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Lubricación

Contenido del artículo
La teoría
Estado estático
Estado dinámico
La práctica
El cojinete
La lubricación hodrostática


esquema
 Figura 1

El término lubricación se refiere al proceso en el que un fluido se introduce entre las superficies en contacto de dos cuerpos con movimiento relativo que rozan unidos por una carga , y este fluido forma una película de separación física entre las superficies de los cuerpos, que reduce la fuerza de deslizamiento y con ello el desgaste mutuo.

En el proceso de  lubricación intervienen muchos factores diferentes que hacen de él un tema complejo cuyo alcance no se pretende cubrir en esta página, no obstante, trataremos las cuestiones principales que permitan comprender su naturaleza.

La Teoría

En las figuras 1 y 2 se muestran esquemas elementales, algo exagerados para facilitar la comprensión, de dos superficies cargadas, separadas por un fluido, en la figura 1 de manera estática, no hay movimiento relativo, y luego en la figura 2  de manera dinámica con movimiento relativo.

Estado estático

Es evidente que en este estado donde no hay movimiento relativo, el concepto de lubricación pierde el sentido, no obstante, sirve como punto de partida para facilitar la explicación del proceso dinámico.

Observe en la figura 1 que la película de fluido se ha representado en láminas. Estas láminas representan las capas elementales de las que está constituido.

La película tiene un espesor h que corresponde a la distancia a la que están separados los cuerpos A y B.
De esta forma, hemos supuesto que la carga P no es suficiente para retirar todo el fluido de entre las superficies de contacto, y este es capaz de mantener cierta distancia entre ellas.

En realidad este estado representado es solo temporal, con el paso del tiempo el fluido irá siendo expulsado de la unión por la fuerza P hasta que el contacto superficial se establezca. La distancia h y su tiempo de duración dependerán principalmente de la viscosidad del fluido, así por ejemplo, nunca consideramos temor especial al caminar en el aire, debido a que su muy baja viscosidad, lo retira casi instantáneamente de entre las suelas de los zapatos y el piso, garantizando rápidamente una buena adherencia.

Sin embargo, si se derrama aceite en el piso, que es muy viscoso, tendremos que caminar muy lentamente para no resbalar y caer, dando tiempo a que la capa de fluido debajo de las suelas, se reduzca lo suficiente como para poder caminar con cierta seguridad. De lo contrario estamos tratando de caminar sobre aceite y no sobre el piso. Utilicemos estos elementos descritos para el caso dinámico.

Estado dinámico.

Veamos porqué la capa de fluido hace el contacto "resbaloso".

En la figura 2 puede verse como se comportan las capas elementales del fluido al moverse uno de los cuerpos a la velocidad V.

Se ha supuesto que las capas adyacentes a cada cuerpo están adheridas a ellos, y por tanto, se mueven a sus mismas velocidades.

La naturaleza "fluida" de la película, donde no existe rigidez total de la masa que la constituye, hace que con muy poca resistencia, unas capas elementales puedan deslizarse sobre las otras, trayendo como resultado una elevada facilidad de movimiento; el cuerpo A virtualmente "flota" en el fluido sin contacto con el cuerpo B.

Ahora; teniendo en cuenta lo tratado en el estado estático con respecto al tiempo de permanencia del fluido en la unión, si no se suministra de manera constante, nuevo fluido, la capa terminará muy fina o desaparecida y el contacto sólido-sólido tarde o temprano se produce, con el consecuente aumento de la resistencia al movimiento, y con ello, el desgaste de las superficies.

Para el análisis de la lubricación hecho hasta aquí hemos considerado que:
  • Las superficies de contacto son perfectamente planas.
  • La carga P es constante.
  • La viscosidad del fluido es constante.
  • La velocidad V es constante.
  • La expulsión del fluido de la unión solo depende de la viscosidad.
Estas consideraciones hacen que la lubricación pueda tener solo dos estados:
  1. Existe la capa fluida, no hay contacto, la lubricación es perfecta.
  2. La capa no existe, hay contacto, no hay lubricación.
En la práctica estas consideraciones no son reales y el problema es mas complejo veamos:
esquema
Figura 2



La Práctica

Empecemos por decir que en las condiciones reales los factores involucrados en el proceso de lubricación se apartan del tratamiento teórico hecho, veamos:

  1. Aun con mecanizado muy fino, las superficies de los cuerpos presentan irregularidades, es decir, puntos mas salientes y mas bajos del plano promedio de la superficie (figura 3) dejados por las herramientas de mecanizado.
  2. En la mayoría de los casos la carga P (figura1) no es constante, por lo que la tendencia a expulsar el fluido de la unión, con la consecuente disminución del espesor de la capa de fluido, pueda ser mayor o menor en diferentes instantes de tiempo.
  3. La viscosidad de los fluidos no es constante y depende en gran medida de la temperatura.
  4. La tendencia a la expulsión del fluido de la unión no depende solo de la viscosidad, aquí interviene también la naturaleza del fluido.
Estos elementos adicionales agregados al proceso real del movimiento producen estados intermedios de la lubricación, que comúnmente se generalizan de la forma siguiente:
esquema

Figura 3

  1. Lubricación perfecta: En este caso la capa de fluido siempre es de mas espesor que la altura de las irregularidades de las superficies, nunca hay contacto, toda la carga es soportada por el fluido.
  2. Lubricación parcial o imperfecta: La capa de fluido es ocasionalmente de menor espesor que la altura de las irregularidades, hay contacto ocasional, el fluido soporta una parte importante de la carga.
  3. Lubricación límite: La capa de fluido siempre se mantiene de menor espesor que la altura de las irregularidades, el contacto de ellas es constante, la mayor parte de la carga es soportada por las irregularidades.
En las máquinas es donde la lubricación adecuada adquiere carácter relevante en cuanto a eficiencia y durabilidad. Es estas, la mayor parte de las uniones por rozamiento son del tipo de cojinete y árbol rotatorio y es por tal motivo que centraremos la atención en ellos.

El cojinete

Con el surgimiento y desarrollo de la Revolución Industrial en el siglo IXX, las máquinas pasaron de la pequeña potencia animal a la elevada del vapor, se construyeron máquinas cada vez mas potentes y rápidas. Este cambio trascendental en la historia, hizo crecer la velocidad y las cargas en los árboles de trasmisión, para los cuales no se podía utilizar los métodos de lubricación límite (con el uso de grasas) utilizados hasta ese momento, en los lentos árboles de las máquinas y carretas del tiro animal.

Por aquella época, Tower hizo una observación muy importante mientras estudiaba el rozamiento, y buscaba métodos mejores para la lubricación de los cojinetes de los ejes del ferrocarril.

Para sus experimentos, Tower utilizaba cojinetes como el mostrado en la figura 4; un eje rotatorio embebido parcialmente en aceite soportaba  un apoyo con la carga. Las dimensiones y ángulo de contacto del apoyo se modificaban para encontrar aquellas que presentaban los menores valores de rozamiento de acuerdo a sus propósitos.
En uno de los ensayos había logrado un cojinete con valores muy bajos del coeficiente de fricción y se le ocurrió practicar un agujero (como se muestra) para agregar el lubricante.

El resultado fue, que por el agujero comenzó a brotar este de manera continua, en ese momento, y para evitar las pérdidas, colocó un tapón apretado al agujero, este tapón, al igual que otros mas apretados aun que se introdujeron al agujero después, siempre terminaban expulsados por la presión de aceite del interior del cojinete.

Este hecho motivó a Tower a hacer un estudio detallado de la distribución de la presión del aceite dentro del cojinete, este estudio arrojó resultados que explicaban el porqué del bajo coeficiente de fricción obtenido:

 !El propio movimiento del árbol generaba tales presiones de aceite dentro de él, que levantaban el apoyo y sostenían completamente la carga en una capa fluida!

Se había descubierto que la lubricación perfecta podía ser generada por el propio movimiento del árbol sin  la introducción de lubricante a presión.
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Figura 4

Como esta lubricación perfecta era producto del movimiento se le denominó lubricación hidrodinámica.

Después de los experimentos de Tower,  científicos como Stribeck, Reynolds, Petroff y otros se dieron a la tarea de investigar a profundidad el tema. De estas investigaciones se llegó a la conclusión que la lubricación hidrodinámica se conseguía como resultado de un equilibrio de tres factores básicos:
  1. Velocidad de rotación.
  2. Dimensiones del cojinete.
  3. Viscosidad del fluido lubricante.
De modo que para ciertas combinaciones de los valores de estos tres factores podía obtenerse una lubricación perfecta, pero que si alguno de ellos cambiaba, por ejemplo: disminución de la velocidad, el equilibrio podía cambiar a lubricación parcial e incluso límite.

Como en las máquinas los valores de carga y velocidad de rotación están definidos por el uso de la propia máquina, y en muchos casos son muy variables (como en el automóvil) no siempre puede obtenerse la lubricación perfecta para todo el espectro de trabajo en sus piezas en movimiento, pero en otros casos de tipo industrial, con cargas y velocidades casi constantes, este estado de lubricación puede obtenerse y mantenerse permanentemente, dando una enorme vida útil a los cojinetes.

De todas formas, el factor mas manejable, y donde se ha puesto mucho énfasis a partir de estos descubrimientos, ha sido en el de la naturaleza y la viscosidad del lubricante, lo que ha dado lugar a una enorme variedad de tipos para diferentes aplicaciones, siempre tratando de estar lo mas cerca posible a las condiciones de lubricación hidrodinámica en un amplio espectro del uso de la máquina.

Hay que observar aquí, que aunque cierto cojinete trabaje de manera constante y segura durante el uso de la máquina, con lubricación hidrodinámica, siempre durante el arranque y la toma de impulso del árbol, se transitará desde la lubricación límite, pasando por la parcial, hasta lograr el equilibrio final.

Todos los diseñadores de máquinas siempre tienen en cuenta esta particularidad del uso, para evitar que el cojinete se arruine en el arranque.
En la figura 5 se muestra esquemáticamente el arranque de un cojinete al que se ha exagerado la holgura para facilitar la compresión.

En el primer estado el árbol está detenido, hay contacto metálico entre árbol y cojinete.

Luego en el segundo, comienza el giro, el árbol tiende a trepar por el cojinete debido al rozamiento existente, en ese momento y debido a la adherencia, el giro del árbol comienza a arrastrar el aceite (señalado con la flecha roja).

Con el subsiguiente aumento de la velocidad, es cada vez mas fuerte la tendencia al arrastre de aceite y se forma una cuña de aceite a presión generada por el giro, esta cuña tendrá la capacidad de levantar el árbol de su contacto cuando se alcance la velocidad necesaria, entonces se logra el equilibrio adecuado y la lubricación se hace hidrodinámica.

Está claro, que si se produce una disminución de la velocidad o un cambio en la viscosidad del aceite debido al calentamiento, o al uso de un aceite adecuado, el equilibrio se pierde y no se logra la lubricación hidrodinamica teniendo como consecuencia la reducción de la vida del cojinete.
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Figura 5

Lubricación hidroestática

En algunos ocasiones, y especialmente para árboles muy cargados y que giran a bajas velocidades, nunca puede alcanzarse el equilibrio necesario para la obtención de la lubricación hidrodinámica, en estos casos, se acude a la inyección del lubricante a elevada presión al cojinete para lograr la capa adecuada de este que impida el contacto, este método de lubricación perfecta se conoce como hidroestática.

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