Lubricacion de engranajes industriales (página 2)

Hemos visto que la selección de un lubricante para engranajes debe tener en cuenta las velocidades a las que operan los engranajes de alta velocidad, los aceites de baja viscosidad pueden ser usados; a bajas velocidades, aceites de mayor viscosidad son requeridos.

No es siempre posible seguir esta teoría tan simple. Muchas cajas de engranajes contienen varios juegos de engranajes, operando a diferentes velocidades, pero todos lubricados con el mismo aceite. En esos casos, la velocidad del engranaje de baja velocidad es usualmente el factor crítico con el cual se determina la viscosidad del lubricante.

En algunas cajas de engranajes, en donde hay grandes diferencias entre las velocidades de los engranajes de alta y baja velocidad, puede ser necesario usar un sistema de viscosidad doble. Un aceite de baja viscosidad lubrica los engranajes de alta velocidad y un aceite de alta viscosidad lubrica los engranajes de baja velocidad. Algunas veces puede ser posible realizar esto con un solo lubricante, primero usando aceite frío para lubricar los engranajes de baja velocidad. Luego, después que el aceite ha sido calentado y su viscosidad disminuida, es circulado a los engranajes de alta velocidad.

Efectos de la temperatura

La temperatura ambiente a la que operan los engranajes, afectará la selección de un lubricante. Cuando es posible que las cajas de engranajes trabajen en ambientes fríos, el aceite debe ser capaz de proporcionar lubricación efectiva a la temperatura de arranque más baja esperada. Al mismo tiempo, el índice de viscosidad del aceite debe ser lo suficientemente alto para asegurar que la lubricación es efectiva a la temperatura de operación más alta calculada.

La temperatura de operación es importante, también, no solo debido a su efecto sobre la viscosidad, sino también porque una temperatura de operación alta tenderá a facilitar la oxidación del aceite, por tanto se deberán emplear lubricantes con buenas propiedades antioxidantes.

Características de carga

Cuando los engranajes arrancan o paran de repente, o altas cargas son aplicadas, se generan altas presiones sobre los dientes de los engranajes. Estas cargas de choque pueden tender a romper la película de aceite entre los dientes del engranaje y causar el contacto metal-metal. Aceites con viscosidades mayores a las normales pueden ayudar a contrarrestar los efectos del choque, pero, donde las condiciones son más severas, los aditivos de EP son imprescindibles para garantizar la lubricación efectiva y minimizar el desgaste.

METODOS DE APLICACION

Los engranajes cerrados son usualmente lubricados por uno de estos tres métodos:

• LUBRICACION POR SALPIQUE. Es el método más simple, en el que los dientes del engranaje inferior están sumergidos en un baño de aceite. El aceite es transferido a las superficies que se encajan y transportado a la caja de engranajes y sobre los rodamientos. El método es satisfactorio cuando las velocidades no son altas, porque el aceite sería agitado excesivamente, o donde ocurren pérdidas de potencia indeseables y aumento de la temperatura. Los engranajes lubricados por salpique normalmente se calientan bastante y requieren de aceites de mayor viscosidad que los engranajes lubricados de otra forma.

• ENGRANAJES LUBRICADOS POR ASPERSIÓN. En sistemas de lubricación por aspersión el aceite es alimentado sobre los dientes del engranaje cerca del punto donde se encajan. El aceite se drena hacia el fondo de la carcasa, donde es recirculado. Originalmente la práctica era suministrar el lubricante sobre el diente de encaje, pero ahora se considera mejor aplicar el aceite al diente de arranque, al menos que el engranaje esté operando a bajas velocidades. Esto proporciona una refrigeración más eficiente y reduce el riesgo de que exista un exceso de aceite en la raíz de los dientes. Los refrigeradores de aceite y el equipo de filtración pueden ser incorporados al sistema de lubricación por aspersión, los cuales son comúnmente usados en conjuntos de engranajes de potencia operando a altas velocidades.

• LUBRICACION POR NEBLINA DE ACEITE. En la lubricación con neblina de aceite el lubricante es atomizado en la caja de engranajes en una corriente de aire comprimido seco. Las gotas de aceite depositadas sobre los dientes de engranaje proporcionan una lubricación efectiva sin arrastre de aceite. Mientras que el suministro de aire comprimido seco tiene efecto refrigerante. Los aceites usados en éste método de lubricación deben ser resistentes a la oxidación ya que la formación de una neblina aumenta enormemente el área de superficie en contacto con el aire. Es importante asegurarse de que la caja de engranajes está adecuadamente ventilada de tal forma que no se crea fricción en la caja de engranajes.

LUBRICANTES PARA ENGRANAJES ABIERTOS

Los engranajes abiertos tienden a ser usados al aire libre en condiciones desfavorables expuestos a las inclemencias atmosféricas, como en minas, canteras y muelles. Normalmente operan a velocidades lentas y raramente son fabricados con la misma precisión que los engranajes cerrados. La lubricación tiende a ser intermitente. A continuación se incluyen importantes características de los lubricantes para engranajes abiertos:

• ADHERENCIA. Un lubricante para engranajes abiertos debe tener buenas propiedades de adherencia para no ser desplazado por el diente del engranaje, eliminado por el viento, limpiado por la lluvia o la nieve o lazando fuera del engranaje por las fuerzas centrífugas mientras que el engranaje opera. Por lo tanto, se requieren lubricantes más viscosos que los empleados en las cajas de engranajes y usualmente contienen aditivos adherentes. Grasas y grasas semifluidas son usadas algunas veces en engranajes abiertos. Aunque tienen la ventaja de ser retenidas de manera más efectiva en los dientes de los engranajes que los aceites, es más difícil de obtener un cubrimiento homogéneo de las superficies trabajadas.

• PROPIEDADES DE TRANSPORTE DE CARGAS. Los engranajes abiertos soportan normalmente altas cargas y pueden ser sometidos a choques de cargas. Por lo tanto los lubricantes de engranajes abiertos pueden necesitar propiedades antidesgaste mejoradas y contener aditivos de extrema presión.

• PROTECCIÓN DE LAS CONDICIONES AMBIENTALES. Un lubricante para engranajes abiertos debe conservar sus propiedades en las condiciones climáticas más severas. Su viscosidad puede disminuir en clima caliente o aumentar en clima frío.

• PROTECCION DEL MEDIO AMBIENTE. El lubricante puede ser un vector de contaminación ambiental muy peligroso, en espacios abiertos se deberá utilizar un aceite biodegradable atoxico para no afectar a la flora, fauna y corrientes de agua. Actualmente existen productos lubricantes que aúnan la eficiencia en la lubricación y protección del engranaje, con la protección del medio ambiente.

MÉTODOS DE APLICACIÓN

Los engranajes abiertos sobre ejes horizontales son a veces lubricados por salpique, pero éste método es conveniente sólo para aceites de baja viscosidad.

El lubricante debe ser suficientemente adhesivo para mantener una película continua sobre el diente del engranaje, pero no tan viscoso que se canalice en el tanque de aceite o que cause grandes pérdidas de potencia. Allí donde se empleen lubricantes más viscosos, el método tradicional de aplicación es manual, puede ser aplicado al diente del engranaje con una brocha.

Un método más satisfactorio utiliza lubricantes de alta viscosidad diluidos con un disolvente apropiado. El disolvente se evapora después de la aplicación para dejar una capa delgada de lubricante. El lubricante es fácil de aplicar por este método y puede ser pulverizado sobre el diente del engranaje automáticamente, dando paso a sistemas de lubricación centralizada, provistos de boquillas aspersoras, estratégicamente situadas para proporcionar una adecuada cobertura del lubricante sobre los dientes. Los lubricantes para ser aplicados de esta forma son los fluidos tixotrópicos y el fluido Newtoniano.

ENGRANAJES AUTOMOTRICES

• CAJA DE CAMBIOS. Mecanismo mediante el cual la rotación del cigüeñal se transmite a las ruedas motrices; consiste en un sistema de engranajes cuya característica es engranar a grandes y distintas velocidades entre sí. Dependiendo del tipo de tracción (trasera o delantera) encontramos engranajes de dientes rectos, helicoidales, cónicos, helicoidales e hipoides, la potencia de un motor de explosión aumenta con el número de revoluciones por minuto hasta que se logra la velocidad de régimen. Al sobrepasar esta velocidad la potencia del motor vuelve a decrecer. Cuando un vehículo va sin fuerza, subiendo una pendiente, se recurre a la caja de cambios cambiando a marchas mas cortas, para hacer que, el motor vuelva a girar más rápido, dando toda su potencia, y el vehículo pueda subir con facilidad.

• PUENTE TRASERO. El giro del motor, pasa por la caja de cambios y llega al puente trasero, por el que tiene que comunicarse a las ruedas colocadas en un eje transversal. Este cambio en ángulo recto se consigue por el engranaje del piñón de ataque P (en el extremo el árbol de transmisión) y de la corona R montada en el eje de las ruedas y que comunica a éstas el movimiento del motor, siempre desmultiplicado (reducido) por ser el piñón de ataque más pequeño de la corona. La relación desmultiplicación de la pareja piñón-corona es la misma que la relación de los números de dientes de ambos engranajes.

• DIFERENCIAL. Si la corona, a la que hace girar el piñón de ataque, está unida a un eje, en cuyos extremos se encuentran las ruedas, el mismo número de vueltas dará la rueda de la derecha que la rueda de la izquierda. Pero en una curva la rueda interior recorre un trayecto menor que la rueda exterior; estos recorridos desiguales son efectuados al mismo tiempo y puesto que las dos ruedas están montadas rígidamente sobre el mismo eje, darán igual número de vueltas, por lo que, siendo de igual tamaño, forzosamente una será arrastrada por la otra, patinando sobre el asfalto. Para evitarlo, se recurre al diferencial, mecanismo que hace dar mayor número de vueltas a la rueda que en la curva le corresponde recorrer la parte exterior y disminuye las de la parte interior, ajustándolas automáticamente.

• DIFERENCIALES CONTROLADOS. El inconveniente del diferencial (menos sensible en los automóviles que en camiones o tractores), es que cuando una rueda motriz pierde adherencia y patina, gira a gran velocidad y la otra no gira por falta de potencia. Para resolver este problema se utiliza el diferencial controlado que consiste en un dispositivo que hace que las dos ruedas giren a la misma velocidad y aunque alguna no agarre, la otra puede sacar al vehículo de la situación difícil en la que se encuentra. Este tipo de diferenciales requiere lubricante con propiedades antideslizantes.

LUBRICANTES DE TRANSMISIONES Y DIFERENCIALES

El Instituto Americano de Petróleo (API) ha desarrollado un grupo de SEIS DESIGNACIONES DE SERVICIO para ubicar la calidad de aceites para engranajes. Cada número satisface un servicio más severo que su inmediato inferior.

• API GL-1. Para engranajes helicoidales cónicos y sin-fin, y ciertas transmisiones manuales. Los aceites minerales puros trabajan satisfactoriamente. Para mejorar sus rendimiento puede añadirse inhibidores de corrosión y oxidación, antiespumantes y depresores del punto de congelación. No son necesarios agentes de extrema presión y modificadores de fricción.

• API GL-2. Para engranajes sin-fin que operan con cargas, temperaturas y velocidades de deslizamiento tales, que los lubricantes API GL-1 no las satisfacen.

• API GL-3. Para engranajes helicoidales cónicos y transmisiones manuales bajo cargas y velocidades moderadamente severas, donde los lubricantes API GL-2 no son adecuados. Esta clasificación es característica de engranajes automotrices, particularmente HIPOIDES operados bajo condiciones de alta velocidad, alta potencia.

• API GL-5. Para engranajes automotrices, particularmente HIPOIDES operados bajo condiciones de alta velocidad, alta potencia.

• API GL-6. Para engranajes automotrices, específicamente HIPOIDES de ALTA COMPENSACION operados bajo condiciones de alta velocidad y rendimiento.

METODO PARA SELECCIÓN DE ACEITES LUBRICANTES EN CAJAS DE ENGRANAJES INDUSTRIALES CERRADOS

El método que a continuación se presenta, se denomina el Método Gráfico y a través de su aplicación podemos determinar y ó verificar la viscosidad requerida por parte de un aceite lubricante de engranajes industriales cerrados que son lubricados por salpique.

También permite seleccionar la viscosidad del lubricante requerida por los sistemas de engranajes industriales cerrados, que cuentan con sistema de lubricación por circulación, realizando, posterior a la determinación de la viscosidad y su consecuente grado ISO, la corrección del mismo, seleccionando el grado ISO inferior subsiguiente al obtenido aplicando el método, que como se enuncia en el párrafo inicial, es el método directo para la selección de la viscosidad de los aceites de sistemas de engranajes industriales cerrados que son lubricados por salpique.

Y se incrementa el grado ISO al superior subsiguiente cuando y después de efectuar la corrección anterior, se trate de lubricar sistemas que cuentan con engranajes del tipo tornillo sin-fin, corona e hipoides.

Es también efectuada la corrección del resultado de viscosidad y grado ISO obtenido, incrementando al grado ISO superior subsiguiente, cuando a pesar de no contar dentro del sistema con los tipos de engranajes particularmente mencionados, este se encuentre trabajando bajo condiciones de severa de vibración y/o cargas cíclicas de choque.

A continuación se citan dos ejemplos para los cuales se requirió conjugar las correcciones citadas y que adicionalmente ilustran para el ejemplo 2. El criterio a seguir cuando se trate de aproximar una viscosidad que es no coincidente, bien sea por exceso ó por defecto, con alguna de las curvas paramétricas que representan los diferentes grados ISO sobre el Nomograma de la figura 2. Ejemplo :

a. PROCEDIMIENTO

Los pasos para aplicar este método son:

• 1. Paso Primero: recopilar los siguientes datos:

• Potencia (HP)*

• Velocidad de salida (rpm)

• Relación total de reducción = rpm entrada/ rpm salida.

• Tipo de Accionamiento, bien sea por motor de combustión interna ó motor eléctrico ó Turbina.

• Tipo de Engranajes.

• 2. Paso Segundo: Uso del gráfico de la figura 1: En la escala inferior de la figura, localiza la potencia transmitida (HP)*, afectada por la eficiencia de transmisión (si se conoce), y en la escala inmediatamente superior se localiza, la velocidad de salida (rpm); luego por estos dos puntos se traza una línea recta que corte a la línea de pivote. En la escala superior se localiza la relación total de reducción crítica (ó sea la del par de engranajes que más reducción ofrezcan dentro del general de trenes de engranaje con que cuenta la caja) y a partir de ella se proyecta una recta hasta el punto antes marcado sobre la línea pivote; esta recta corta la escala de viscosidad media del aceite en cSt a 55ºC (Temperatura típica de diseño a la cual funciona normalmente un sistema de engranajes industriales cerrados) línea de temperatura sobre la cual se ubica el corte y se lee el valor correspondiente de viscosidad.

• 3. Paso Tercero: Con el valor de la viscosidad leído en la figura 1 y con la temperatura media de 55ºC, se halla el grado ISO del aceite a emplear mediante el Nomograma que representa la curvas de viscosidad paramétricas de los diferentes grados ISO mostrados en la Figura2.

• 4. Paso Cuarto: Se corrige el grado ISO:

• Incrementándolo al mayor siguiente superior sí el reductor está compuesto de engranajes cónicos helicoidales ó tornillo sinfín-corona.

• Reduciéndolo al menor siguiente, sí el reductor está siendo lubricado por circulación.

b. CONSIDERACIONES PARA ESCOGER EL GRADO DE ADITIVACION REQUERIDO

La selección del grado de aditivación depende del mayor ó menor grado de exposición al desgaste en que se vean envueltas por condiciones de diseño de los engranajes, las superficies de los dientes de engrane, determinando así y en orden de menor protección a mayor protección, partiendo en primer lugar con el nivel de lubricidad natural ó mejorada que provea el lubricante y siguiéndole con mayor protección el aditivo antidesgaste, el de extrema presión de carácter no activo y el de extrema presión de carácter activo respectivamente. El tipo de engranajes que demandan el más severo nivel de protección al desgaste son los del tipo hipoide y el menos severo el los cilíndricos de dientes rectos.

NOTA: Salvo en casos en que los sistemas de engranajes se encuentran expuestos a contaminación regular con humedad, se recomienda la selección de aceites complejos (minerales con aceite sintético).

c. CONSIDERACIONES PARA SELECCIONAR UN LUBRICANTE SINTETICO

Para los sistemas de engranajes industriales cerrados con temperaturas de operación mayores a 70°C, se recomienda utilizar aceites sintéticos tipo PAO (polialfaoleinas) preferiblemente y para casos extremos los tipo PEG (Polietylen Glicol,) ó tipo diésteres .

EJEMPLO DE SELECCIÓN DE LUBRICANTE CON EL METODO GRAFICO

Para un sistema de engranajes industriales cerrados, del cual desconocemos información del fabricante acerca del lubricante a utilizar, hallar el grado ISO del aceite a determinar, considerando que cuenta con lubricación por circulación:

Datos:

• Motor eléctrico 45CV

• 4 Engranajes cilíndricos de dientes rectos.

• Potencia Transmitida (HP)

• Velocidad de entrada (1000rpm) y salida (200rpm)

Solución:

PASO PRIMERO : Calcular Potencia transmitida y Relación de reducción

Potencia = 45CV x 0.98 = 44.1 CV (factor de perdida del engranaje 1 al engranaje 2)

44.1 CV x 0.98 = 43,21 CV (factor de perdida del engranaje 3 al engranaje 4)

Potencia transmitida = 43,21 CV = 43,21 CV x 0.9863 HP/CV = 42.63 HP (conversión de CV a HP)

Velocidad de entrada n1 = 1.000 rpm (en motores eléctricos, asumir 1.700 rpm, cuando no se conozca)

Velocidad de salida n2 = 200 rpm.

Relación total de reducción = n1 / n2 = 1.000 / 200 = 5 = i

PASO DOS : Hayar la Viscosidad del aceite a emplear

Utilizando el nomograma proporcionado, se ubica el valor de Pt (43.5 HP), y en la de velocidad de salida el de 200 rpm. Se traza una recta que se prolonga hasta que corte la línea de pivote. Sobre la escala superior se marca el valor de relación total de reducción y se proyecta una línea recta hasta el punto antes marcado sobre la línea de pivote, en el punto de corte con la escala de viscosidad media se lee el valor de 72 cSt a 55°C.

PASO TERCERO : Convertir cSt (centistokes) a 55ºC a Viscosidad ISO

Con el valor de 72 cSt y una temperatura media de 55°C (131°F), utilizando la gráfica de equivalencias CENTISTOKES / ISO , se concluye que el aceite deberá tener una viscosidad ISO de 150.

PASO CUARTO : Tipo de lubricación y aditivos

Por tratarse de un sistema de lubricación por circulación debe disminuirse el grado ISO en un grado, por lo que el GRADO ISO = 100, dado que es un engranaje recto la calidad API GL1 o API GL2, es decir, para esta caja de engranajes necesitamos un ACEITE MINERAL CALIDAD API GL1/GL2 VISCOSIDAD ISO 100.

SECCION TRES: DAÑOS EN LOS ENGRANAJES

Los defectos más comunes que podemos encontrar en los dientes de los engranajes son los siguientes :

• Fatiga Superficial

• Picadura Inicial (Pitting)

• Picadura destructiva

• Descostrado (Scuffing)

• Desgaste y Ralladura

• Deformación plástica o por sobrecarga

• Ruptura de dientes

• Otros procesos daño

Picadura (Pitting)

• El picado de un diente es una forma compleja de daño causada por la acción de rodadura y deslizamiento durante el engrane de los dientes.

• El picado de un diente ocurre por la deformación y tensión repetida en la superficie de los dientes, causando grietas de fatiga.

• El lubricante puede entrar en las grietas y ser comprimido por los movimientos subsiguientes, agrandando la grieta.

• Las tensiones o esfuerzos que causan el picado tienden a estar localizadas alrededor de puntos calientes o inclusiones en las superficies de los dientes.

• Los engranajes modernos tienen mínimas imperfecciones superficiales, por lo tanto es muy raro encontrar pitting.

• Las sobrecargas pueden causar serios daños superficiales en forma de Pitting destructivo, conduciendo a vibración excesiva y ruido.

• El Pitting extensivo de un diente de engranaje, también llamado "astillado" es más común en engranajes endurecidos en procesos metalográficos.

Métodos para prevenir el Pitting

• 1. Reducir las cargas sobre los engranajes o modificando su diseño, por ejemplo alterando el diámetro, el ancho de los dientes o el número de dientes.

• 2. Usar componentes de acero con tratamientos térmicos de endurecimiento superficial para reducir las inclusiones.

• 3. Mejorar el acabado superficial de los dientes (material pulverizado o pulido) para limitar el desarrollo de grietas.

• 4. Incrementar la viscosidad del lubricante y asegurar su enfriamiento y limpieza. La contaminación con agua y partículas abrasivas facilita el Pitting.

• 5. Lubricación adecuada.

Descostrado (SCUFFING)

• El descostrado o desgaste adhesivo ocurre cuando las cargas son tan altas que la película lubricante se rompe y hay contacto metal-metal.

• El metal es transferido de una superficie a otra, arrastrado a través de los dientes.

• El pie y la raíz de los dientes son las partes más afectadas, mientras que la línea pitch es escasamente tocada.

• El descostrado debe distinguirse de la ralladura debida a la abrasión, que tiene una apariencia similar pero origen diferente.

Prevención del descostrado

• 1. Operar con menor carga.

• 2. Uso de lubricantes con aditivos EP.

• 3. Mejorar el acabado superficial.

• 4. Incrementar la velocidad de operación.

• 5. Enfriamiento lento del engranaje después de las paradas.

Desgaste abrasivo

• Resulta del transporte de partículas abrasivas en la película lubricante, que pueden quedar atrapadas entre los dientes de los engranajes.

• Las partículas abrasivas provienen del medio ambiente o de otros tipos de avería como el picado.

• El desgaste abrasivo depende de la naturaleza y tamaño de las partículas contaminantes.

Prevención del desgaste abrasivo

• 1. Superficies del engranaje endurecidas mediante procesos martensísticos.

• 2. Mantener en buen estado las juntas del sistema de lubricación.

• 3. Remplazar o equipar con filtros las parrillas de ventilación.

• 4. Lubricantes de alta viscosidad.

• 5. Cambiar el aceite periódicamente y filtrarlo en sistemas de circulación.

• 6. Hábitos de limpieza durante el mantenimiento.

Desgaste por sobrecarga

• El desgaste destructivo ocurre a bajas velocidades y altas cargas.

• En estas condiciones, la carga rompe la película lubricante pero la temperatura no es suficientemente alta para provocar la soldadura de los metales en contacto y causar el gripado.

• Este desgaste afecta a casi toda la superficie de los dientes, excepto en la línea pitch.

• Poco común en engranajes endurecidos.

Deformación por sobrecarga

Desgaste corrosivo

• El desgaste corrosivo es relativamente poco común.

• Se caracteriza por la presencia de un gran número de muy pequeños orificios distribuidos sobre toda la superficie de trabajo del diente.

• Causado por los productos ácidos generados en la oxidación del aceite o por su contaminación con agua (humedad).

• Partículas metálicas en el aceite catalizan la oxidación.

Fractura por impacto

• La fractura estática se presenta cuando los dientes se rompen después de solo unos ciclos a muy altas cargas.

• El diente que sufre fractura por impacto se caracteriza a menudo por la presencia de una ondulación en el área donde fue comprimido. Esto se debe a una deformación plástica severa.

• La superficie de fractura tiene una apariencia fibrosa, uniforme y gruesa, y no hay signos de daño progresivo.

Fractura por fatiga

• Esta avería es causada por sobrecarga repetida sobre un diente.

• El diente es similar a una viga voladiza que es soportada por uno de sus extremos. La carga actúa hacia la punta del diente y el máximo esfuerzo ocurre en la raíz.

• Sobrecargas repetidas inician las grietas en la raíz que se extienden en uno o más dientes.

• Algunas veces se reconoce por marcas elípticas sobre la superficie fracturada, que salen desde el punto en la raíz donde se originó la falla.

La probabilidad de avería por fatiga puede ser minimizada:

• 1. Reduciendo la carga sobre el engranaje.

• 2. Incrementando el tamaño del diente o el ancho de la cara.

• 3. Incrementando el diámetro del engranaje.

• 4. Incrementando el radio de la raíz.

• 5. Tecnología de fabricación.

Otras causas de fractura

• Fractura por des-alineamiento de los dientes de ambos engranajes.

• El daño se origina en el extremo final de los dientes y tiende a seguir una línea diagonal.

• El des-alineamiento se presenta a menudo por problemas con los cojinetes del eje.

• Este daño es más común en engranajes helicoidales y cónicos.

Autor:

Raul Gonzalez