La influencia de la lubricación en la vida útil de las transmisiones mecánicas


La influencia de la lubricación en la vida útil de las transmisiones mecánicas

Existe una gran variedad de formas y tamaños de engranajes. Desde los más pequeños, usados en relojería e instrumentos científicos, a los más grandes, empleados, por ejemplo; en las reducciones de velocidad de las turbinas de vapor de los buques, en el accionamiento de los hornos y molinos de las fábricas de cemento, etc. El campo de aplicación de los engranajes es prácticamente ilimitado, aunque su principal función es la transmisión de potencia mecánica.

Figura 1 – Ejemplos de conjuntos de engrane

 

A partir de esta descripción sobre los fundamentos de una transmisión mecánica, debemos considerar aspectos críticos a la hora de una operación apropiada para este tipo de máquinas. Entre los elementos a considerar se plantea la selección apropiada del tipo de transmisión cuyos parámetros más importantes a considerar son los siguientes; velocidad, carga y dinámica de toda la cadena cinemática. Desde el punto de vista de la operación, se debe considerar el tipo de cimentación y apoyo de la máquina, siendo este un elemento de suma importancia para garantizar niveles apropiados de vibración, estabilidad, ahorro energético e integridad del equipo. Otra variable a considerar es la alineación de la cadena cinemática y por último y no menos importante, el tipo de lubricación y la selección del lubricante adecuado. Estos dos últimos aspectos son claves e influirán tanto en el control de temperatura, la eficiencia de la transmisión de potencia, así como en garantizar la mínima fricción entre superficies de los engranes y rodamientos.

Para entender las bases del artículo, es importante hacer mención a las bases de la lubricación y la teoría de lubricación dinámica de Reynolds que se basa en que las superficies sólidas son perfectamente rígidas y que la viscosidad del aceite permanece constante, aunque varíe la presión. El aceite, por el efecto de su viscosidad y por razón de la velocidad, genera una presión que separa las superficies deslizantes, formando la llamada “cuña hidrodinámica” de un espesor de entre 1 o 2 micras para conseguir separar ambas partes completamente.

La vida útil de las reductoras en las transmisiones mecánicas está, en gran parte, determinada por la calidad y eficiencia del sistema de lubricación. Ya que, sin un buen comportamiento en cuanto a fricción, desgaste y lubricación, la máquina está abocada, tarde o temprano, al fallo.

 

Modos de fallo en engranes

Dentro de los que se conoce como deterioro superficial se describen a continuación varios modos de fallo asociados a las condiciones tribológicas, responsables de cerca del 60% de los fallos que se producen en máquinas críticas.

Figura 2 – Modos de fallo [1]

[1] Gear Systems – A Tribological Review by Bruck Bogale, Metallurgical Engineer, Analyst, National Tribology Services

Es importante considerar que la sobrecarga y la fatiga por flexión “Bending Fatigue” no son fallos asociados a la lubricación. En cambio, los que se describen a continuación están asociados a la calidad y a la eficiencia de la lubricación.

 

Fatiga por contacto (Contact or Hertzian Fatigue)

La fatiga por contacto se produce debido a cargas repetidas que pueden causar fallos superficiales y desprendimiento de fragmentos de metal. Éstas producen microgrietas en la superficie que se propagan y acaban desprendiendo trozos microscópicos de metal. Los tipos más comunes de fatiga superficial son el micropitting y el pitting o macropitting (visible por el ojo humano).

El micropitting consiste en el desprendimiento de partículas en el área de contacto. El tamaño de las mismas suele ser de entre 10 y 20mm. Normalmente ocurre en superficies recubiertas de metal duro mediante diferentes tratamientos superficiales y en la que, a simple vista, no se puede apreciar.

El Pitting o Macropitting ocurre cuando la grieta producida por fatiga se inicia en la superficie o debajo de ella ya que, al crecer la superficie se forma un pequeño hueco de bordes afilados. Basado en el tipo de daño, el macropitting se puede clasificar en no progresivo, progresivo, spall o flake.

El tipo no progresivo consiste en huecos de tamaño menor a 1mm de diámetro en áreas localizadas. El macropitting progresivo consiste en huecos más grandes a 1mm de diámetro que cubren una parte importante de la superficie de contacto del diente. Cuando diferentes huecos se juntan formando cráteres se denomina spall. El flake macropitting consiste en pequeñas superficies superficiales que se desprenden y forman huecos de poca profundidad triangulares en una gran área del diente.

Figura 3 – Ejemplos de micropitting y pitting

Métodos para prevenir el Micropitting o Pitting

  1. Reducción de las tensiones de contacto reduciendo las cargas u optimizando la geometría del engranaje.
  2. Usar dientes con superficies lisas mediante un mecanizado adecuado (rectificado).
  3. Usar un lubricante adecuado, limpio y de una viscosidad correcta y controlada.
  4. Usar velocidades altas si es posible.
  5. Usar acero, adecuadamente tratado a alta dureza preferentemente por carburización.

Desgaste (Wear)

El desgaste de la superficie del diente del engranaje implica un desplazamiento o eliminación de material debido a acciones mecánicas, químicas o eléctricas. Los 3 desgastes más importantes son: adhesión, abrasión y pulido (polishing).

La adhesión es una transferencia de material de un diente a otro debido a soldadura y desgarro (“tearing”). La adhesión es considerada como moderada, ya que ocurre únicamente en la superficie de oxido externa del diente. Tal y como veremos después, el scuffing también es una soldadura pero más fuerte que la adhesión.

Típicamente, la adhesión ocurre en la pista del rodaje de los engranajes, donde se desgastan las imperfecciones de la superficie. Mediante la adhesión baja no desaparecen las marcas de mecanizado del diente del engranaje mientras que la adhesión moderada elimina parcial o totalmente estas marcas de mecanizado.

 

Figura 4 – Ejemplo de engrane con desgaste por adhesión

 

La cantidad de desgaste considerada tolerable depende de la vida esperada para el engranaje y requerimientos de control de ruido y vibraciones. El desgaste es considerado excesivo cuando ocurren cargas dinámicas o cuando la anchura del diente se reduce hasta que posibilita otros modos de fallo; como la fatiga por “bending”.

Métodos para prevenir el desgaste adhesivo

  1. Usar superficies de dientes lisas.
  2. Las 10 primeras horas de operación realizarlas con cargas más bajas (1/2).
  3. Si es posible, usar altas velocidades. Engranajes con altas cargas y bajas velocidades son propensos al desgaste excesivo. Por estas condiciones, usar engranajes nitrurados y la mayor viscosidad permitida para el aceite.
  4. Para engranajes a muy bajas revoluciones evitar usar aceites con aditivos sulfuro-fosforosos.
  5. Usar una adecuada cantidad de refrigerante, limpio y aceite seco de la mayor viscosidad permitida.

La abrasión es causada por contaminación en el lubricante de: arenilla, óxido, virutas de mecanizado o contaminantes exteriores. Aparece en forma de pulido o rallado paralelo. La abrasión leve no elimina mucha cantidad de material, mientras que la abrasión moderada elimina todas las marcas de mecanizado. La abrasión severa, que elimina también todas las marcas de mecanizado, puede causar escalones de desgaste al final de la superficie de contacto y en la base del diente pudiendo incluso verse reducido el grosor del mismo.

 

Figura 5 – Ejemplo de generación de desgaste por abrasión

 

Las partículas abrasivas pueden proceder desde la propia máquina, es decir de otros procesos de desgaste o desde el exterior. Las tareas y procedimientos de mantenimiento que requieran la apertura de cualquier tapa que cubra algún engranaje hay que realizarlas con cuidado para que el sistema de lubricación del aceite no se contamine.

Métodos para prevenir el desgaste abrasivo

  1. Eliminar la contaminación producida en el montaje de los engranajes haciendo un drenado inicial y otro a las 50 horas de funcionamiento, y después cambiar el filtro.
  2. Minimizar las partículas de desgaste creadas internamente utilizando tratamientos para endurecer los dientes de los engranajes, superficies lisas y lubricantes de alta viscosidad.
  3. Minimizar la contaminación ingerida por el sistema manteniendo cierres y válvulas de escape en lugares limpios y en áreas no presurizadas.
  4. Minimizar la contaminación añadida por tareas de mantenimiento realizando una buena administración de procedimientos.
  5. En sistemas de aceite recirculado, usar filtros finos.
  6. Para sistemas con lubricación por baño, cambiar el aceite por lo menos cada 2500 horas o cada 6 meses.
  7. Monitorización del lubricante.

 

El pulido (polishing) en una variante de la abrasión que da un acabado de espejo al diente del engranaje. Mediante microscopio se pueden ver pequeños arañazos en la superficie en la dirección de marcha. El pulido ocurre por contaminantes abrasivos finos dentro del lubricante.

Métodos para prevenir el desgaste por pulido

  1. Usar menos aditivos que sean químicamente activos.
  2. Eliminar partículas o contaminantes abrasivos del aceite realizando una filtración fina o mediante frecuentes cambios de aceite.

Puede ser creado por ciertos aditivos presentes en el lubricante (EP), que pueden ser químicamente reactivos y pueden causar este fenómeno.

Raspado superficial (Scuffing)

El scuffing es un proceso de adhesión muy severo que transfiere metal desde la superficie de un diente al otro. Normalmente ocurre en el addendum o dedendum en la dirección de marcha, aunque cargas concentradas pueden causar scuffing localizado. Puede ocurrir en cualquier contacto (rodadura) metal-metal donde la película de aceite no es lo suficientemente fuerte como para separar las superficies en contacto.

Un scuffing leve ocurre en pequeñas áreas del diente del engrane, concretamente en los picos de las marcas de mecanizado. Generalmente no es progresivo, un scuffing moderado ocurre en pequeñas áreas pero que cubren una buena parte del diente. Si las condiciones de trabajo no cambian puede llegar a ser progresivo. El scuffing severo ocurre en grandes partes del diente, por ejemplo, en todo el addendum o todo el dedendum. En algunos casos, el material superficial es deformado plásticamente y a menos que se corrija es normalmente un problema progresivo.

Al contrario que los anteriores modos de fallo que necesitan un periodo de tiempo para que ocurran, el scuffing puede darse en los primeros momentos de funcionamiento de la máquina. De hecho, hay más posibilidades de que ocurra scuffing en engranajes nuevos en los que sus dientes aún no se han alisado por el uso. Por esto es recomendable trabajar a la mitad de carga en las primeras horas de funcionamiento. Los dientes del engranaje pueden ser recubiertos por diferentes recubrimientos para protegerlos del scuffing durante el periodo crítico.

 

Figura 6 – Ejemplo de desgaste por Scuffing

 

Métodos para prevenir el scuffing

  1. Utilizar dientes con superficies lisas.
  2. Proteger los dientes del engranaje durante los periodos críticos mediante recubrimientos de fosfato de manganeso y hierro. Trabajar a mitad de carga en nuevos engranajes por lo menos las 10 primeras horas.
  3. Utilizar lubricantes de alta viscosidad con aditivos anti-scuff como azufre, fósforo o boratos.
  4. Refrigerar adecuadamente los dientes del engranaje. Para sistemas recirculados utilizar un intercambiador de calor para refrigerar el lubricante.
  5. Optimizar el tamaño y la forma de los dientes del engranaje utilizando dientes pequeños, modificaciones de addendum y modificaciones del perfil.
  6. Utilizar montaje rígido y un buen alineamiento de ejes.
  7. Utilizar aceros nitrurados para una mayor resistencia ante el scuffing. No utilizar acero inoxidable o aluminio para los dientes.

Las principales causas por las que aparece el scuffing son, la combinación de una alta velocidad de fricción con una intensa presión entre superficies que generan calor. La teoría de temperatura crítica de Blok es uno de los mejores criterios de predicción de scuffing. El scuffing ocurrirá en los dientes de engranajes bajo ciertas condiciones de lubricante cuando la temperatura máxima de contacto alcance una magnitud crítica.

 

¿Cómo afecta una mala lubricación a la pérdida de utilidad de una máquina?

Una lubricación deficiente conlleva una mayor fricción, un incremento de la temperatura de operación y una deficiente limpieza de la zona de trabajo; todo ello incrementando la probabilidad de reducir la utilidad de la máquina, con el coste operativo y económico que ello conlleva.

Hay que tener en cuenta ciertos aspectos de la lubricación para evitar o reducir los modos de fallo:

  • Lubricación excelente
  • Contenido controlado de aditivos para evitar corrosión
  • Protección contra la herrumbre (agua)
  • Viscosidad adecuada en operación
  • Viscosidad adecuada en frío para momentos de arranque
  • Baja formación de espuma
  • Estabilidad a la oxidación
  • Adhesión a los componentes para proteger ante la corrosión
  • Demulsibilidad para separar el agua y aceite de la manera más eficiente para facilitar drenaje
Si se produce un fenómeno de desgaste adhesivo por falta de lubricación provoca que las partículas generadas se queden entre las superficies, al no ser arrastradas fuera de éstas. Esto, a su vez, genera un desgaste abrasivo de tres cuerpos, lo que da lugar a la generación de más partículas.

 

 

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