Tipos de películas lubricantes. Película Fluida: Las superficies en movimiento son separadas, aprovechando el
grosor y la viscosidad de la película aportada por el lubricante; y a través de su propio esfuerzo cortante. La fricción y el desgaste generado son mínimo, por lo que es el tipo de lubricación más deseada. La película fluida puede ser formada de varias maneras a saber:
1. Hidrodinámica: Se presenta cuando la acción del movimiento relativo entre dos superficies lubricadas, se crea una película lubricante lo suficientemente gruesa como para impedir todo contacto metal-metal. Esto significada que es espesor mínimo de la película es algo superior a la suma promedio de las irregularidades de ambas superficies y que la resistencia al movimiento viene dada sólo por la fricción entre las capas del lubricante, siendo éste último el que soporta totalmente la carga. En este caso, las condiciones de la lubricación serán óptimas y el mecanismo podrá funcionar durante largo tiempo sin desgaste alguno, siempre y cuando se mantengan estas condiciones de operación. La lubricación hidrodinámica requiere de un flujo adecuado de lubricante para mantener separada las dos superficies. Cuando uno de los elementos (o ambos) están movimiento relativo, la acción hidráulica del aceite produce una cuña convergente, que desarrolla presiones por encima de 50.000 psi en la zona de trabajo, evitando el contacto metálico entre ambas superficies. Factores que afectan el establecimiento de la Película Fluida o Hidrodinámica: Viscosidad.
Velocidad.
Carga.
Acabado Superficial.
Diámetro, longitud y tolerancias.
Alimentación del lubricante.
2. Hidrostática: Se genera mediante el bombeo a presión de un fluido entre las superficies, las cuales pueden o no estar en movimiento. Consiste en bombear aceite a presión entre dos superficies, con el fin de separarlas de tal forma que no se requiere el movimiento relativo entre ellas para mantener la película lubricante. Este tipo de lubricación se emplea con mucha frecuencia en cojinetes e empuje que soportan ejes verticales y reciben el nombre de cojinetes hidrostáticos. El aceite se suministra a presión en un resalto o bolsillo ubicado en la cara inferior del eje. Si la presión aplicada es suficiente, el eje se levanta y flota sobre la película lubricante. En algunos casos, la lubricación hidrostática da lugar a coeficiente de fricción fluida muy bajos, del orden de 0,00046 a 0,00000075. Estos valores se deben principalmente a la baja velocidad, debido a que la fuerza de rozamiento a estas velocidades es muy pequeña.
3. De capa limite (mixta): Régimen, de lubricación entre dos superficies en contacto o frotamiento sin el desarrollo de una película lubricante elasto-hidrodinámica o hidrodinámica. La lubricación por capa límite se puede hacer más eficaz si se incluyen aditivos en el aceite lubricante que proporcionen una película más fuerte que el aceite, o fluido básico, y así previenen contra una fricción excesiva y un posible desgaste. Existen varios grados de lubricación por capa límite, dependiendo de la severidad del servicio. Para las condiciones ligeras, los agentes oleaginosos, o modificadores de fricción, pueden ser utilizados; adhiriéndose en las superficies del metal, forman una película delgada pero durable, los modificadores de fricción evitan el desgaste adhesivo bajo algunas condiciones que pueden ser demasiado severas para un aceite mineral puro. Los aceites lubricantes compuestos, que se formulan con ácidos grasos polares, se utilizan a veces para este propósito. Los aditivos antidesgaste se utilizan comúnmente en aplicaciones más severas de lubricación por capa limite. Los casos más severos de lubricación por capa límite se definen
como condiciones de extrema presión, y estos se resuelven por lubricantes que contienen aditivos de extrema presión, o EP, que evitan que las superficies en contacto se fundan a las altas temperaturas y o presiones generadas en discretas áreas de las superficies. La lubricación por capa límite también se puede dar por una baja viscosidad del lubricante, que puede darse por alta temperatura o baja viscosidad inicial.
Un cojinete liso radial es quizá el elemento más práctico para analizar la lubricación de película fluida. En este caso se presenta cuatro situaciones:
Cuando el eje (o muñón) está en reposo y descansa sobre el cojinete (casquete), debido al peso que soporta, trata de desplazar la película lubricante y se presenta contacto, quedando solamente una delgada película lubricante entre los elementos
Al iniciarse el movimiento, el muñón trata de rodar y de subir por el casquete en la dirección del movimiento. En el espacio entre el muñón y el casquete se va introduciendo cada vez más aceite, por la acción de bombeo del muñón, lo cual hace que éste se vaya separando del casquete (película mixta).
A medida que se va alcanzando la velocidad normal de funcionamiento, el muñón empieza a resbalar sobre el aceite y comienza a "flotar". (Película fluida).
Cuando el muñón gira a la velocidad normal de funcionamiento, el eje de coordenadas de éste forma un ángulo específico con el casquete, posicionando el mínimo espesor de la película lubricante. La presión hidráulica del aceite aumenta considerablemente y soporta la carga.
4. Elastohidrodinámica: A lubricación elastohidrodinámica es quizá uno de los casos más representativos de la TRIBOLOGÍA y en el cual se hallan involucrados todos los factores que conforman esta ciencia, como: la fricción, el desgaste, la lubricación, el diseño, los materiales, el funcionamiento del equipo y las condiciones de operación. No pocos mecanismos en la industria funcionan bajo estas condiciones de lubricación; en muchos casos estos se han detectado no como consecu encia de un proceso de cálculo, sino como resultado de una práctica experimental a lo largo de muchos años de profundos análisis e investigaciones, que han llevado a la conclusión de que no es posible establecer del todo un planteamiento matemático para determinar qué mecanismos en realidad trabajan bajo lubricación EHL. A nivel práctico es posible determinarlo porque, como es obvio, el desgaste prematuro o el agarrotamiento del mecanismo es una señal inequívoca de que se tienen condiciones de fricción metal o que lubricación debe ser EHL y que por lo tanto, requiere de lubricantes especiales que permitan operar el equipo sin riesgo alguno y de tal forma que en todo momento se involucre esta práctica dentro un proceso tribológico. El espesor de la película lubricante, calculado por la teoría de lubricación EHL, es una función de tres parámetros: carga, velocidad, y coeficiente pieza-viscosidad. Este espesor de película también es limitado porque si es muy grande, se incrementa la fricción entre diferentes capas del lubricante, produciéndose un incremento de temperatura que provocaría, de forma inevitable, un descenso en la viscosidad del aceite y por tanto, del espesor de la película lubricante entre las superficies.. Lubricantes para condiciones EHL * Compuestos o "Compounds". Para temperaturas de operación por debajo de 50°C. * De extrema Presión. Para temperaturas de operación por encima de 50°C.
* Hidrocarburos Sintetizados (SHC-Chemimstry Of Synthesized Hidrocarbons). Para cualquier temperatura de trabajo con un mayor rango de seguridad.
Regímenes de lubricación en función de la velocidad (curva de stribeck) Este régimen depende de un parámetro que relaciona la viscosidad del lubricante, la velocidad relativa de las superficies y la carga a la que estas están sometidas. Si seguimos el eje horizontal, primero encontramos el denominado régimen de lubricación límite, en él el coeficiente de fricción es muy elevado debido a que la película lubricante es muy fina, inferior a la rugosidad de las superficies, por lo que no podemos evitar el contacto ni el desgaste. Si no podemos evitar trabajar en este régimen de lubricación, debido a las temperaturas de trabajo, velocidades relativas muy bajas y/o cargas muy elevadas, debemos utilizar lubricantes sólidos. La otra opción es aumentar la viscosidad del lubricante para desplazarnos al siguiente régimen de lubricación. Este lo denominamos lubricación mixta y en él el grosor de la película lubricante es mayor, aproximadamente igual a la rugosidad de las superficies, por lo que encontramos contactos puntuales. En este régimen se produce una disminución drástica del coeficiente de fricción y podemos encontrar un mínimo de la curva, eso significa que es el más adecuado en términos de eficiencia energética. Para evitar desgastes es necesario utilizar aditivos anti-desgaste adecuados a la aplicación. Estos dos regímenes los consideramos inestables, ya que un aumento de la temperatura reduce la viscosidad y aumenta la fricción lo que multiplica este efecto desplazando el régimen de lubricación a la izquierda, la zona donde se genera mayor desgaste, de la curva.
Si, por el contrario, aumentamos la viscosidad o la velocidad relativa de las superficies entramos en los regímenes de lubricación elastohidrodinámica e hidrodinámica, en estos casos tenemos garantizada la sep aración de las superficies debido a que el grosor de la película lubricante es superior a la rugosidad de las superficies, por lo que reducimos el desgaste al mínimo. El régimen de lubricación elastohidrodinámica, descrito por Ertel y Grubin y desarrollado por Cheng, se da entre superficies curvas entre las que se producen contacto Hertziano debido que encontramos unas superficies de contacto muy pequeñas y cargas muy elevadas, que traen como consecuencia una presión de contacto extremadamente elevada, alcanzando los 3.0 GPa, que incrementan drásticamente la viscosidad del lubricante y deforman ambas superficies reduciendo la rugosidad. Este régimen de lubricación está muy cerca del mínimo de la curva de Stribeck (algunos autores consideran que, de hecho, el mínimo se encuentra en este régimen) por lo que es interesante situarnos en esta zona para mejorar eficiencia energética a la vez que reducimos desgastes. Es el régimen de lubricación típico de engranajes, rodamientos y levas. En el régimen de lubricación hidrodinámica el grosor de la película lubricante es mucho mayor que la rugosidad, debido a la velocidad relativa de las superficies y la viscosidad del lubricante, por lo que evitamos completamente el contacto entre las superficies eliminando desgastes. Este régimen está definido por la ecuación de Reynolds. Sin embargo, la curva de Stribeck nos indica que en este régimen aumenta la fricción debido, precisamente, a la elevada viscosidad del fluido por lo que tiene un aspecto perjudicial para el consumo energético, sobre todo si la velocidad relativa de las superficies es muy elevada, en estos casos podemos reducir la viscosidad del lubricante para acercarnos al mínimo de la curva de Stribeck sin comprometer la protección al desgaste. Es el régimen de lubricación típico de cojinetes.
Consideramos estos dos regímenes de lubricación estables ya que cualquier variación de temperatura varía la viscosidad y el coeficiente de fricción en el mismo sentido por lo que se estabiliza.
