Lubricación
El propósito de la lubricación es la separación de dos
superficies con deslizamiento relativo
entre sí de tal manera que no se produzca daño en ellas: se
intenta con ello que el proceso de
deslizamiento sea con el rozamiento más pequeño posible.
Para conseguir esto se intenta,
siempre que sea posible, que haya una película de lubricante
(gaseoso, líquido o sólido) de
espesor suficiente entre las dos superficies en contacto
para evitar el desgaste.
El lubricante en la mayoría de los casos es aceite mineral.
En algunos casos se utiliza agua,
aire o lubricantes sintéticos cuando hay condiciones especiales
de temperatura, velocidad, etc.
Objetivos y campos de aplicación
El objetivo de la lubricación es reducir el rozamiento, el
desgaste y el calentamiento de las
superficies en contacto de piezas con movimiento relativo.
La aplicación típica en ingeniería mecánica es el cojinete,
constituido por muñón o eje,
manguito o cojinete.
Campos de aplicación:
• cojinetes del cigüeñal y bielas de un motor (vida de miles
de Km.).
• cojinetes de turbinas de centrales (fiabilidad del 100%).
Los factores para considerar en diseño son técnicos y económicos:
• cargas aplicadas y condiciones de servicio.
• condiciones de instalación y posibilidad de mantenimiento.
• tolerancias de fabricación y funcionamiento; vida exigida
y vida útil.
• costos de instalación y mantenimiento.
La lubricación por película fluida ocurre cuando dos
superficies opuestas se separan
completamente por una película lubricante y ninguna aspereza
está en contacto. La presión
generada dentro el fluido soporta la carga aplicada, y la
resistencia por fricción al movimiento
se origina completamente del cortante del fluido viscoso.
El espesor de la película lubricante depende en gran parte
de la viscosidad del lubricante tanto
en el extremo alto como bajo de la temperatura.
Superficies Concordantes
Las superficies concordantes se ajustan bastante bien una
con otra con un alto grado de
conformidad geométrica, de manera que la carga se transfiere
a un área relativamente grande.
Por ejemplo, el área de lubricación para una chumacera será
de 2π por el radio por la longitud.
El área de la superficie que soporta una carga permanente
generalmente constante mientras la
carga se incrementa.
Chumacera y manguito
La chumacera con lubricación de película fluida representada
en la figura 1 y los cojinetes
deslizantes tienen superficies concordantes. En las
chumaceras la holgura radial entre el
cojinete y el manguito es por lo general la milésima parte
del diámetro del cojinete; en los
cojinetes deslizantes la inclinación de la superficie de
estos respecto al rodillo de rodadura
suele ser muy rara. Un ejemplo de superficie concordante es
la junta de la cadera del ser
humano.
Superficies no Concordantes
Muchos elementos de máquinas lubricados por una película
fluida tienen superficies que no
concuerdan entre sí. Entonces un área pequeña de lubricación
debe soportar todo el peso de la
carga.
Por lo general el área de lubricación de una conjunción no
concordante es 3 veces menor que
la magnitud que la de una superficie concordante.
El área de lubricación entre superficies no concordantes se
agranda bastante con el incremento
de carga; pero aun así es más pequeña que el área de la
lubricación entre las superficies
concordantes.
Ejemplos de superficies no concordantes son el acoplamiento
de los dientes de un engranaje,
el contacto entre levas y seguidores, y también los cojinetes de elementos rodantes.
Tipos de lubricación, Lubricación Hidrodinámica
Tenemos cuatro tipos básicos de lubricación y estos se
desarrollan a continuación. La
lubricación hidrodinámica se caracteriza en superficies
concordantes con una lubricación por
película fluida. En este tipo de lubricación las películas
son gruesas de manera que se previene
que las superficies sólidas opuestas entren en contacto. Con
frecuencia se la llama la forma
ideal de lubricación, porque proporciona baja fricción y
alta resistencia al desgaste.
La lubricación de las superficies sólidas se rige por las
propiedades físicas del volumen del
lubricante, especialmente de la viscosidad; por otra parte,
las características de fricción se
originan puramente del cortante del lubricante viscoso.
Una presión positiva se desarrolla en una chumacera o en un
cojinete de empuje lubricados
ambos hidrodinámicamente, porque las superficies del
cojinete convergen, y su movimiento
relativo y la viscosidad del fluido separan las superficies.
La existencia de una presión positiva
implica que se soporta la aplicación de una carga normal.
Generalmente la magnitud de la presión que se desarrolla es
menor que 5 Mpa y no es lo
suficientemente grande para causar una deformación elástica
significativa en las superficies.
En un cojinete lubricado hidrodinámicamente el espesor
mínimo de la película es función de la
carga normal que se aplica W, de la velocidad ub, de la
viscosidad absoluta del lubricante η0 y
de la geometría (Rx y Ry). se representa
características de la lubricación
hidrodinámica. El espesor mínimo de película hmin como una
función ub y W para el
movimiento deslizante se obtiene mediante la ecuación 1:
Donde el espesor mínimo de la película normalmente excede 1
µm.
Tipos de lubricación, Lubricación Hidrodinámica
Tenemos cuatro tipos básicos de lubricación y estos se
desarrollan a continuación. La
lubricación hidrodinámica se caracteriza en superficies
concordantes con una lubricación por
película fluida. En este tipo de lubricación las películas
son gruesas de manera que se previene
que las superficies sólidas opuestas entren en contacto. Con
frecuencia se la llama la forma
ideal de lubricación, porque proporciona baja fricción y
alta resistencia al desgaste.
La lubricación de las superficies sólidas se rige por las
propiedades físicas del volumen del
lubricante, especialmente de la viscosidad; por otra parte,
las características de fricción se
originan puramente del cortante del lubricante viscoso.
Una presión positiva se desarrolla en una chumacera o en un
cojinete de empuje lubricados
ambos hidrodinámicamente, porque las superficies del
cojinete convergen, y su movimiento
relativo y la viscosidad del fluido separan las superficies.
La existencia de una presión positiva
implica que se soporta la aplicación de una carga normal.
Generalmente la magnitud de la presión que se desarrolla es
menor que 5 Mpa y no es lo
suficientemente grande para causar una deformación elástica
significativa en las superficies.
En un cojinete lubricado hidrodinámicamente el espesor
mínimo de la película es función de la
carga normal que se aplica W, de la velocidad ub, de la
viscosidad absoluta del lubricante η0 y
de la geometría (Rx y Ry). se representa
características de la lubricación
hidrodinámica. El espesor mínimo de película hmin como una
función ub y W para el
movimiento deslizante se obtiene mediante la ecuación 1:
Donde el espesor mínimo de la película normalmente excede 1 µm.
Lubricación Elastohidrodinámica (EHL)
Este es un tipo de lubricación que desde su descubrimiento
por los profesores británicos
La lubricación EHL se presenta en
mecanismos en los cuales las rugosidades de las superficies de fricción
trabajan siempre entrelazadas y nunca llegan a separarse. En la lubricación EHL
la lubricación límite es permanente, o sea que no hay mucha diferencia entre
las condiciones de lubricación en el momento de la puesta en marcha del
mecanismo y una vez que este alcanza la velocidad nominal de operación.
Lubricación Marginal
En la lubricación marginal los
sólidos no están separados por el lubricante, los efectos de la película fluida
son insignificantes y existe un contacto de las asperezas importante. El
mecanismo de lubricación por contacto se rige por las propiedades físicas y
químicas de las películas delgadas de superficie de proporciones moleculares.
Ilustra las condiciones de película fluida en la lubricación marginal. 5 se
muestra el comportamiento del coeficiente de fricción en los diferentes
regímenes de lubricación.
El coeficiente de fricción medio se incrementa hasta un
total de tres veces más al pasar del régimen hidrodinámico, al
elastohidrodinámico, al marginal y al sin lubricación.
Condiciones de película que se requieren para la lubricación
a) lubricación por película fluida: superficies separadas
por la masa principal de la película lubricante;
b) lubricación mixta; tanto la masa principal del lubricante
como la película marginal tienen una función;
c) lubricación marginal: el desempeño depende esencialmente
de la película marginal.
Diagrama de barras que muestra los coeficientes de fricción
para varias condiciones de lubricación
muestra la tasa de desgaste en los varios regímenes de
lubricación determinada por
la carga de operación. En los regímenes hidrodinámicos y
elastohidrodinámicos existe poco
o ningún desgaste pues no hay contacto de asperezas. En el
régimen de lubricación
marginal, el grado de interacción de asperezas y la tasa de
desgaste se incrementan a medida
que la carga aumenta. La transición de lubricación marginal
a una condición no lubricada
se distingue por un cambio drástico en la tasa de desgaste.
A medida que se incrementa la carga relativa en el régimen
no lubricado la tasa de desgaste
se incrementa hasta que se presentan estrías o cuando ocurre
el agarrotamiento y el
elemento de maquina ya no opera adecuadamente. La mayoría de
las maquinas no operan
por mucho tiempo sin alguna lubricación con la consecuencia
inmediata de una falla de los
elementos involucrados.
La lubricación marginal se utiliza en los elementos de máquinas
con cargas pesadas y bajas
velocidades de operación, donde es difícil obtener una
lubricación por película fluida.
Como ejemplo clásico tenemos el funcionamiento de las
bisagras de las puertas que utilizan
esta lubricación.
Lubricación Mixta
En lubricación mixta el desgaste y
el consumo de energía dependen tanto de las características de la película
límite como de la resistencia a la cizalladura de la película fluida y de su estabilidad.
La interacción parcial ocurre entre una o más capas moleculares de películas de
lubricación marginal. La acción parcial de la lubricación de película fluida se
desarrolla en el volumen del espacio entre los sólidos.
REFERENCIAS
Linares,
O. (2010). Generalidades de la Tribología Fundamentos de la Lubricación,
Fricción y el Desgaste. Reporte técnico.
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