03 Lubricantes - Teoría.pdf

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L U B R I C A C I Ó N

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FRICCIÓN Es la resistencia al movimiento cuando existen superficies en contacto COMPONENTE SUPERIOR

Movimiento

COMPONENTE INFERIOR

Fricción

El roce es el resultado de la rugosidad de las superficies. Película de Aceite

Contacto entre dos Superficies

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Es interesante recordar que si una pieza A de peso Ps se mueve con deslizamiento sobre una superficie B, es preciso aplicar una fuerza para vencer el rozamiento que está en relación con Pa por las siguientes leyes de Coulomb: • La fuerza de rozamiento es directamente proporcional a la carga. • La fuerza de rozamiento es independiente de la extensión de las superficies en contacto. • La fuerza del rozamiento depende de la naturaleza de las superficies en contacto. • La fuerza del rozamiento es independiente de la velocidad relativa entre las superficies deslizantes. La relación ente las fuerzas de rozamiento Froce y la carga Pa se le denomina coeficiente de roce.

FRoce  Na

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TIPOS DE FRICCIÓN FRICCIÓN DESLIZANTE

• Ocurre entre dos superficies sin lubricante ó muy poco. • La presión de contacto cubre una gran área, esto significa que la presión es baja y se requiere más fuerza Superficies planas deslizándose

Pistón Rodamiento cerrado

Guías

Bloque de arrastre

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FRICCIÓN RODANTE

• Ocurre cuando un cuerpo cilíndrico o esférico gira sobre una superficie. • El área de contacto es pequeña resultando una alta presión de carga. • Los elementos rodantes se deforman levemente y aumenta la fricción de deslizamiento. • Con el aumento de carga disminuye el área lubricada . 5

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FRICCIÓN FLUÍDA

• Existe deslizamiento entre las capas del lubricante.

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LUBRICACIÓN Que es lubricar: Acción tendiente a mejorar uno ó varios componentes, por medio de un lubricante (aceite, grasa, gas, polvo.) Para que lubricamos: Para poder reducir la fricción y el desgaste para así aumentar la vida útil de estos elementos

¿Por qué lubricar ? ¡ Por el ROCE ! ¡ Por el DESGASTE !

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LUBRICACIÓN Cuando una superficie metálica se desplaza con respecto a otra, por esmerado que sea el trabajo de pulido, aunque parezca lisa y suave a simple vista, en realidad está formada por rugosidades y asperezas casi microscópicas, las cuales entran en contacto, se enganchan, desgarran y trituran, originándose el rozamiento, por el cual el material se desgasta, la temperatura aumenta y las piezas se calientan, se dilatan y llegan incluso a fundirse, produciendo el denominado gripado. Gripado: Bloqueo de dos cuerpos metálicos en movimiento relativo, a causa de una fusión superficial del material. El fenómeno proviene siempre de la temperatura demasiado elevada que se desarrolla entre la superficie de las piezas en condiciones anormales de funcionamiento. El calor producido por el roce es función de la presión de contacto, del coeficiente de roce entre ambos cuerpos y de su velocidad relativa. Cuando existen valores elevados de uno de estos tres factores, se pueden producir cantidades de calor que, si no se eliminan a tiempo, conducen a la aparición de temperaturas muy altas; los dos materiales, o sólo uno de ellos, llegan a su punto de fusión, con la consiguiente soldadura de las superficies. El incremento de temperatura va siempre acompañado de una notable dilatación de los materiales, por lo que, si la dilatación no ha sido prevista en el diseño con un juego oportuno, la presión aumenta y el fenómeno se incrementa hasta crear una verdadera interferencia entre las piezas.

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LUBRICACIÓN El engrase o lubricación consiste en interponer entre movimiento relativo una película de aceite sobre las Se puede afirmar (salvo en casos muy particulares) movimiento relativo entre elementos de una máquina lubricación.

las superficies con que se desplazan. que cuando existe es NECESARIO la

Lubricar es hacer resbaladiza una cosa. Para ello se usan los lubricantes, gracias a los cuales se reduce el rozamiento entre piezas, disminuyendo así el desgaste, aumento de temperatura y la posibilidad de gripado de los elementos. La película de lubricante interpuesta entre las dos superficies, aunque varía de espesor, puede ser tan delgada que tan sólo llegue a alcanzar milésimas de milímetros y a pesar de ello, cuando se coloca una película de aceite entre piezas en contacto, el roce entre ellas disminuye, el trabajo absorbido es menor y menores las perdidas de energía por calor. Cuando la película de aceite tiene cierto espesor se puede considerar dividida en tres capas claramente diferenciadas, dos de ellas se adhieren a las superficies metálicas y la tercera o intermedia hace de “Cojín hidráulico”.

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LUBRICACIÓN Con la lubricación, además de reducir la fricción, se logra reducir el desgaste de la piezas, reducir la corrosión, disipar el calor producido (refrigerante), aumentar la estanquidad de los órganos y evacuar los sedimentos que son perjudiciales para el sistema. Si la película de lubricante situada entre las superficies deslizantes es suficientemente gruesa como para que no exista contacto de metal – metal se dice que la lubricación es de película gruesa o fluida. Es evidente que cuanto más ásperas sean las paredes deslizantes, más gruesa tiene que ser la película del lubricante para separarlas. El proyecto de un cojinete exige de un espesor mínimo de película que garantice que los puntos más salientes o crestas de las superficies deslizantes no entren en contacto. Cuando exista lubricación de película gruesa la fuerza de rozamiento que se opone al movimiento relativo de los elementos es independiente de la naturaleza de los mismos y está afectada sólo por las características del fluido lubricante.

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TIPOS DE LUBRICACIÓN Pueden distinguirse 5 formas diferentes de lubricación: Hidrodinámica, hidrostática, elastohidrodinámica, lubricación límite y lubricación con material sólido. Hidrodinámica:

Es aquella en la que las partes del cojinete que soportan la carga están separadas por una capa lubricante relativamente gruesa que impide el contacto directo entre metales. Este tipo de lubricación no requiere introducir el aceite a presión (aunque puede hacerse), sólo precisa de un abastecimiento adecuado en todo momento. La presión en el lubricante la origina la superficie en movimiento que lo arrastra hacia una zona con forma de cuña introduciéndolo y apareciendo una presión que separa a las dos superficies deslizantes. También es llamada Lubricación de Película Completa o Fluida. LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA Alta Velocidad LA MEJOR CONDICIÓN DE LUBRICACIÓN

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Hidrostática: Se obtiene introduciendo el lubricante en el área de soporte de la carga a presión suficientemente grande como para separar las superficies deslizantes entre sí con una capa de lubricante suficientemente gruesa como para impedir el contacto de metal con metal. Lubricación límite: La película de lubricante es tan fina que existe un contacto parcial metal-metal. Puede pasarse de lubricación hidrodinámica a límite por caída de la velocidad, aumento de la carga o disminución del caudal de aceite. En este tipo de lubricación (de película delgada, imperfecta o parcial) la composición química es mucho más importante que la viscosidad del lubricante. Esta lubricación se da cuando las condiciones de trabajo son tales que impiden la formación de películas de lubricante de elevado espesor. En este caso, además de la viscosidad se precisa en los lubricantes de elevada untuosidad. Es el caso de engranajes de precisión.

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Elastohidrodinámica: Se da cuando se sitúa el lubricante entre superficies que ruedan una sobre otra, es el caso de los rodamientos de bolas.

Lubricación con material sólido: Se usa cuando los cojinetes tienen que trabajar a temperaturas extremas. El material utilizado como lubricante de película sólida es el grafito o el disulfuro de molibdeno. Es el caso de ejes de máquinas antiguas.

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¿Qué es un lubricante? Un lubricante es cualquier sustancia que permita separar 2 superficies que poseen un movimiento relativo entre ellas, reduciendo así la fricción, y con ello, ¡el desgaste! En particular, ¡el contacto metal-metal!.

¿De qué se compone un lubricante?

Círculos de Paso

Un lubricante se compone de aceites básicos provenientes principalmente de la refinación del petróleo, a los cuales se les agrega un paquete de aditivos para darle ciertas propiedades deseadas.

Lubricante = Aceites básicos + Aditivos 80 - 95 %

20 - 5 %

¿Qué hay en un lubricante? ADITIVOS

SHELL

PROCESO DE REFINADO

ACEITE BASE

Lubricante PERFORMANCE

PETRÓLEO CRUDO

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FUNCIONES DE LOS LUBRICANTES

Herrumbre: Capa de óxido de color rojizo que se forma en la superficie del hierro y otros metales a causa de la humedad o del agua. Es la oxidación de cualquier metal (cuando un átomo pierde electrones), las herrumbres generalmente son producidas por una especie de bacterias llamadas Quimiosintéticas (bacterias del Fe) porque ellas oxidan sustancias inorgánicas para obtener energía, las herrumbres de un metal se deben a la oxidación del mismo por contacto directo con el O2 atmosférico, o bien, por el accionar de estas cepas bacterianas.

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TIPOS DE LUBRICANTES

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Aceites Lubricantes Aceites Básicos: Hay 2 grupos:  Minerales:

Pozo de Extracción de Petróleo

 Parafínicos (Residuos de cera)  Nafténicos (Residuos Asfálticos)  Aromáticos  Sintéticos:

 Hidrocarburos Sintéticos  Poliglicoles  Polialfaoleofinas  Diésteres

Subsuelo Gas Petróleo

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PROPIEDADES FÍSICA-QUÍMICAS MÁS IMPORTANTES DE LOS ACEITES BÁSICOS 1) Viscosidad () (Más importante) 2) Índice de Viscosidad (I.V.)

3) Gravedad Específica 4) Punto de inflamación (Flashpoint) 5) Punto mínimo de escurrimiento

6) T.B.N. (Número total básico) 7) Cohesión 8) Adhesión 9) Oleosidad

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Viscosidad: Es la medida de la resistencia natural de un fluido a escurrir. Se mide en:  Centistokes (cST)  Segundos Saybolt (SSU) En los manuales de productos de las compañías de lubricante se especifica la viscosidad a 40 ºC y a 100 ºC (100 ºF y a 210 ºF respectivamente). La viscosidad de todos los fluidos decrece con la Temperatura, pero no todos de la misma forma:

 cSt

Aumenta la Temperatura

157

Cae (disminuye)

Y S O L V E N T E S

la Viscosidad 13

40

100

Tº (ºC)

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Aceites Lubricantes Monogrado / Multigrado

 cSt SAE 15W-40

Multigrado

Winter

SAE 40 SAE 30 SAE 20 SAE 15W

40

100

Monogrado

T (ºC)

Y S O L V E N T E S

La viscosidad de los fluidos tiene que ver con el espesor de película que forman los lubricantes cuando están tratando de separar las superficies en contacto.

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Aceites Lubricantes

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Menor Viscosidad

Y S O L V E N T E S

P

P e

e Mayor Viscosidad

El experimento desarrollado por Newton demuestra que dicha fuerza de rozamiento está ligada al tamaño de las superficies deslizantes (no a su naturaleza), al espesor de la película fluida y a la naturaleza del lubricante determinada por la denominada viscosidad.

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UNIDADES DE MEDIDA DE LA VISCOSIDAD La viscosidad de la mayoría de los aceites lubricantes, usualmente es inferior a 1 poise y es por ello que es usual expresarla en centipoise.

1 poise = 100 centipoise = 1 g/(cm·s) = 0,1 Pa·s 1 centipoise = 1 mPa·s Es evidente que a medida que aumenta la velocidad relativa entre las superficies deslizantes mayor es la fuerza de rozamiento lo cual está en contraposición con las leyes de Coulomb. Como la densidad de los aceites cambia con la temperatura es frecuente expresar la viscosidad del aceite como viscosidad cinemática vc.

vc 

v

 Aceite

Donde: v es la viscosidad absoluta, vc es la viscosidad cinemática y ρ densidad del aceite, si la densidad se expresa en gr/cm3, la unidad de vc es en stoke. 1 stoke = a 1 cm2 / s = 100 centistoke = 0,0001 m2 / s

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DISTINTOS GRADOS DE VISCOSIDAD

Debido a las dificultades experimentales y a la poca aceptación que fuera del campo técnico han tenido estas unidades, se usan en los lubricantes comerciales otras formas de medir la viscosidad. Así es usual encontrar aceites con su viscosidad expresada en: Grados Saybolt, Engler o Redwoos. Viscosidad en Grados Saybolt (SSU): Se define como el tiempo en segundos necesarios para que 60 cm3 de aceite pasen a través de un tubo de 1,76 mm de diámetro y 12,22 mm de longitud a una temperatura dada. La relación entre vc y SSU se obtiene mediante la formula empírica de Hagen – Poseuille:

vc (centistoke s)  0,22 * SSU 

180 SSU

Una vez obtenida la viscosidad cinemática es posible obtener la viscosidad absoluta o simplemente viscosidad, dividiendo su valor por la densidad del aceite expresada en g/cm3. La siguiente figura ofrece la viscosidad SSU de algunos aceites lubricantes en función de la temperatura:

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DISTINTOS GRADOS DE VISCOSIDAD Viscosidad en Grados Engler: Entre ciertos límites se puede calcular la viscosidad absoluta por la formula de Ubbelohde:

Siendo:

kg f s 6,4 4 v  7,6  E   10 E m2

v = viscosidad absoluta en (kgf *s) / m2 °E = viscosidad en grados Engler.  = peso específico del aceite en kgf / dm3 Se debe recordar que este concepto no debe confundirse con densidad, ya que la densidad es la masa dividido por volumen de un determinado fluido. Su expresión de cálculo es:

P mg    g V V

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DISTINTOS GRADOS DE VISCOSIDAD Hoy en día es frecuente para definir las características de un aceite, utilizar la nomenclatura SAE. La siguiente tabla presenta la clasificación de los aceites según la denominación SAE.

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Según dicha denominación, en ocasiones, es común denominar a los grupos que abarcan desde SAE 80 a SAE 120 como “Valvulinas”.

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ÍNDICE DE VISCOSIDAD

El índice de viscosidad se determina mediante la fórmula empírica: L y IV 

100% LH H  0,0408 x 2  12,568 x  475,4 L  0,2160 x 2  12,070 x  721,2

No todos los lubricantes disminuyen su viscosidad de igual forma. El Índice de Viscosidad es un número que mide la variación de la viscosidad con la temperatura:

“A Mayor Índice de Viscosidad, menor es la variación de la viscosidad con la temperatura”

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ÍNDICE DE VISCOSIDAD

 cSt

Mayor I.V.=150 (DTE 15M)

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Menor I.V.=95 (DTE 25) 8,2 6,5

Y S O L V E N T E S

40

100

Tº (ºC) 29

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3) Gravedad Específica: Es la relación del peso del lubricante v/s el peso del agua. En general son valores entre 0,85 y 0,93. Ej: Si un lubricante tiene una gravedad específica de 0,85 quiere decir que pesa un 85% de lo que pesa el agua, es decir, es más liviano que el agua.

Aceite Agua 30

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5) Punto mínimo de Escurrimiento Es la temperatura mínima a la cual el aceite deja de escurrir.

- 40 ºC : No escurre

- 35 ºC: Deja de escurrir

Luego, el punto mínimo de fluidez del aceite es -35 ºC 6) Número Total Base (TBN) o Punto de Neutralización: Es la carga alcalina de los básicos que sirve para contrarrestar el ácido que se forma en la combustión. Se mide en mg-KOH/g. Los valores normales de TBN para aceites de motor fluctúan entre 8,5 y 15,5 mg-KOH/g para combustibles Diesel y bencina normales. Para combustibles con mayor contenido de azufre como los IFO, se debe usar lubricantes con TBN mayores (20 a 70 mg-KOH/g). 31

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FUERZAS SOBRE LAS CAPAS DE ACEITE. Fricción Fluida

En la medida que exista una adecuada cantidad de aceite.

Elemento superior

Elemento inferior

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Cohesión. La teoría de la cohesión señala que las fuerzas cohesivas hacen que materiales similares se atraigan. COHESIVAS

Fricción fluida

Adhesión. La teoría de la adhesión indica que las fuerzas adhesivas hacen que materiales disímiles se atraigan (atracción polar). Adhesivas

Fricción fluida

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Oleosidad. Por la composición química, algunas moléculas son atraídas y se mantienen más firmemente al metal que otras. Se dice que los aceites ricos en estas moléculas tienen una alta oleosidad ó lubricidad.

Moléculas Oleosas

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TIPOS DE ADITIVOS  Aditivos: Compuesto químico que se agrega al aceite base para:

Mejorar alguna característica del aceite base Impartir alguna nueva característica al aceite base  Reducir la velocidad a la cual ocurren cambios no deseados en el aceite durante su operación

Tipos más comunes:          

Mejorador de Índice de Viscosidad Detergentes Dispersantes Antidesgaste Antioxidantes Inhibidores de herrumbre Antiespumantes Extrema Presión Demulsificadores Depresores del Punto de escurrimiento

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En resumen, los lubricantes son una mezcla de aceites base, a la que se le agrega necesariamente productos químicos llamados “Aditivos” para reforzar sus propiedades, estos aditivos, unidos a una base de buena calidad, son los que permiten obtener las aprobaciones de los aceites. El aceite base puede ser: Mineral (Obtenido por destilación del petróleo y refinado), Sintético (creado mediante reacción química de varias moléculas sencillas) y semi-sintético (obtenido mezclando un base mineral y uno sintético). Se debe elegir el aceite adecuado para respetar las exigencias de los fabricantes en términos de: Prestaciones de Servicio y Viscosidad.

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Esta clasificación permite establecer con claridad y sencillez la viscosidad de los aceite, representando cada número SAE un rango de viscosidad expresada en cSt (centistoke) y medida a 100 °C y también a bajas temperaturas (por debajo de los 0 °C) para grados W (winter).

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EJEMPLO DE COMPARACIÓN UNIGRADO Y MULTIGRADO

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La clasificación API también define de forma análoga los lubricantes para engranajes, utilizando en este caso la designación GL (Gear Lubricant) lubricantes para engranajes y la exigencia a través del orden numérico, comenzando por el menor solicitado, identificándolo con –1– y al mayor con el –6–.

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En resumen, la API clasifica a los aceites con 2 letras, la primera indica el tipo de motor (S = Nafteros o a Gasolinas y C = Diesel) y la segunda el año de fabricación del mismo o su evolución (en orden alfabético).

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S = Service, engloba estaciones de servicio, vendedores de vehículos nuevos, garajes, etc. C = Comercial, Flotas, contratistas, agricultores, etc.

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CLASIFICACIÓN ACEA

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AUTOMOVILES A GASOIL (Diesel Ligero)

VEHÍCULOS PESADOS

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OTRAS CLASIFICACIONES: GENERALIDADES

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