mientras que la misma experiencia realizada con las de siliconas da un valor oscilante alrededor del 4%.
SELECCIÓN DE LUBRICANTES:
Aceite contra grasas:
El uso de uno u otro dependerá más o menos, del diseño del cojinete, de las
condiciones de trabajo y del tipo de máquina que se va a lubricar.
Ventajas de las grasas.
- La frecuencia de lubricación es usualmente menor cuando se usa grasa que cuando se usa aceite. Esto hace a la grasa ideal para puntos de lubricación de difícil acceso.
- La grasa es menos propensa a derramarse del alojamiento de un cojinete, por su naturaleza plástica, especialmente en lugares poco cubiertos.
3. Usualmente se necesita menos grasa para la buena lubricación de un cojinete que la que se necesitaría en el caso de usarse aceite.
4. La grasa actúa como un sello contra el polvo, la suciedad y el agua.
Ventajas de los aceites:
1. El aceite se adapta más a todas las partes de una máquina, como cojinetes engranajes y correderas.
2. El aceite es más fácil de manipular en el vaciado y llenado de cárteres o depósitos cerrados. Por ejemplo: Caja de velocidades.
3. Es más fácil controlar la cantidad correcta de lubricante en un cojinete cuando se utiliza aceite.
4. El aceite es más adecuado para una escala amplia de temperatura y condiciones de operación. Si debido a las altas temperaturas de operación se requiere el enfriamiento del aceite podemos usar un sistema circulatorio de aceite, o serpentines de enfriamiento.
5. Los aceites ofrecen una escala más amplia de viscosidad a elegir para un campo más amplio de velocidades y cargas a soportar que con las grasas.
6. Es posible un campo más amplio de elección de métodos de aplicación con el aceite que con las grasas.
En la siguiente gráfica se indica la cantidad de aceite o grasa a suministrar cuando se trata de lubricar rodamientos.
En la figura 7(a) se utiliza aceite, el nivel del aceite debe llegar hasta la mitad del rodillo o bola más baja.
Cuando se utiliza grasa se aplica una cantidad aproximada de 1/4 a 1/3 del
volumen de la cavidad disponible. Figura 7(b)
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