Un conocimiento en profundidad sobre la lubricación con grasas es vital para una empresa de rodamientos. SKF utiliza su saber en esta área para crear nuevos productos y servicios que contribuyen a la sostenibilidad, a la eficiencia energética y a una duración de los rodamientos más prolongada.

Debido a que la mayoría de las averías de los rodamientos se deben a una lubricación inadecuada, la labor de I+D de SKF está enfocada a respaldar el desarrollo de rodamientos y obturaciones de rodamientos y obturaciones teniendo en cuenta que los conocimientos sobre la lubricación con grasa tienen una importancia crucial.

SKF posee el conocimiento interno preciso para analizar lubricantes y su incidencia en el rendimiento de los rodamientos gracias a una amplia gama de sofisticados equipos de análisis químicos, mediciones y ensayos.

El lubricante y el sistema de lubricación suelen estar integrados en el sistema de rodamiento, para el que se eligen grasas específicas concebidas para la aplicación. SKF no fabrica grasas; sin embargo, mediante acuerdos de colaboración con proveedores seleccionados, ha desarrollado una línea de lubricantes, tanto para la lubricación inicial como para el mercado de postventa.

Nuestro conocimiento sobre lubricación también abarca los sistemas de lubricación automática, lubricadores mono y multipunto, sistemas de lubricación centralizada, de pérdida total y circulante.

Asimismo, SKF imparte formación sobre la selección de lubricantes, su manipulación, inspección, disposición y fiabilidad del mantenimiento . Una unidad de negocio independiente dentro de SKF, los servicios de consultoría e ingeniería, contribuye al desarrollo de productos relacionados con ejes rotativos o aplicaciones de rodamientos. Obviamente, en este caso, la lubricación (en especial la realizada con grasa) es muy importante. La ingeniería de aplicaciones, los servicios de consultoría, la formación, la gestión de la lubricación, la monitorización de estado, la fiabilidad del mantenimiento, el soporte técnico, las herramientas y los productos y sistemas, forman conjuntamente la solución de lubricación de SKF.

LUBRICACIÓN CON GRASA PARA APLICACIONES DE RODAMIENTOS
El rodamiento perfecto prescindiría de lubricación. Sin embargo, es necesario que haya lubricación entre los elementos rodantes y los caminos de rodadura a fin de impedir daños por (micro)deslizamiento. El medio de separación ideal es líquido, ya que puede albergar deslizamiento con pocas pérdidas por fricción y puede rellenar las superficies del rodamiento (efecto autoreparador).

La grasa lubricante se usa ampliamente debido a su consistencia, que facilita su utilización; no fuga fácilmente y proporciona un cierto efecto de obturación. La grasa lubricante protege contra la corrosión y reduce la fricción en comparación con la lubricación con aceite, siempre que se utilice grasa de buena calidad y un volumen de llenado correcto.

Una grasa lubricante tiene una vida limitada [2, 3] generalmente más corta que la duración del rodamiento [1]. Existen rodamientos prototipo de duración avanzada, y como la vida de la grasa suele determinar la vida útil de un rodamiento, sería muy conveniente tener una grasa de larga duración. Lamentablemente, la complejidad de la lubricación con grasa [2] comporta que actualmente no existan modelos físicos para pronosticar su duración. SKF ha elaborado una prueba empírica en la que la vida de la grasa (o el intervalo de relubricación) puede calcularse para «grasas de buena calidad».

Para los rodamientos rígidos de bolas, SKF ha desarrollado el concepto de Factor de Rendimiento de la Grasa (GPF) [3] (fig. 1) a fin pronosticar la vida útil de grasas de prestigio cuyos datos se conocen. Un GPF=1 equivale al rendimiento de una «grasa de buena calidad». Muchos tipos de grasa superan el estándar «buena calidad» y obtienen un GPF>1. La fig. 1 muestra la vida de la grasa en función de la temperatura, la velocidad (n d_m) y su calidad [3].

SKF recomienda que los límites de temperatura para un rendimiento eficaz queden holgadamente dentro de los límites de temperatura estandarizados (fig. 2). Dentro de los límites de rendimiento recomendados –la «zona verde» del concepto del Semáforo de SKF–, la grasa actuará de forma fiable y podrá determinarse su vida útil (y el intervalo de relubricación) [8]. Las temperaturas en la zona de color amarillo, a ambos lados de la zona verde, deberían presentarse solamente durante periodos muy cortos. El transcurso del tiempo, la temperatura, la acción mecánica, el envejecimiento y la posible penetración de contaminantes hacen que la grasa de un rodamiento se deteriore y pierda sus propiedades lubricantes. Después del llenado inicial durante la instalación, la relubricación con grasa adicional puede proporcionar la vida de servicio deseada. Para conseguir el nivel de fiabilidad adecuado, tres factores de la relubricación son importantes: el tipo de grasa, la cantidad de grasa y la frecuencia de relubricación. La cantidad aportada y la frecuencia del engrase dependen de las condiciones operativas y del método de suministro: manual, mediante lubricador automático o sistema de lubricación centralizada. Estos conocimientos se han plasmado en las herramientas avanzadas de SKF: LubeSelect, LuBase y DialSet, disponibles en Internet.

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE LA LUBRICACIÓN CON GRASA
Comprender las características físicas y químicas de la lubricación con grasa es crucial para pronosticar el rendimiento de la grasa en un rodamiento. Generalmente es imposible realizar ensayos sobre la vida de la grasa bajo las condiciones específicas de la aplicación, ya que ésta se diseña para soportar una resistencia muy prolongada, lo que conduciría a unos periodos de ensayo inaceptablemente largos. En la práctica, se eligen condiciones de ensayo más severas (por ej. temperatura y/o velocidades más altas) que en la aplicación. Además, en ocasiones, los bancos de pruebas de duración de la grasa utilizan rodamientos normalizados que son distintos que en la propia aplicación.

El rendimiento de la grasa lubricante no sólo depende de las propiedades de la misma, sino de la geometría interna del tipo de rodamiento en cuestión. Incluso dentro de la misma familia de rodamientos, el rendimiento varía en función de la geometría interna, siendo los factores más importantes las dimensiones internas, el sistema de obturación, y la configuración y el material de la jaula.

Conociendo las características físicas y químicas de las grasas lubricantes, los ensayos pueden «extrapolarse» a condiciones para las que no existen datos de ensayo. Además, los datos de ensayo de la vida de la grasa se usan para validar prototipos físicos desarrollados para la lubricación con grasa. En el Centro de Investigación e Ingeniería de SKF se han desarrollado modelos y conocimientos avanzados de tribología/lubricación y de física/química, que ayudan a comprender la lubricación con grasa. Entre los campos de la ciencia que contribuyen al desarrollo de modelos de pronóstico de la grasa pueden citarse la reología, la dinámica de fluidos, la química, la lubricación elastohidrodinámica y la estadística.

En la fase inicial del funcionamiento de un rodamiento la grasa fluye. En su mayor parte, la distribución de la grasa termina junto a los caminos de rodadura y permanece dentro de la zona de contacto. Para averiguar la distribución interna de la grasa dentro del rodamiento durante esta fase y después de ella se tiene que comprender la dinámica de fluidos y las propiedades reológicas de la grasa. Aplicar la teoría de la dinámica de fluidos al flujo de grasa no es sencillo; de hecho, la grasa lubricante no es realmente un fluido. La grasa envejece por acción mecánica y térmica, que es intensa en un rodamiento, lo cual aumenta la complejidad del problema. La teoría de la dinámica de fluidos/reología también se usa para pronosticar las propiedades de separación del aceite de la grasa. Es importante comprender la química en la lubricación con grasa [4] para prever la oxidación del aceite base y del espesante. Además, la composición química de la grasa determina las propiedades límite de lubricación.

Se supone que la grasa lubricante desarrolla una película de separación, que puede ser una película de capa límite o puede estar formada por acción hidrodinámica. En los rodamientos, la deformación elástica de los cuerpos en contacto genera una geometría de entrada que favorece la formación de la película, y este fenómeno se denomina «lubricación elastohidrodinámica» (EHL). Esta tecnología está muy desarrollada en la lubricación con aceite, pero no en la lubricación con grasa, donde el espesor de película está determinado por la disponibilidad de lubricante en los caminos de rodadura (en general llamada lubricación elastohidrodinámica pobre[5]) y por las «partículas» de espesante. La fig. 3 muestra una imagen interferométrica de un contacto lubricado con grasa. La película no es lisa, ya que partículas del espesante entran en contacto.

Por último, el proceso de lubricación con grasa no es determinista. Hay una distribución estadística de fallos, lo cual complica aún más el pronóstico. SKF posee sólidos conocimientos de la probabilidad de Weibull, que se usa para evaluar los datos de ensayo de la duración de los rodamientos y la vida de la grasa [6].

ENSAYOS DE GRASAS
Para pronosticar la vida de una grasa lubricante en un rodamiento, SKF ha desarrollado equipos de ensayo que se usan en la industria. Son clásicos los bancos de pruebas R0F (rodamientos de bolas) y R2F (rodamientos de rodillos a rótula). Los bancos de pruebas R0F se han mejorado (R0F+) y ahora son muy flexibles en cuanto a velocidad, carga y temperatura. En el Centro de Investigación e Ingeniería de SKF se encuentra un gran número de R0F y R0F+, pudiendo realizarse 140 ensayos simultáneamente (Fig. 4).

DESARROLLO DE PRODUCTOS Y LUBRICACIÓN CON GRASA
Varios ejemplos demuestran que comprender la lubricación con grasa ha influido en el desarrollo de nuevos productos, incluyendo una nueva generación de rodamientos energéticamente eficientes de SKF. La fig. 5 muestra un rodamiento rígido de bolas energéticamente eficiente (E2) de SKF. Las pérdidas por fricción de los rodamientos rígidos de bolas E2 de SKF son al menos un 30% menores que las de los rodamientos estándar de SKF de tamaño comparable. En consecuencia, los E2 de SKF están desarrollados para aplicaciones lubricadas con grasa, y consumen menos lubricante.

Una comparación entre la vida de la grasa en un rodamiento estándar y un rodamiento rígido de bolas E2 de SKF muestra que la vida de la grasa, así como la vida útil del rodamiento, se duplica. La reducción de la fricción puede atribuirse a una mejor lubricación de la grasa, es decir, una grasa única combinada con una mejor geometría interna y un nuevo diseño de jaula. Éste es un buen ejemplo de cómo el desarrollo de grasas se ha integrado en el diseño del rodamiento.

Cuando SKF desarrolló un banco de pruebas y un método de comprobación para el efecto «false brinelling» propios, se creó una nueva grasa con excelentes propiedades contra el efecto » false brinelling» para rodamientos de palas y de orientación de turbinas eólicas. La fig. 7 muestra los resultados de un ensayo con grasa estándar y con la nueva grasa para rodamientos de pala y orientación en donde la fricción se monitoriza en función del número de oscilaciones. En consecuencia se determina que, si la fricción aumenta continuamente a lo largo del tiempo, la avería estará a punto de producirse. Los trazos azules representan las mediciones de la grasa estándar. Los trazos verdes son las mediciones con la grasa SKF LGBB 2, que forma una capa tribológica protectora, muestra valores de fricción muy bajos durante muchos ciclos y ofrece una larga vida útil de los rodamientos.

La fig. 8 muestra la ventana de operación de varias grasas en condiciones similares a las de un rodamiento de pala. En caso de deslizamiento parcial, la oscilación es tan pequeña que el centro del contacto hertziano quedará adherido, y sólo ocurrirá deslizamiento en los bordes del contacto. Se produce un deslizamiento global cuando las oscilaciones son tan intensas que hasta el centro del contacto se desliza. El desgaste por vibración suele ocurrir si las oscilaciones son pequeñas: tan pequeñas que las partículas producidas por un desgaste intenso no se despegan del contacto. La grasa SKF LGBB 2 tiene unas excelentes propiedades anti desgaste por erosión, y también se puede utilizar para grandes oscilaciones. Esta grasa posee un buen rendimiento a temperaturas bajas y buenas propiedades anticorrosión, haciendo que sea muy apropiada para aplicaciones de rodamientos de palas y de orientación de turbinas eólicas.

Para aplicaciones en fábricas de papel, SKF ha desarrollado el «lubricante SKF espesado con polímeros», o grasa polimérica, en la que el espesante tradicional de jabón se ha sustituido por un polímero [7]. El polímero es apolar, es decir, el jabón no compite con la superficie de metal para atraer aditivos. La grasa convencional contiene un 10-20 % de espesante de jabón con base de metales (polar) y un 80-90 % de aceite base, incluyendo el paquete de aditivos. El lubricante espesado con aditivos contiene un 10-13% de polipropileno (PP), un material apolar, y un 87-90 % de aceite, incluyendo el paquete de aditivos. Para formar grasa espesada con polímeros se usa un proceso excepcional basado en una innovadora operación de calentamiento y refrigeración del polímero, que se disuelve en aceite. El resultado es una estructura reticular tridimensional, que actúa como una grasa «normal», espesada con jabón y metal. La grasa alcanza una gran duración en el banco de pruebas R0F, incluso sin aditivos, lo que la hace más respetuosa con el medio ambiente, con intervalos de relubricación prolongados. Esto reduce el consumo de grasa. La nueva grasa polimérica tiene un rendimiento excelente a bajas temperaturas, y se precisa menos energía para fabricarla.

Los requisitos que se imponen a las grasas usadas en los rodamientos del eje principal de las turbinas eólicas se deben al duro entorno en el que la fiabilidad de la grasa debe ser muy alta, bajo cargas de contacto pesadas, velocidades bajas y condiciones de oscilación y parada. Con las turbinas eólicas instaladas en el mar y en climas fríos hay que hacer frente a retos adicionales. SKF ha desarrollado tres grasas diferentes para aplicaciones de ejes principales de turbinas eólicas. La tabla 1 muestra las propiedades de las grasas. Las tres se usan ampliamente y han sido aprobadas por varios fabricantes de turbinas eólicas. La grasa elegida depende del tipo de obturación, de las condiciones operativas y del entorno.

SKF ofrece a los clientes soluciones completas para aplicaciones de ejes principales abarcando grasas, soportes, obturaciones, diferentes configuraciones de rodamientos, sistemas de lubricación, tuercas de fijación, servicios de montaje, lubricantes, y monitorización de estado y análisis.

CONCLUSIONES
SKF contribuye a la sostenibilidad e impulsa soluciones respetuosas con el medio ambiente desarrollando y aplicando sus conocimientos de lubricación con grasas. Ello prolonga la vida útil de los sistemas de rodamientos y reduce la fricción, lo cual resulta en un menor consumo de energía. Una prolongación de la vida útil y de los intervalos de relubricación conduce a una menor necesidad de mantenimiento y una reducción en los residuos. Esto se logra utilizando los conocimientos obtenidos a través de I+D básica y del desarrollo de prototipos, en combinación con el desarrollo de productos.

 

Bibliografía
[1] E. Ioannides, G. Bergling, y A. Gabelli. An analytical formulation for the life of rolling bearings. Acta Polytechnica Scandinavia, Mechanical Engineering Series, Finnish Academy of Technology, (137), 1999.
[2] P.M. Lugt. A review on grease lubrication in rolling bearings. Tribology Transactions, 52(4):470-480, 2009.
[3] B. Huiskamp. Duración de la grasa en rodamientos rígidos de bolas lubricados de por vida. Evolution, 2:26–28, 2004.
[4] A. van den Kommer y J. Ameye. Prediction of remaining grease life- a new approach and method by linear sweep voltammetry. Proceedings Esslingen Conference, páginas 891–896, 2001.
[5] M.T. van Zoelen, C.H. Venner, y P.M. Lugt. Prediction of film thickness decay in starved elasto-hydrodynamically lubricated contacts using a thin-film layer model. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part J, Journal of engineering tribology, 223(3):541-552, 2009.
[6] T. Andersson. Endurance testing in theory. Ball Bearing Journal, 217:14–23,1983.
[7] D. Meijer, D. Polymer thickened lubricating grease. European Patent Application,(EP 0 700 986 A3), 1996.
[8] Catálogo general de SKF