UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE EXTENSION LATACUNGA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA MOTORES ESPECIALES
LUBRICANTES EN LA INDUSTRIA MARITIMA INTRODUCCION La palabra Tribología se deriva del término griego tribos, el cual entenderse como “frotamiento o rozamiento”, así que la interpretación de la palabra puede ser, “la ciencia del rozamiento” Los diccionarios define a la Tribología como la ciencia y tecnología que estudia la interacción de las superficies en movimiento relativo, así como los temas y prácticas relacionadas. La Tribología es el arte de aplicar un análisis operacional a problemas de gran importancia económica, llámese, confiabilidad, mantenimiento, y desgaste del equipo técnico, abarcando desde la tecnología aeroespacial hasta aplicaciones domésticas. Cuando dos cuerpos sólidos se frotan entre sí, hay una considerable resistencia al movimiento independientemente de lo pulidas que estén las superficies. La resistencia se debe a la acción abrasiva de las aristas y salientes microscópicas. La energía suficiente para superar esta fricción se disipa en forma de calor y como desgaste de las partes móviles. La fricción se puede reducir por el uso de materiales con energía de fricción baja que se deslizan con facilidad una sobre otra.
V E N TA JA S LU B R IC A N T E S
Un lubricante, es por tanto, una sustancia capaz de disminuir la fricción entre dos superficies que están en contacto. La palabra lubricante proviene del latín “lubricum” que significa resbaladizo y veloz. Se trata de una delgada capa de fluido, de espesor a veces inferior a una micra, que se interpone entre dos superficies sólidas para evitar su contacto directo y permitir que resbalen sin deteriorarse. Reducir el rozamiento mejorando el rendimiento del motor y disminuyendo el consumo de carburante. Proteger los órganos mecánicos contra corrosión para garantizar la duración y motor.
el la
desgaste y la eficiencia del
El aceite permite evacuar las impurezas gracias al filtro de aceite y al drenaje para mantener la limpieza de las partes motor. Reforzar la impermeabilidad (estanqueidad), indispensable para asegurar el buen funcionamiento del motor Evacuar de manera eficaz el calor, enfriando el motor para evitar la deformación de las piezas
Existen diferentes tipos de sustancias lubricantes: productos líquidos como aceites minerales y aceites sintéticos, productos semisólidos como las grasas,
lubricantes sólidos como el grafito, el sulfuro de molibdeno o las talocianinas y finalmente, el aire es un ejemplo de lubricante natural gaseoso.
LEYES DEL ROZAMIENTO FLUIDO Consideremos una capa de lubricante entre las dos placas, una fija y una móvil con velocidad V, tal como la representada en la ilustración 1. Las partículas de fluido que están en contacto con la capa superior (C), se moverán con esa velocidad V y las que están en contacto con la placa fija inferior (B) tendrán velocidad nula.
Ilustración 1. Rozamiento de Flujo
En el punto C y B el fluido se moverá según la ley que relacione sus coordenadas con velocidad. La ley de Newton del rozamiento fluido dice que la fuerza necesaria para mover la placa superior sigue la siguiente ley:
dF=
n∗dS∗dv dn
Donde: dv dn
: Gradiente de velocidad
v
: Velocidad relativa de desplazamiento de las 2 superficies
n
: Viscosidad dinámica
En la práctica se observa que la resistencia al desplazamiento para este ejempo es:
Independiente de los esfuerzos normales Aumenta con la velocidad Aumenta con la superficie No depende del estado o naturaleza de las superficies
Si buscamos la expresión para el coeficiente de rozameinto fluido de la misma forma que lo definicos para el rozamiento seco tenemos:
F=μ∗N =
Con lo que
μ=
n∗S∗dv dn μ valdra
n∗S / N∗dv dn
Dónde: V
: Velocidad
N
: Carga Normal
S
: Superficie de contacto
REGIMENES DE LUBRICACION LUBRICACION HIDROSTATICA En la lubricación hidrostática la capa de lubricante se garantiza gracias al suministro de un fluido a presión en las zonas de contacto. Sera esa presión exterior la encargada de mantener la separación de los dos cuerpos. Es muy apropiada para velocidades relativas de deslizamiento bajas o, incluso, para los momentos de arranque en las diferentes maquinas o mecanismos. El nivel de rozamiento es muy bajo en este régimen de lubricación. Existen 2 tipos de cojinetes hidrostáticos: Caudal Constante Presión Constante
LUBRICACION HIDRODINAMICA Se tiene cunado al girar el eje arrastra al aceite creando zonas de sobrepresión y de depresión. Llegando un determinado momento, se crea una cuña hidrodinámica a presión que manteien separados los dos cuerpos sin ningún aporte de presión exterior. Se genera en los contactos altamente cargados, que pueden ser: Lineales (engranajes) Puntuales (rodamientos de bolas) Como consecuencia de las cargas elevadas en los contactos se tiene: Aumento de viscosidad en el aceite
Deformaciones elásticas en los cuerpos
LUBRICACION MIXTA Y LÍMITE En la lubricación elastohidrodinámica, el espesor mínimo de película depende de la viscosidad, de la velocidad y de la presión. Si aumenta la presión, la película disminuye y se produce contacto metal-metal debido a las rugosidades. Esta situación da lugar a la lubricación mixta.
λ=
Espesor minimo de pelicula Rugosidad de las superficies
Se tiene que para mixto y que para
λ comprendido entre 1 y 3.5´, el régimen de lubricación es λ
menor que 1, toda la carga la soportan los elementos. No
existe película y se tiene lubricación limite. Para un valor
λ
igual a 2, el
desgaste afecta solo a las rugosidades, lo que constituye un desgaste perfectamente admisible.
LUBRICACIONS SOLIDA Se recurre a la lubricación solida cuando se produce algunas de las condiciones sigueites:
Temperaturas elevadas Acceso difícil del lubricante líquido. Cargas extremas con vibraciones Presencia de gases, disolventes, ácidos etc.
Los lubricantes mas utilizados en este caso son el bisulfuro de molibdenos y el grafito, que poseen una estructura molecular en la minas superpuestas de tipo “hojaldrado”.
CARACTERISTICAS DE LAS BASES LUBRICANTES Las características de las bases lubricantes son fundamentales en las distintas aplicaciones, y la forma de medir estas propiedades es muy importante a la hora de fabricar aceites terminados. Las normas que se usan de manera habitual son las normas editadas por el organismo de normalización norteamericano (ASTM), aceptadas internacionalmente. Viscosidad dinámica: La fuerza que había que ejercer para desplazar una de las caras de una película de aceite respecto de otra capa, es siempre directamente proporcional a la superficie que interviene y a la
velocidad imprimida e inversamente proporcional a la separación existente entre ambas superficies. Esta propiedad es la viscosidad dinamica, depende de la temperatura. Las unidades son: Sistema Internacional: Pascal * segundo = Newton * segundo /m2 Sistema C.G.S.: POISE=Dina * segundao/cm2 SISTEMA IPS: REYN= Libra * segundo/ pulg2 Viscosidad cinemática (Viscosidad dinámica / densidad): Se mide en centistokes (cSt), a una determinada temperatura que suelen ser 100 y 40 ºC. Esta propiedad indica como de pesada es la base lubricante. Las bases más ligeras tienen una viscosidad en torno a 2 cSt (a 100 ºC), mientras que las más pesadas están en torno a 45 cSt (a 100 ºC). Las bases se suelen nombrar por su viscosidad, una de grado ISO 32 (International Standards Organization) significa un aceite con una viscosidad 32 cSt (a 40 ºC), mientras que un ISO 15 tiene una viscosidad de 15 cSt a la misma temperatura. Sin embargo la nomenclatura más usada en el mundo comercial es la denominada viscosidad Saybolt. Así una base SN 150 tiene una viscosidad de 150 SSU (segundos Saybolt Universal) a 40 ºC (equivale a un ISO 32). La viscosidad es esencial para asegurar una correcta lubricación hidrodinámica. Cuando se trabaja con cargas mayores y velocidades más bajas se necesitan aceites con una mayor viscosidad (equipo de orugas para trabajo pesado; sistemas de alta presión). Un refrigerante requiere un lubricante que retenga sus propiedades a baja temperatura, mientras que en una turbina de vapor el lubricante tiene que ser resistente a la oxidación a altas temperaturas. Índice de Viscosidad: Este índice indica la capacidad de un lubricante de mantener constante su viscosidad en un amplio rango de temperaturas. Se determina a partir de los valores de viscosidad a 40 y 100 ºC (es una medida arbitraria de la forma en que la viscosidad varía con la Temperatura y se determina por comparación con un patrón). Un Índice de Viscosidad alto indica que el cambio de viscosidad con la Temperatura es pequeño, mientras que un Índice de Viscosidad bajo indica que el aceite cambia mucho su viscosidad con la variación de temperatura. Normalmente se desea que el Índice de Viscosidad sea lo más alto posible, ya que eso significa que la lubricación de las superficies es relativamente similar a todas las temperaturas. Los valores de esta propiedad suelen ser mayores de 90, estando su valor habitual entre 95 y 105 para las bases convencionales. Punto de inflamación: Es la temperatura a partir de la cual una sustancia arde si se le aplica una llama al menos durante 5 segundos. Este valor limita la temperatura a la que el aceite debe estar expuesto. Cuanto
más pesado es el aceite mayor es su temperatura de inflamación. Para los más ligeros la temperatura de inflamación está en torno a 105 ºC. Punto de congelación: Es la temperatura a la cual el producto se congela e indica la temperatura mínima de uso. Las bases convencionales tienen un punto de congelación en torno a -9 ºC, pero el de las sintéticas es considerablemente inferior (-20 a -60 ºC). Volatilidad: Es el porcentaje de producto que, bajo determinadas condiciones de temperatura, se evapora. Una volatilidad demasiado alta implica una alta evaporación y con ello una variación de las propiedades físicas a lo largo de la vida del aceite, lo que es indeseable. Azufre: El contenido en azufre mide el grado de refino de base lubricante, cuanto menor es el contenido de azufre mayor es el refino. Composición hidrocarbonada (sólo para bases convencionales): La composición hidrocarbonada marca las propiedades de la base. Lo deseable es un alto contenido en hidrocarburos saturados (lineales y ramificados) que proporcionan un alto Índice de Viscosidad. Los aromáticos presentan bajos Índices de Viscosidad y su volatilidad es mayor que la de los saturados.
CLASIFICACION DE UNA BASE LUBRICADA Los componentes básicos de un lubricante son: la base y los aditivos. A ellos hay que añadir los materiales auxiliares como el envase, tapón y etiqueta que si bien no intervienen en la formulación del producto juegan un papel fundamental en la puesta a disposición del cliente. Las bases lubricantes utilizadas en la formulación de los aceites y grasas son de varios orígenes:
CONVENCIONALES
MINERAL HIDROCRAQUEADAS
CLASIFICACIO N DE UNA BASE LUBRICADA
SINTETICA
ESTERES, HIDROCARBUROS SINTÉTICOS (POLI-ΑOLEFINAS, POLIISOBUTENOS) Y POLIOXIETILENOS.
REGENERADA A PARTIR DE ACEITES USADOS
ACTUALMENTE TODOS LOS LUBRICANTES HAN DE CONTENER UN 15% DE BASES REGENERADAS.
NATURAL
ACEITE DE COLZA, GIRASOL, ETC.
ORGANISMOS ACEA Asociación Europea de Constructores de Automóviles.- Organización encargada de establecer los requerimientos mínimos que han de cumplir los lubricantes a través de las secuencias ACEA. ACEA A/B (Secuencias para lubricantes de servicio de motores gasolina y diesel) ACEA C (Secuencias para lubricantes de servicio de motores gasolina y diesel con sistemas de tratamiento de gases de escape). ACEA E (Secuencia para lubricantes de servicio de vehículos pesados)
API TC + El Instituto Americano del Petróleo (API).- Conjuntamente con ASTM y SAE (Sociedad de Ingenieros de la Automoción) han creado una clasificación de aceites de motor en función de las exigencias a las que estarán expuestos. La clasificación API la conforman; para motores gasolina (S) y para motores diésel (C). De igual manera, también regulan con sus especificaciones la calidad de los aceites para engranajes a través de las categorías API GL- y MT-.
Ilustración 2. API motores gasolina
Ilustración 3. API motores diésel
API-TC.- Es una certificación para los aceites de dos tiempos, otorgado por el Instituto Americano del Petróleo. Se administra después de que el producto pasa a través de pruebas estrictas que determinan el nivel de rendimiento de detergente, la dispersión, y anti-oxidación. El nivel más alto de certificación para el aceite de dos tiempos es el "TC +" - Serie. Equivalente: JASO FD / ISO L-EGD.
HMEOC.-
High quiality Motorcycle Engine Oil Conception.- La norma del Ministerio Japonés para la de dos ruedas de aceite y el motor de la economía de combustible. Es un fabricante de la motocicleta Honda se convierte en el centro, es lo que se propuso por el Comité Directivo del SAE para Asia en 2008. Aceite de motor HMEOC, JASO Normas logra 10W-30 de baja viscosidad, que es aceptable como la moto actual, mientras que el cumplimiento de las prestaciones requeridas motocicleta incluyendo el aceite del motor se vuelve. La marca HMEOC se visualiza en el aceite que cumpla con las especificaciones. Especificaciones y la iniciativa se encuentra cerca de lugar de los estándares exactos se pueden ver desde el hecho de que Concepción. Su objetivo es se pretender reducir las emisiones de CO2 con un bajo consumo de combustible. ILSCA.Internacional Lubricantes Normalización y Comité de Aprobación.- Se formó en 1992 por AAMA (Asociación Americana de Fabricantes de Automóviles) y JAMA (Asociación Japonesa de Fabricantes de Automóviles) para definir la necesidad, los parámetros, las licencias y la administración de las especificaciones de lubricantes. Junto con el sistema tripartita (API, SAE y ASTM) las EOLCS formados, la concesión de licencias de aceite del motor y el sistema de certificación. Aceites ILSAC menudo llevan el símbolo de servicio API (Donut) incluyendo la designación Ahorro de Energía y / o marca de certificación API (Starburst). ILSAC GF-1 El GF-1 estándar ILSAC indica el aceite cumple tanto los requisitos de Energy Conservación II (EC-II) SH API y. Fue creado en 1990 y actualizado en 1992 y se convirtió en el requisito mínimo para el aceite usado en los automóviles estadounidenses y japoneses. ILSAC GF-2 Reemplazó GF-1 en 1996. El aceite debe cumplir con dos requisitos EC-II API SJ y. Las normas GF-2 requiere 0W-30, 0W-40, 5W-20, 5W-30, 5W-40, 5W-50, 10W-30, 10W-40 y 10W-50 aceites de motor para cumplir con estrictos requisitos de contenido de fósforo, operación de baja temperatura, depósitos de alta temperatura y control de la espuma. ILSAC GF-3 Un ILSAC GF-3 de aceite debe cumplir tanto los requisitos API EC-II SL y. El estándar GF-3 tiene parámetros más estrictos con respecto a los efectos a largo plazo del aceite en el sistema de emisiones de los vehículos, la mejora de la economía de combustible y la mejora de la volatilidad, control de depósitos y de rendimiento viscosidad. La norma también requiere menos degradación aditivo y las tasas de consumo de aceites reducidos durante la vida útil del aceite.
ILSAC GF-4 ILSAC GF-4 es similar a la categoría de servicio API SM, pero requiere una secuencia adicional VIB economía de combustible de prueba (D6837 ASTM).
ILSAC GF-5 Introducido en octubre de 2010 para el año 2011 y más vehículos, diseñados para proporcionar una protección mejorada de alta temperatura de depósito para pistones y turbocompresores, control de lodos más estrictos, una mejor economía de combustible, el aumento de la compatibilidad del sistema de control de emisiones, compatibilidad con los sellos, y la protección de los motores que funcionan con etanol que contienen combustibles hasta E85. ILSAC GF-6 La especificación ILSAC GF-6 se encuentra actualmente en desarrollo y probablemente se divide en dos sub-especificaciones. ILSAC GF-6A será totalmente compatible con ILSAC GF-5, pero ofrecería una mejor economía de combustible, una mejor protección del motor y un mejor rendimiento, manteniendo la durabilidad. ILSAC GF-6B podría ofrecer un rendimiento similar al de ILSAC GF-5A, pero permitirá que los aceites de menor viscosidad como XW-16, aprovechando los beneficios de ahorro de combustible que ofrece el nuevo SAE 16 grado de viscosidad. Para obtener más información, visite gf-6.com. ISO-L-EGD.A mediados de los años 90 se hizo evidente que las especificaciones JASO no pueden satisfacer los requisitos de los motores de dos tiempos modernos europeos. Las normas ISO que figuran a continuación se han desarrollado para hacer frente a esta deficiencia. Su base es la norma JASO relevante + se requiere una prueba de Honda 3h adicional para ejecutar cuantificar limpieza del pistón y el efecto detergente. ISO-L-EGB Los mismos requisitos que la prueba JASO FB + para la limpieza del pistón. ISO-L-EGC Los mismos requisitos que la prueba JASO FC + para la limpieza del pistón. ISO-L-EGD Los mismos requisitos que la prueba JASO FD + para la limpieza del pistón + efecto detergent JASO FC+.-
Japanese Automotive Standard Organization.- Organismo equivalente a API o ACEA, encargada de establecer diferentes niveles de rendimiento dentro de la industria automotriz del Japón, entre ellos los referidos a lubricantes para motocicletas de 2T/4T y automóviles diesel, desarrolla sus propias normativas, siendo muy conocidas las de motos, tanto de 2 tiempos (FA, FB, FC y FD) como de cuatro (MB, MA-1 y MA-2). Para los vehículos de 4 ruedas han definido también normas. Para motores diesel industriales existen las DH-1 y DH-2. La DL-1 es para los motores diesel de vehículo ligero. Las normas DH-2 y la DL-1 imponen límites químicos para su aplicación en motores equipados con sistemas de post tratamiento tipo DPF NMMA.National Marine Manufacturers Association.- Asociación nacional de fabricantes de embarcaciones de Estados Unidos. es la asociación comercial líder en el país en representación de barcos, motores marinos y fabricantes de accesorios. En conjunto, los miembros NMMA fabrican aproximadamente el 80 por ciento de los productos marinos utilizados en América del Norte. NMMA es una fuerza unificadora y potente voz para la industria de la navegación de recreo, que trabaja para fortalecer y hacer crecer la navegación y proteger los intereses de sus empresas miembros. OMI.La Organización Marítima Internacional (OMI, en inglés IMO).- Es un organismo especializado de las Naciones Unidas que promueve la cooperación entre Estados y la industria de transporte para mejorar la seguridad marítima y para prevenir la contaminación marina. Recientes iniciativas de la OMI han incluido reformas al Convenio Internacional para la Seguridad de la Vida Humana en el Mar (SOLAS) y al Convenio Internacional para prevenir la contaminación por los Buques (MARPOL 73/78). Su sede se encuentra en Londres, Reino Unido. Sus primeras reuniones datan de 1959. Originalmente tenía carácter consultivo, por lo que se la conocía como OCMI (Organización Consultiva Marítima
Internacional)
o
IMCO
por
su
siglas
en
inglés
y
sus
recomendaciones eran de carácter optativo. SAE.Sociedad de Ingenieros Automotrices.- Los aceites para motor están agrupados en grados de viscosidad de acuerdo con la clasificación establecida por la SAE. Esta clasificación permite establecer con claridad y sencillez la
viscosidad de los aceites, representando cada número SAE un rango de viscosidad expresada en cSt (centi-Stokes) y medida a 100oC, y también a bajas temperaturas (por debajo de 0oC) para los grados W (winter). En esta clasificación no interviene ninguna consideración de calidad, composición química o aditivación, sino que se basa exclusivamente en la viscosidad.
Ilustración 4. API SAE J 300
Ilustración 5. SAE Para productos marinos
SCIAN.Sistema de clasificación industrial de América del Norte.- Aplica la norma 3336 motor, turbina y equipo de transmisión de potencia Este grupo abarca los establecimientos dedicados principalmente en las turbinas de fabricación y sistemas de generador de la turbina; motores de combustión interna (excepto la gasolina de automoción y aeronaves); variadores de velocidad, unidades de alta velocidad y embragues industriales. Se incluyen los establecimientos que se dedican principalmente a la fabricación: el viento o la energía solar; aerogeneradores utilizan para generar electricidad.
TECNICAS APLICADAS A LOS LUBRICANTES Análisis espectro-químico de 21 elementos ASTM D6596
Práctica estándar para Ampulización y almacenamiento de gasolina y los materiales conexos de Hidrocarburos
Viscosidad ASTM D445 Método de prueba para la viscosidad cinemática de líquidos transparentes y opacos (y Cálculo de la viscosidad dinámica) Análisis de la base ASTM D664 y Acido ASTM D664 Método de prueba estándar para el Ácido Número de productos derivados del petróleo mediante valoración potenciométrica Análisis del agua (Crepitación) ASTM D-95 Método de prueba estándar para el Agua en productos derivados del petróleo y materiales bituminosos por destilación Glicol Método (FTIR) Mide la composición química de un lubricante. Cada compuesto tiene una huella infrarroja única. Usando una Espectroscopia de Transformador Infrarrojo Fourier (FT-IR), se monitorean los puntos clave de en un lubricante específico en el espectro. Usualmente, estas huellas son contaminantes comunes y subproductos de degradación únicos para un lubricante en particular.
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