Lubricación
Figura 1
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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 TeoríaEn 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:
- Existe la capa fluida, no hay contacto, la
lubricación es perfecta.
- La capa no existe, hay contacto, no hay lubricación.
En la práctica estas consideraciones no son reales y el problema
es mas complejo veamos:
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Figura 2
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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:
- 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.
- 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.
- La viscosidad de los fluidos no es constante y
depende en gran medida de la temperatura.
- La tendencia a la expulsión del fluido de la
unión no depende solo de la viscosidad, aquí interviene
también la naturaleza del fluido.
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Figura 3
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Estos elementos adicionales agregados al proceso real del movimiento
producen estados intermedios de la lubricación, que
comúnmente
se generalizan de la forma siguiente:
- 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.
- 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.
- 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
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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:
- Velocidad de rotación.
- Dimensiones del cojinete.
- 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
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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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