Grease lubrication mechanisms in rolling bearing systems

Mecanismos de la lubricación con grasa en sistemas de rodamientos

La lubricación con grasa ofrece claras ventajas con respecto a la lubricación con aceite: no tiene fugas con facilidad, tiene propiedades obturadoras y protege las superficies del rodamiento contra la corrosión. Sus desventajas son las limitaciones de su vida útil y su capacidad limitada de refrigeración. Además, en algunas aplicaciones existe el riesgo de escasez de grasa, que se traduce en una reducción de la película lubricante. Sin embargo, si se elige la grasa y el sistema de obturación y/o lubricación correctos, las ventajas son claras. Este artículo se basa en un nuevo libro escrito por ingenieros de SKF [12] en el que se resumen los mecanismos de la lubricación con grasa en los rodamientos.

Resumen

La lubricación con grasa ofrece muchas ventajas en comparación con la lubricación con aceite. Seleccionar el tipo de grasa correcto es complicado, pero la comprensión de los mecanismos de lubricación ayuda a hacerlo en la cantidad idónea para una aplicación específica, a fin de cumplir con la esperanza de vida útil del rodamiento. Para facilitar todo este proceso, la editorial John Wiley & Sons Ltd. [12] publicó, en enero de 2013, un libro redactado por ingenieros de SKF que contiene los conocimientos y la información más avanzados acerca de la lubricación con grasa.

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Grease Lubrication in Rolling Bearings

Fases de la lubricación con grasa
La lubricación con grasa es un proceso dinámico que, a grandes rasgos, puede dividirse en tres fases, tal como se muestra en la fig. 1.

Después del llenado inicial o durante la relubricación, la grasa queda depositada entre los elementos rodantes, conduciendo a grandes pérdidas por agitación durante el arranque o el rodaje. Durante esta fase, también denominada de agitación, la grasa será empujada hacia el volumen sin bañar del rodamiento (a las obturaciones o al resalte de los aros del rodamiento) o terminará adherida a la jaula. Desde esos lugares, irá abasteciendo lentamente con lubricante a los caminos de rodadura mediante separación de aceite o cizallamiento. En la fase de separación, la película lubricante estará dominada por un mecanismo de alimentación y pérdida [20], en el que los caminos de rodadura serán abastecidos por los depósitos de grasa, pero que también perderán lubricante debido al flujo lateral y a la oxidación. Esto puede conducir a una escasez de grasa, especialmente en los rodamientos obturados, en los que los depósitos de grasa son más pequeños. Otro mecanismo de alimentación es el reaprovisionamiento ocasional causado por el aumento de fluidez de la grasa situada cerca de las zonas de contacto debido al desarrollo de calor local [14], que una vez más es causado por la rotura ocasional de la película de lubricante.

Al llegar a un cierto punto, los depósitos pueden agotarse o deteriorarse de tal manera que ya no sea posible el reaprovisionamiento. Si no se ha llevado a cabo una relubricación, el resultado puede ser una grave rotura de la película, que pone fin a la vida útil de la grasa, conduciendo a ulteriores daños en el rodamiento y a averías.

Formación de depósitos de grasa
La velocidad a la que se produce la formación de depósitos depende de las propiedades de flujo de la grasa, también denominadas propiedades reológicas. Esto también determinará la degradación física de la grasa.

La grasa lubricante muestra un comportamiento viscoelástico, lo cual significa que su viscosidad depende tanto del cizallamiento como de la velocidad de cizallamiento. La fig. 2 muestra la viscosidad en función de la velocidad de cizallamiento en lo que respecta a los diversos modelos que suelen usarse. Muestra que la viscosidad es muy elevada a velocidades de cizallamiento bajas. Esto significa que la resistencia al flujo será muy alta si la grasa no se toca; es decir, cuando se halla en un volumen inmóvil. Esta propiedad también se denomina consistencia. Durante la fase de agitación, la grasa puede perder parte de su consistencia. Esta propiedad se denomina estabilidad mecánica.

La viscosidad de la grasa lubricante es tan elevada a velocidades de cizallamiento muy bajas que sólo se producirá un flujo de arrastre, y aparentemente el comportamiento de la grasa será como el de un sólido. Tal como se muestra en la fig. 2, la grasa muestra plasticidad, que es cuando su viscosidad disminuye sustancialmente al aumentar el cizallamiento.

A velocidades de cizallamiento muy elevadas, la viscosidad de la grasa puede aproximarse a la del aceite base. Esas velocidades de cizallamiento elevadas se presentan en las películas lubricantes situadas entre los elementos rodantes y los caminos de rodadura. Junto con la separación de aceite, esta es la razón por la cual el espesor de película en los rodamientos lubricados con grasa normalmente se calcula utilizando la viscosidad del aceite base, ηoil.
La reología de la grasa puede describirse usando varios modelos, descritos en la fig. 2.

Espesor de película lubricante
Se sabe que el aceite base y el espesante penetran en el rodamiento [2]. El espesor de la película en los rodamientos lubricados con grasa lo determinan las capas límite formadas por material espesante hR y por la acción hidrodinámica del aceite base hEHL (lubricación elastohidrodinámica, EHL) [4]). En este último caso, el aceite base también puede tenerse en consideración por los motivos antes citados. Por tanto el espesor de película, hT, es:

hT = hR + hEHL (1)

Los rodamientos lubricados con grasa frecuentemente funcionan bajo condiciones de escasez de lubricación, en las cuales sólo se dispone de capas de aceite muy delgadas y en las que el espesor de película depende principalmente del espesor de dichas capas (fig. 3). El cambio en el espesor de estas capas viene dado por la diferencia entre los caudales de alimentación (separación [3, 21]) y de pérdida de lubricante que entra o sale de los caminos de rodadura [20]. El aceite en el camino de rodadura se pierde debido al flujo transversal causado por la alta presión dentro de los puntos de contacto entre los elementos rodantes y el camino de rodadura. Puede producirse un cierto reaprovisionamiento [6]. Sin embargo, a excepción de cuando la velocidad es muy baja, y con aceites base de poca viscosidad, este es un proceso muy lento. Probablemente, el cizallamiento y arrastre debidos a la rotación de las bolas tengan un efecto mayor [5]. La rotación de las bolas y las superficies de contacto más estrechas de los rodamientos de bolas facilitan su reaprovisionamiento en comparación con los rodamientos de rodillos. Este es uno de los motivos por los que los rodamientos de rodillos precisan grasas con mayor factor de separación de aceite que los de bolas [11]. A temperaturas más elevadas, la oxidación y evaporación incidirán en el espesor de película. La oxidación y evaporación también harán que se pierda material [19, 15]. No obstante, esto también cambiará la viscosidad y la lubricidad.

Comportamiento dinámico
Una escasez de lubricación ocasionará un descenso en el espesor de película que proseguirá hasta que el rodamiento ya no esté bien lubricado. El contacto del metal con el metal causará daños en el rodamiento o desarrollará calor suficiente como para reducir la viscosidad del lubricante cercano al punto de contacto para reaprovisionamiento, desembocando en una nueva situación. En este último caso, el espesor de la película volverá a aumentar, conduciendo a una lubricación suficiente hasta que se produzca la próxima situación. Esto puede suceder varias veces, dependiendo de la capacidad “curativa” de la grasa, que depende de su facultad para mantener la fluidez. La fig. 4 muestra un ejemplo del perfil de temperaturas de un rodamiento de rodillos cilíndricos funcionando bajo una temperatura autoinducida [14].

Vida de la grasa y relubricación
La vida útil de la grasa viene definida por el momento en el que ésta ya no puede lubricar el rodamiento. Este momento puede ser un periodo de tiempo muy prolongado y, por tanto, es difícil de medir en un banco de pruebas de rodamientos. Para acelerar dichos ensayos, se calienta el aro exterior del rodamiento sometido a prueba, lo cual acelera el proceso de envejecimiento y reduce la viscosidad de la grasa. Un ejemplo de este banco de pruebas es la máquina de ensayos R0F+ para evaluar la vida útil de las grasas [13].

Funcionamiento seguro
Las grasas lubricantes se desarrollan para funcionar en un margen de temperaturas limitado. La temperatura máxima, denominada límite de temperatura alta (HTL), viene determinada por el punto de goteo cuando la grasa pierde irreversiblemente su estructura. Esta temperatura no deberá excederse nunca. La temperatura máxima segura es inferior, y se denomina límite de rendimiento de temperatura alta (HTPL).

El límite de temperatura baja (LTL) viene determinado por la temperatura en la cual la grasa permite al rodamiento empezar a rodar sin dificultad. Normalmente se mide mediante un ensayo de par de arranque. Por tanto, la temperatura mínima segura, denominada límite de rendimiento a temperatura baja (LTPL), es más elevada. En la zona entre estas temperaturas seguras, la vida de la grasa depende de la temperatura, en donde, como norma general, la vida útil de la grasa se reduce a la mitad por cada 15 °C de incremento de temperatura.

Modelos de vida útil de la grasa
Existen varios modelos que pueden utilizarse para pronosticar la vida útil de la grasa (o intervalos de relubricación). Todos los modelos son empíricos, basados en ensayos de la vida útil de la grasa. Ésta se define como vida L10: el periodo de tiempo en el que el 10% de un gran número de rodamientos se han averiado. La relubricación debería realizarse antes de finalizar la vida útil de la grasa, de modo que el rodamiento no haya sufrido daños. El modelo de relubricación de SKF se basa en L01, suponiendo que L10 = 2,7 L01, que es el periodo de tiempo en el que sólo se produciría un 1% de averías. La relubricación no es algo banal. Demasiada grasa mantendrá el rodamiento en la fase de agitación, con grandes pérdidas por fricción y temperaturas elevadas. La fig. 5 muestra la vida de la grasa en rodamientos rígidos de bolas cerrados, sometidos a una carga ligera, en función de la velocidad rotativa, del diámetro medio de rodamiento, de la temperatura operativa y del tipo de grasa (factor de rendimiento). Pueden aplicarse factores de corrección para el impacto de la carga. Los modelos de otros tipos de rodamiento se basan en este modelo, en donde se aplican otros factores de corrección. Estos pueden encontrarse en el catálogo de rodamientos de SKF [1].

Envejecimiento
Las propiedades mecánicas y químicas de la grasa cambian mientras está expuesta al efecto de molido y a la oxidación del rodamiento. El tipo de oxidación depende de las condiciones operativas: el envejecimiento físico domina a temperaturas bajas y velocidades altas; a altas temperaturas domina el envejecimiento químico [9]. El envejecimiento físico comporta un cambio de las propiedades reológicas de la grasa, que conduce a fugas, a menores propiedades de separación y a una reducción en su capacidad de reaprovisionar los puntos de contacto. El envejecimiento químico lo causa principalmente la oxidación. Los antioxidantes retardan este proceso, pero cuando se han consumido, la oxidación conduce a una pérdida de lubricante causada por una reacción en productos volátiles y a la formación de laca, que ya no lubrica al rodamiento [9].

Mecanismos de lubricación de la grasa en obturaciones
Las principales diferencias entre la grasa y el aceite en la lubricación de obturaciones tienen que ver con la escasez (reaprovisionamiento del labio de la obturación) y la formación de película límite por el material espesante. El relleno de los puntos de contacto lo causa el cizallamiento y la separación de aceite de la grasa. La acción obturadora de la grasa se atribuye a su rigidez, que significa que no se aparta con facilidad del punto de contacto de la obturación. Además, la grasa forma bolsas en las obturaciones de labios múltiples, donde el flujo de partículas contaminantes es muy lento. En el caso de diferencias de presión a lo largo de la obturación, sólo será una fracción de la grasa que fluirá y causará la migración de partículas contaminantes.

Sistemas de lubricación
En situaciones en las que la grasa no pueda proporcionar al rodamiento una vida útil suficiente, o en caso de contaminación por partículas o agua, la relubricación puede aplicarse mediante sistemas de lubricación. Estos sistemas constan de bombas, tubos, válvulas, distribuidores y controladores. Es frecuente que haya propiedades conflictivas de la grasa en relación con lo que es bueno para el bombeo de un sistema de lubricación y lo que es bueno para el rodamiento. El sistema de lubricación debería diseñarse para alimentar la grasa más apropiada para el rodamiento.

El diseño depende de las propiedades de flujo de la grasa, también denominada capacidad de bombeo. SKF ha desarrollado un programa de ensayo de capacidad de bombeo, el SKF Grease Pumpability Test, que aborda los aspectos abajo relacionados, indicándose el método de ensayo de SKF entre paréntesis:

1. Impulsión
(a) Resistencia al flujo (FTG5 y viscosímetro Lincoln Ventmeter)
(b) Compresibilidad (FTG1)
(c) Descarga de presión (FTG3 y viscosímetro Lincoln Ventmeter)

2. Fluidez
(a) Presión de flujo
(b) Penetración no trabajada
(c) Índice de entrega de la unidad de bomba (FTG4)
(d) Funcionamiento de la unidad de bomba

3. Separación de aceite (y endurecimiento):
Endurecimiento de la grasa bajo presión (FTG2)

Monitorización de estado
Para medir en línea el estado (lubricación) del rodamiento, normalmente se miden los niveles de vibración. No obstante, cada vez es más común el uso de técnicas de emisión acústica [16]. Las técnicas “off-line” para medir el estado de la grasa son la separación de aceite, el contenido de aceite, la consistencia, la contaminación de partículas y la oxidación (espectroscopia de FTIR). Hay métodos para determinar la vida útil de la grasa restante con los resultados de estos métodos [10].

Conclusiones
Durante las últimas décadas, SKF ha aumentado sustancialmente sus conocimientos sobre grasa. Hoy en día es posible pronosticar en gran parte la vida útil de la grasa como lubricante y monitorizar su vida útil restante. Las obturaciones prolongan la vida útil del rodamiento en entornos contaminados, en los cuales la grasa proporciona un efecto de obturación adicional. Pueden usarse sistemas de lubricación para abastecer ocasionalmente al rodamiento con grasa fresca.

Referencias

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