Issuu on Google+

C la in s N du i f i ue s c ad vo t r se ia o rv le s ic io s REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

TRIBOS revista técnica Volumen 2 Número 1 Enero y Febrero de 2014

LA LUBRICACION COMO UNA HERRAMIENTA ALTAMENTE PRODUCTIVA DIALIZADOR DE ACEITE IL4000B30

Para la filtración y diálisis de aceites industriales

REVISTA Bimensual vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Inscripción Gratuita: www.pedroalbarracinaguillon.com / www.ingenierosdelubricacion.com

[1]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Es una publicación técnica virtual bimensual, que tiene como objetivo difundir la temática de la lubricación y la Tribología en la industria de habla hispana y en las universidades, teniendo como colaboradores a todas aquellas personas que quieran vincularse con artículos técnicos, cuyo contenido ayude al mejor entendimiento y aplicabilidad de la temática de la lubricación basada en la Confiabilidad, con miras a controlar el desgaste y reducir al máximo la fuerza de fricción. Director Ingeniero Mecánico Pedro Albarracín Aguillón Comité técnico Ingeniero Mecánico Pedro Albarracín Aguillón pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com Ingeniero Mecánico Pedro Albarracín Patiño ingenieria@tribosingenieria.com Química Lina Morales Diseño y diagramación Publicista Carolina Roldán TRIBOS INGENERIA SAS PBX(57)4440185, Cra 65 No 74- 75 Bodega 176 Multicentro Caribe Medellín, Colombia www.pedroalbarracinaguillon.com www.ingenierosdelubricacion.com. Medellín – Colombia Inscripción Gratis en las páginas web: www.pedroalbarracinaguillon.com www.ingenierosdelubricacion.com

Si desea publicar un artículo técnico en la revista TRIBOS por favor contactarse con: Pedro Albarracín A. Cel. 300-6546504, e-mail: pedroalbarracin@ ingenierosdelubricacíon.com. TRIBOS INGENERIA SAS, no se hace responsable por el contenido de los artículos técnicos que no son de su autoría.

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[2]


REVISTA

7

11

17

23 25

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

CONTENIDO OBTENCIÓN DE LAS BASES LUBRICANTES Por: Julio de la Roche Ingeniero Químico Universidad de Antioquia SINTELUB SAS E-mail: jdlroch@supercabletv.net.co Enero de 2014 Bogotá – Colombia

TRIBOLOGÍA

Por: Pedro Albarracin Aguillón Ingeniero Mecánico Universidad de Antioquia pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com Tribos Ingenieria SAS Marzo de 2014 Medellín – Colombia

VIDA DE LAS MÁQUINAS Por: Pedro Felipe Albarracin Patiño Ingeniero Aeronáutico Universidad Pontificia Bolivariana dirservicios@ingenierosdelubricacion.com Ingenieros de Lubricación SAS Marzo de 2014 Medellín – Colombia

LUBRICACION Y PELICULA LUBRICANTE (ho) Por: Comité Editorial Tribos Ingenieria SAS Ingeniero Mecánico Marzo de 2014 Medellín Colombia

FALLAS EN MECANISMOS Por: William Stevenson Craig Ingeniero Mecánico Universidad de Veracruz williamsc@polimeros.cl Polímeros Industriales Marzo de 2014 Santiago de Chile – Chile

31

SELECCIÓN DEL ACEITE PARA UN TURBOCOMPRESOR

35

TÉCNICAS DE ANÁLISIS DE VIBRACIONES PARA EL MONITOREO DE LA CONDICION DE CAJAS DE ENGRANAJES

Por: Juan Camilo Vélez Sánchez Ingeniero Mecánico Universidad Nacional jcamilosanchez@turbocompresores.com.co Turbocompresores SAS Marzo de 2014, Cartagena – Colombia

Vibration Processing Techniques for Gearboxes Condition Monitoring P. N. Saavedra1 1Universidad de Concepción, Departamento de Ingeniería Mecánica Casilla 150‐C, Concepción, CHILE Email: psaavedr@udec.cl Marzo de 2014 Santiago de Chile – Chile

AVISOS CLASIFICADOS vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[3]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

INGENIEROS DE LUBRICACION SAS www.ingenierosdelubricacion.com Requiere para el desarrollo del programa LUBRIMAQ – LUBRICACON DE MAQUINAS INDUSTRIALES, técnicos o tecnólogos en mecánica industrial con titulo SENA o de otras instituciones superiores

acreditadas por el ministerio de educación para trabajar de tiempo completo en la ejecución de programas de lubricación preventiva y predictiva de acuerdo con la filosofía del programa LCC – Lubricación Centrada en la Confiabilidad, en empresas industriales localizadas en Bogotá y en Barranquilla. Al personal seleccionado se le dará formación y entrenamiento práctico y teórico para el desarrollo de los programas de lubricación del LCC. Las personas interesadas favor enviar su hoja de vida a:

INGENIEROS DE LUBRICACION SAS, Doctora María Camila Albarracín Patiño, dirmercadeo@ingenierosdelubricacion.com; teléfono 4443877, Medellín – Colombia.

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[4]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

MALAS DECISIONES? RESULTADOS COSTOSOS La lubricación de los mecanismos de las máquinas puede caber dentro del concepto lógico, de que si no se lubrican, obviamente las máquinas no podrían funcionar de acuerdo con el propósito para el cual fueron diseñadas, fabricadas y puestas en operación. Esto puede ser el resultado del concepto aprendido de generación en generación, de que la lubricación se basa en la aplicación de un aceite o de una grasa, cualquiera que sean sus características, porque al fin y al cabo “son lubricantes y como tal deben lubricar correctamente los mecanismos de las máquinas” pero que tan lejos estamos de la realidad de lo que es lubricar bajo los conceptos de una Lubricación Centrada en la Confiabilidad. Pero resulta que las condiciones de cargas, velocidades, temperaturas a las cuales se exponen los mecanismos de las máquinas han venido cambiando y cada vez son más críticas, conllevando a que la película lubricante que se requiere para mantenerlos en operación, con la mayor confiabilidad posible, sea cada vez más estable y por lo tanto los componentes de los lubricantes como las bases lubricantes y los aditivos tengan cada vez más un mejor desempeño. Por otro lado, por parte del usuario lo obliga al estudio de la lubricación basado en la tribología, para que tenga unos conceptos claros en los fundamentos de fricción, lubricación y desgaste. Cuando la ingeniería de lubricación se complementa con las propiedades físico-químicas de los lubricantes se tiene la herramienta adecuada para la selección correcta del aceite o de la grasa que se necesita para la lubricación confiable de los mecanismos de las máquinas. Debemos partir del concepto de que el lubricante que se requiere para una aplicación en particular no necesariamente es el más barato ni tampoco el más costoso. Con no poca frecuencia el ingeniero de mantenimiento de la empresa, cambia un aceite por otro de otra marca, cuando el que está utilizando llega al final de su vida de servicio, solamente teniendo en cuenta el grado ISO, el tipo de servicio y el precio. Pero dos aceites del mismo grado ISO y para el mismo tipo de servicio no necesariamente tienen el mismo desempeño. Dos aspectos fundamentales que casi nunca se tienen en cuenta son la estabilidad de la viscosidad el aceite con la temperatura de operación, propiedad que se conoce como el Indice de Viscosidad (IV), y la vida en el tiempo del aceite, o sea cuánto tiempo se espera que dure el aceite bajo unas determinadas condiciones de operación; esta característica se evalúa con la prueba de oxidación en bomba rotativa RPVOT, según el método ASTMD2272. Cuando estos aspectos no se vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

tienen en cuenta, como en el caso de los aceites para turbinas de vapor, gas e hidráulicas, como reza un refrán popular, “lo barato sale caro”, y se tienen situaciones a corto plazo, donde el aceite que debería durar en servicio, entre 12 y 15 años, se tiene cambiar a los dos años de servicio, con graves problemas de formación de barnices y gomas. Esto se puede evitar si se aplican adecuadamente los conceptos de lubricación que se requieren y los fabricantes de los lubricantes, aportan la información técnica necesaria de sus lubricantes, la cual en no pocos casos se especifica en sus catálogos técnicos. Una pregunta válida en este caso es: “Porqué los fabricantes de lubricantes, no especifican en sus catálogos, la información que realmente requiere el usuario para tomar la mejor decisión en cuanto a la selección correcta del lubricante”. Bueno cada uno sacará sus propias conclusiones, pero como una opinión particular, creo que es porque en muy pocos casos el usuario la solicita, precisamente porque considera que no es importante o porque no sabe qué es lo que debe solicitar; igualmente puede haber algún tipo de inconveniencia por parte de los fabricantes de lubricantes en no colocar toda la información técnica de sus lubricantes, ya sea porque al comparar sus especificaciones con los de la competencia, éstas pueden ser inferiores o porque a igual nivel de desempeño sus lubricantes pueden resultar más costosos. Una mala decisión en la selección del lubricante adecuado puede resultar muy costosa para el sistema productivo de la empresa, al impactar negativamente la vida disponible de los mecanismos lubricados, generar paradas no programadas y aumentar los costos de lubricación y mantenimiento.

Pedro Albarracin Aguillón

Ingeniero Mecánico Universidad de Antioquia pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com Ingenieros de Lubricación SAS Enero de 2014 Medellín – Colombia

[5]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

ACEITES SINTETICOS Y MINERALES SINTELUB ofrece una línea completa de grasas y aceites sintéticos y minerales para uso industrial y automotriz. Polyalkylene Glycol (PAG’s), Polialfa Olefinas (PAO’s), Diester, Polyol Ester, Hidrocarburos Sintetizados, Aceites Térmicos, Aceites y Fluidos para Tratamiento Térmico (Quencheo), Aceites y Grasas para la Industria de Alimentos (H-1). Compresores, ventiladores, sopladores, bombas, turbinas, reductores, engranajes, transmisiones, cajas de velocidad, motores, máquinas herramientas, corte y maquinado, templado de aceros, fluidos ignífugos, sistemas hidráulicos, textil, ramas, molinos, calandrias También aceites para usos especiales en Compresores de Hidrógeno, etileno, gas natural, nitrógeno, aire. ACEITES VEGETALES Y BIODEGRADABLES PARA LUBRICACION SINTELUB S.A.S LUBRICACIÓN ESPECIALIZADA CALLE 102 No. 70 – 62 BOGOTÁ - COLOMBIA TELS.: (1) 2712583 – 5330148 FAX: (1) 6134438 e-mail: contactenos@sintelub.com www.sintelub.com

TRIBOS revista técnica vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

5000 personas

Alrededor de de habla hispana reciben nuestra publicación bimensualmente. Al pautar con nosotros usted y su empresa se asegurarán de que este público objetivo registre su información

www.pedroalbarracinaguillon.com www.ingenierosdelubricaciopn.com. [6]


TRIBOS

REVISTA

REVISTA TÉCNICA

OBTENCIÓN DE LAS BASES LUBRICANTES Por: Julio de la Roche Ingeniero Químico Universidad de Antioquia SINTELUB SAS E-mail: jdlroch@supercabletv.net.co Enero de 2014 Bogotá – Colombia

INTRODUCCION Los lubricantes minerales fueron los primeros utilizados por el hombre de una manera tecnificada y químicamente desarrollados y tuvieron su origen hacia los años 1882 debido a la refinación del petróleo. Se definen como una sustancia líquida que permite separar dos superficies en movimiento relativo, reduciendo la fricción, el desgaste, refrigerándolas, evacuando contaminantes y protegiéndolas del medio circundante. Los lubricantes minerales se clasifican en aceites y grasas. ACEITES MINERALES Los aceites minerales tienen una estructura molecular compleja que contiene entre 20 y 70 átomos de carbono por molécula y están constituidos por una base o mezcla de bases lubricantes del mismo tipo (máximo dos) para obtener las viscosidades y calidades requeridas, y un paquete de aditivos químicos que le confieren nuevas propiedades o le mejora otras que ya tenga. Con relativa frecuencia, los fabricantes de máquinas utilizan el término “aceite mineral” para referirse a un aceite sin aditivos. Durante la refinación del petróleo, en la torre de vacío se obtienen tres cortes laterales (ligero, medio y pesado), y un residuo de vacío por fondo, los cuales una vez que se tratan y se refinan, son la materia prima para la producción de las bases lubricantes. Ver Figura 1. Torre de perforación

Los aceites están constituidos por un 80-90% por volumen de base lubricante y un 10-20% por volumen de aditivos. Las funciones de la base lubricante es la de formar la película lubricante (ho), reducir la fricción (fs,fm, ff), refrigerar (Cp), evacuar las impurezas que se generan o se introducen a la máquina y amortiguar el efecto de la carga dinámica (Wd) entre las dos superficies de fricción. Las funciones de los aditivos es garantizar que la base lubricante cumpla eficientemente con sus funciones, darle propiedades físico-químicas que no tenga, y garantizar su desempeño eficientemente durante largos períodos de tiempo. En cuanto al cumplimiento de las funciones requeridas para que un mecanismo trabaje eficientemente durante largos períodos de tiempo, los aditivos son los responsables del 80% y la base lubricante del 20%. Ver Figura 2. Tanque con bases lubricantes

Tanque con aditivos:

•Parafínica •Nafténica •Sintética •Vegetal

•Antioxidante •Anticorrosivo •Antiherrumbre •Extrema presión •Antidesgaste •Detergente •Dispersante •Antiemulsionante

Tanque para mezcla de base lubricante y aditivos

Base lubricante

Tanque de almacenamiento

Aditivos

Base lubricante de diferentes viscosidades Estación de bombeo

Aceite lubricante

Aceite = base lubricante + paquete de aditivos

Figura 2 Producción de aceites lubricantes REFINACIÓN DE LA BASE LUBRICANTE

Tanque refinería Máquina

Gas Petróleo Agua

Los siguientes son los procesos utilizados para la obtención de las bases lubricantes: -

Torre de vacío

Aceite de la máquina

Figura 1 Destilación del petróleo al vacío para la obtención de las base lubricantes

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Unidad de desasfaltado: La carga de esta unidad es el residuo (productos pesados) de la destilación al vacío, a partir de la cual se obtienen las bases lubricantes de mayor viscosidad. Esta unidad de refino es la encargada de eliminar los componentes asfalticos y metálicos, altamente perjudiciales en la formulación de aceites lubricantes. La eliminación de estos componentes se hace con propano dentro de una torre a contra corriente y según la proporción propano-residuo de vacío y temperatura de extracción, varía la precipitación o arrastre de las materias asfálticas. El asfalto se recupera posteriormente de la fase aceite y de la fase asfalto. En esta unidad se obtienen el BS (bright stock) y el CS (cylinder stock), dependiendo del tratamiento y porcentaje de propano.

[7]


REVISTA -

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Unidad de furfural: En esta unidad se tratan los cortes Lu-1, Lu2, Lu-3 y BS, con solventes para eliminar las materias nocivas y obtener bases con índices de viscosidad entre 75 y 90; con un adecuado grado de refino se eliminan parte de los hidrocarburos aromáticos nafténicos, dejando inalterados los compuestos parafínicos. Como solventes se suelen utilizar el furfural, el fenol, el ducsol y el anhídrido sulfuroso. El más utilizado es el furfural aldehído. Estos solventes se recuperan posteriormente de la base refinada. El contacto entre el aceite y el solvente se realiza por circulación a contracorriente en una torre. Las proporciones de solvente y las temperaturas de operación varían en función de la intensidad tratamiento que se requiera. Ver Figura 3. DESTILACIÓN ATMOSFÉRICA

alimentación y de allí a unos filtros rotatorios sometidos a presión de vacío. Estos filtros, son tambores de gran capacidad recubiertos con un tejido filtrante, el cual impide que los cristales de parafina pasen a través de él hasta la parte interior del tambor. La parafina queda depositada en un tanque ubicado debajo del tambor y el vacío aplicado desde la parte interior del filtro se encarga de empujar la mezcla de aceite y solvente a través del tejido filtrante, permitiendo así la separación del aceite y de la parafina. Finalmente el solvente se recupera de ambas fases, obteniéndose la parafina y la base lubricante con el punto de congelación deseado. Como la cera o parafina tiene un alto Indice de Viscosidad, la desparafinación reduce dicho parámetro en la base lubricante. Ver Figura 4(a) y Figura 4(b).

Filtro rotativo de Vacio

Unidad tratamiento de gases

Base parafínica líquida

Gases propano butano

Hoja doctor (escamador)

Reflujo gasolina ligera Gasolina pesada

Agua

Keroseno

Horno

Gas-oil Agua

Vapor

Petróleo crudo

Secador

Vacio Fuel-oil rediduo atmosferico Gasolina ligera Gasolina pesada Keroseno Gas-oil atmosferico

Parafina semifluida

Filtración

Figura 4(a) Filtro rotativo de vacío para la obtención de ceras y bases lubricantes parafínicas

Figura 3 Unidad de furfural -

Unidad de desparafinado: Si se utilizan crudos parafínicos para la fabricación de aceites lubricantes, las bases que se obtienen poseen elevados puntos de congelación (más cerca a cero) debido a su contenido de parafinas, que se deben eliminar para poder garantizar bases lubricantes con puntos de congelación apropiados, de acuerdo con el tipo de aplicación requerida. Para disminuir (mejorar) el punto de congelación se emplea un solvente que disuelva el aceite y precipite las parafinas de cadena lineal y alto peso molecular. El solvente utilizado es una mezcla de MEK (Metil-Etil-Cetona) y de benceno-tolueno en proporciones variables (normalmente 25% de benceno y 25% de tolueno según el grado de desparafinado que se requiera conseguir). Este solvente tiene la propiedad de seleccionar los hidrocarburos, disolviendo a los de baja congelación y precipitando a los de punto congelación elevado en forma de cristales sólidos o parafinas. El proceso básico consiste en mezclar una cantidad variable de solvente con la base del lubricante y luego enfriarlos hasta una temperatura comprendida entre -12° y -6°C por debajo del punto de congelación requerido. En algunos casos se añaden cantidades adicionales de solvente en varios puntos del sistema de enfriamiento; la mezcla fría de base lubricante y solvente se pasa a un filtro cilíndrico de

TRIBOS revista técnica vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Salida de aceite parafínico o tratamiento con H2 y fenol

Dilución con solvente (MEK)

Enfriamiento por agua

Filtro cilíndrico de alimentación

Filtro rotatorio de vacio Hoja doctor (escamador)

Salida de parafína semifluida

Refrigentante (Propileno)

Recipiente para filtrar y lavar

Vacio Vacio

Vapor Saliente primario

Aceite parafínico frio

Filtrado

Recipiente para el filtrado primario

Alimentación de base parafínica

Figura 4(b) Diagrama completo de una planta de parafinas para la obtención de ceras y de aceites lubricantes Los siguientes son los procesos utilizados para la obtención de bases lubricantes de mejor desempeño, después de haber pasado por el proceso de desparafinado: - Tratamiento por ácido: En este proceso se obtienen bases lubricantes de alta calidad, como las empleadas en la fabricación

5000 personas

Alrededor de de habla hispana reciben nuestra publicación bimensualmente. Al pautar con nosotros usted y su empresa se asegurarán de que este público objetivo registre su información

www.pedroalbarracinaguillon.com www.ingenierosdelubricaciopn.com. [8]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

de aceites aditivados para turbinas de vapor, en las cuales se requieren que el aceite tenga prolongados períodos de vida de servicio. Para lograr este propósito se utiliza ácido sulfúrico al 98% en dosis del 2%. Este sulfona ciertas sustancias indeseables de tipo aromático, precipitando sulfonatos del petróleo, que no han podido ser eliminados totalmente en la unidad de furfural. Este tratamiento sólo es recomendable para aquellos aceites que se vayan a aditivar, porque junto con las sustancias nocivas también se eliminan ciertos protectores naturales de la base lubricante, los cuales se sustituyen por aditivos. El comportamiento de estos aceites es mucho más eficaz con las bases tratadas con ácido que si no se hubiesen tratado.

productos nafténicos y aromáticos en parafínicos. Las bases lubricantes que se obtienen son de gran resistencia a la oxidación con elevados índices de viscosidad, y se utilizan por lo regular en la fabricación de aceites para transformadores, turbinas (vapor, gas e hidráulicas) y automotores multígrados. Ver Figura 5. Unidad de destilación al vacío

Unidad de desparafinado

-

Tratamiento por tierra Fuller o arcilla. En este proceso se tratan las bases lubricantes que han pasado por la unidad de ácido, con tierra Fuller o arcilla con el fin de neutralizar las trazas de ácido que hayan podido quedar. La base lubricante se mezcla íntimamente con una cantidad dosificada de tierra Fuller, se calienta la mezcla en un horno tubular y se pasa a una torre de vacío. La separación de la tierra se realiza en filtros-prensa. Tratamiento por hidrogenación catalítica: La refinación por hidrofraccionado consiste en hacer pasar la mezcla constituida por la base lubricante e hidrógeno a través de un lecho catalítico, bajo condiciones de alta presión (1050 psi) y alta temperatura (430ºC). Mediante este proceso se eliminan los contaminantes como el azufre que pueda tener la base lubricante y se transforman los

Unidad de tratamiento con fenol

Gasóleo Destilados

Crudo

-

Unidad de tratamiento con H2

Aceites desparafinados

Aceites hidrogenados

Bases terminadas

Liviano

Liviano

Liviano

Liviano

Medio

Medio

Medio

Medio

Pesado

Pesado Bright stock

Bright stock

Residuo de fondo

Bright stock Microcristalina Pesada Media

Unidad de desasfaltado Asfalto

Liviana

Parafinas desaceitadas o secas

Extractos fenólicos Medio Pesado

Figura 5 Tratamiento por hidrogenación catalítica Las unidades de ácido y de tierra Fuller en la actualidad se emplean muy poco, y han sido reemplazadas por los tratamientos de sulfuración e hidrogenación catalítica.

DIALIZADOR DE ACEITE IL4000B3 ZPara la filtración y diálisis de aceites industriales 1. DESCRIPCION El DIALIZADOR DE ACEITE IL4000B30, es un equipo móvil de 2 ejes, que permite su fácil movilidad entre las máquinas de las plantas de la empresa facilitando el acceso hasta los componentes mecánicos a los cuales se les va a reacondicionar el aceite. Este equipo trabaja bajo el principio de termo-vacío, consistente en calentar el aceite que se va a reacondicionar y luego pasarlo a una cámara de vacío, en donde los gases y el agua vaporizada son extraídos del aceite, dejándolo completamente limpio y seco. 2. CARACTERISTICAS − Se puede operar de manera independiente o acoplado al depósito de aceite de la máquina. − Todos los componentes están montados en una estructura metálica, en acero inoxidable 304. − Puede trabajar ininterrumpidamente o cuando se requiera. − Cuenta con un filtro de succión lavable para proteger la bomba de engranajes. − Cuenta con un filtro de malla metálica de acero inoxidable 304, con papel de 5/5/5 micras. − Tiene un presóstato eléctrico, que apaga el motor eléctrico en caso de una sobrepresión de aceite.

CONTACTO

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

3. ACEITES QUE SE PUEDEN RE-ACONDICIONAR Se pueden reacondicionar aceites minerales y sintéticos para sistemas térmicos, turbinas de vapor, a gas e hidráulicas, reductores, hidráulicos, transformadores, compresores y transmisiones automotrices.

Cra 65 No 74- 75 Bodega 176 Multicentro Ca ribe, Medellín, Colombia PBX (57)4-444 01 85 pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com / www.pedroalbarracinaguillon.com

[9]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

CARRO LUBRINDUSTRIAL TI2000 1. CARACTERISTICAS El CARRO LUBRINDUSTRIAL TI2000 permite transportar todos los elementos requeridos para llevar a cabo la lubricación diaria de los equipos rotativos lubricados con aceite y con grasa que trabajan en las diferentes plantas de la empresa. Este equipo es fabricado en lámina de acero inoxidable 304; cuenta con una serie de compartimientos con llave para guardar herramientas, accesorios de lubricación, papelería, aceiteras de 1 y de 5 galones, pistolas engrasadoras, etc. Las dimensiones son: longitud 90 cm; ancho 70 cm y alto 90 cm. Su peso es de 35 kg y puede transportar hasta 100 kg.

CONTACTO

Cra 65 No 74- 75 Bodega 176 Multicentro Ca ribe, Medellín, Colombia PBX (57)4-444 01 85 pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com / www.pedroalbarracinaguillon.com

ANALISIS DE LABORATORIO ASTM A ACEITES ISO INDUSTRIALES

1. GENERALIDADES El análisis de laboratorio a los aceites industriales ISO usados es una herramienta eficaz que proporciona información sobre las propiedades físico-químicas del aceite ISO, el nivel de contaminación con partículas sólidas y metálicas, la relación de la viscosidad con la temperatura, el contenido de aditivos, el nivel de deterioro del aceite usado, y el nivel de desgaste mecánico de las superficies metálicas que se lubrican. 2. PRUEBAS DE LABORATORIO Los siguientes son los análisis de laboratorio que se le efectúan a los aceites ISO. 1. Viscosidad en cSt/40ºC y cSt/100ºC. Prueba ASTM D445: Define el espesor de la película de lubricante y por lo tanto el grado de protección que le ofrece a los mecanismos lubricados. 2. TAN (Número Acido Total). Prueba ASTM D664: Determina el grado de oxidación del aceite debido a la formación de ácidos corrosivos y deterioro de los aditivos antioxidantes. 3. Contenido de Agua. Prueba ASTM D95: Indica la cantidad de agua presente en el aceite en % por volumen. 4. Contenido de partículas sólidas, Norma ISO 4406: partículas mayores ó iguales a 4, 6 y a 14 micras. 5.Régimen de desgaste por espectrofotometría de absorción atómica a la cantidad de partículas en el aceite por desgaste de los mecanismos y de los aditivos metálicos del aceite.

CONTACTO

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Cra 65 No 74- 75 Bodega 176 Multicentro Ca ribe, Medellín, Colombia PBX (57)4-444 01 85 pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com / www.pedroalbarracinaguillon.com

[10]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

TRIBOLOGÍA Por: Pedro Albarracin Aguillón Ingeniero Mecánico Universidad de Antioquia pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com Tribos Ingenieria SAS Marzo de 2014 Medellín – Colombia

INTRODUCCION “El hombre a lo largo de toda su historia ha sido impotente para controlar el desgaste de todo lo que le rodea, aún el de su propio envejecimiento como resultado del proceso biológico de degradación de sus células, sin embargo, a pesar de esta impotencia ante las cuestiones del universo llegará el día en que el desgaste ya no será un problema y su propia supervivencia estará asegurada por períodos de tiempo más prolongados, porque habrá desarrollado las tecnologías adecuadas para controlarlo eficientemente y aún más, para que desaparezca como una de sus grandes amenazas. La Tribología en ese momento habrá evolucionado hasta niveles tales que hará parte del diario convivir del hombre y será una de sus herramientas fundamentales para enfrentar los nuevos retos que en ese momento tendrá”. Pedro Albarracín Aguillon La Tribología es quizás la ciencia de mayor trascendencia en la actualidad y lo será aún más en el futuro en la medida en que el hombre necesite ser más productivo, ya que sin su aplicabilidad resultaría casi imposible la supervivencia de los seres vivos en la tierra. El movimiento generado por fuentes energéticas cualquiera que sea su origen (viento, ríos, olas del mar, tempestades, descargas eléctricas, terremotos, etc), le ha permitido al hombre evolucionar desde períodos tan antiguos como la Edad de Piedra hasta la era de la conquista del espacio. Una tempestad con descargas eléctricas fue precisamente el comienzo del desarrollo del hombre primitivo, porque fue ese fenómeno físico de la naturaleza el que le permitió conocer el fuego al prenderse de manera accidental unas ramas secas, o quizás una pila de carbón, y de ahí en adelante, a pesar de los miles de años que aún transcurrieron, hasta que él aprendiera a generarlo, le permitieron encontrar su verdadero camino que lo han conducido hasta los tiempos modernos y hacia niveles que hoy en día son insospechados para quienes hemos tenido la fortuna de habitar nuestro planeta. La Tribología se considera una ciencia interdisciplinaria que conjuga toda una serie de elementos importantes en el diseño, fabricación y operación de las máquinas como la fricción, naturaleza de los materiales, rugosidad, desgaste, lubricación, consumo de energía y medio ambiente. La Tribología no es una ciencia nueva, si se considera como punto de partida los años 1950, sin embargo parece que lo fuera, a pesar de que la mayoría de los aspectos relacionados con ella se utilizan a diario y surgieron desde el momento en que el hombre empezó a tener conciencia de que tenía la capacidad de pensar y de seguir evolucionando por sus propios medios. La Tribología en la actualidad en la temática de las máquinas, tiene como objetivo lograr la vida disponible (Vd) de los diferentes mecanismos

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

sometidos a fricción, lo que conlleva a que existe una correlación muy estrecha entre Tribología y Confiabilidad, ya que ambas propenden mediante el estudio, desarrollo e implementación de procesos a que la vida disponible especificada por los fabricantes de las máquinas se logre en la práctica. RECUENTO HISTORICO DE LA TRIBOLOGIA Al estudiar el tema de la Tribología es imposible dejar de lado las diferentes etapas por las que pasó el hombre primitivo, ya que éstas señalan el momento preciso en que la Tribología influyó en su evolución hasta niveles insospechados que en el futuro lo pueden llevar a su propia destrucción si la sigue utilizando para diseñar y fabricar cada día nuevas y sofisticadas armas y no para el desarrollo de tecnologías que le mejoren su nivel de vida, controlen ó reduzcan el calentamiento global ó le permitan resolver el grave problema de las enfermedades de hoy y de los siglos venideros. El Hombre Prehistórico Con base en estudios arqueológicos (teoría de la evolución del hombre) recientes se cree que la tierra se originó hace unos cinco mil millones de años y que la vida se inició hace unos tres mil millones de años en forma de bacterias y de microorganismos los cuales evolucionaron dando lugar a las plantas de las cuales surgieron las lombrices que finalmente se transformaron en peces vertebrados y reptiles, de este último grupo, los más importantes fueron los dinosaurios que dominaron a los otros seres vivos durante más de cincuenta millones de años. Posteriormente vinieron los mamíferos de variadas especies de una de las cuales descendió el hombre prehistórico. La evolución de los homínidos se considera que comenzó hace doce millones y medio de años pero para los propósitos del análisis tribológico que se pretende hacer, el desarrollo del hombre se analizará desde el año un millón AC (Antes de Cristo) ya que a partir de este período aparece el Homo Sapiens como consecuencia de un proceso evolutivo que se inició a partir del Ramapithecus, Australopithecus, Homo Erectus, Hombre de Neardenthal y el Hombre de Cromagnon. La característica relevante del hombre prehistórico sobre los demás animales fue el tamaño del cerebro que pasó de 450 cm3 en el Australopitecus hace tres millones de años a 900 cm3 en el Homo Erectus hace un millón y medio de años; la evolución del cerebro le permitió al hombre prehistórico desarrollar la habilidad para hacer utensilios de piedra y cazar, lo cual a su vez condujo a que el cerebro siguiera evolucionando hasta llegar a 1400 cm3 en el Homo Sapiens, tamaño que sigue siendo igual en el hombre actual.

[11]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Cronología de la Tribología en el desarrollo del hombre Sería imposible y probablemente inútil tratar de especificar con alguna precisión la fecha exacta en que ocurrieron los más importantes desarrollos tribológicos en tiempos prehistóricos porque la mayoría de ellos requirieron de miles de años para que se presentaran, por lo tanto se va a hacer una cronología de la Tribología con base en los hallazgos de famosos arqueólogos teniendo en cuenta los diferentes períodos de la Edad de Piedra como el Paleolítico, Mesolítico y Neolítico. Términos como la Edad de Piedra, Bronce, Hierro, Vapor, Petróleo y Nuclear se usan para denotar períodos significativos del desarrollo del hombre a través de su historia; reflejan su esfuerzo y progreso por utilizar y controlar el medio aunque en un buen número de casos no le ha sido posible. -

Edad de Piedra (1’000.000 – 3.500 AC)

Se llama Edad de Piedra porque el material que más utilizó el hombre primitivo fue la piedra aunque la madera también ocupaba un lugar de privilegio. Se considera que la Edad de Piedra se inició en el año 1`000.000 AC y terminó en el 3500 AC y se divide en los períodos Paleolítico, Mesolítico y Neolítico. En el período Paleolítico y Mesolítico el hombre se desarrolló muy poco si se consideran los años transcurridos, pero usó el fuego y aprendió a generarlo, siendo este hecho el más importante en toda su historia, ya que fue la base fundamental que le permitió seguir avanzando rápidamente hasta llegar al productivo período Neolítico y de allí a los tiempos modernos. -

Período Paleolítico ó Antigua Edad de Piedra (1’000.000 - 11.000 años AC) Se caracterizó por la ocurrencia del Pleistoceno ó gran era glacial; las temperaturas tan bajas que se presentaron hicieron que las capas de hielo del Artico se extendieran sobre Europa, Canadá y los Estados Unidos. Los períodos de glaciación más importantes en el período Paleolítico datan de los años 600.000, 400.000, 200.000 y 50.000 AC. Al final del último período de glaciación al derretirse la capa de hielo se elevó el nivel del agua en los océanos y se formaron los lagos y los ríos en Europa y en Norteamérica. En la era glacial de los años 200.000 el Homo Sapiens estaba disperso sobre las partes habitables de la tierra, encontrándose el Pitecántropos en Java, el Sinantropus en China, el Atlantropus en Argelia, el Heilderbur Swascombe en Inglaterra, el Fontechevade en Francia y el Neardenthal en Alemanía. Estas criaturas de la era glacial descubrieron el fuego, año 600.000 AC, se familiarizaron con él y luego de cientos de años de estarlo utilizando lo aprendieron a generar, año 200.000 AC, lo cual les permitió alcanzar un importante nivel de desarrollo. Durante el período Paleolítico el hombre primitivo tuvo una vida nómada y su única preocupación era la consecución de los alimentos, los cuales en su mayoría eran frutas silvestres y restos de animales medio devorados por otros animales salvajes muy superiores a él en destreza y fortaleza como los leones, tigres, rinocerontes, etc. La falta de herramientas, armas, utensilios, etc, hicieron del hombre primitivo una criatura cuya única diferencia con los animales era su capacidad de pensar pero sin la posibilidad de un futuro ya que su único presente era sobrevivir. Hacia los años 500.000 AC el Homo Sapiens se protegía del frío utilizando el fuego que provenía de la lava de las erupciones volcánicas, de los incendios causados al caer un rayo sobre la hierba seca ó cuando un filón de carbón ó un resumadero (charco) de petróleo se inflamaba por combustión espontánea; sin el calor del fuego al hombre del Paleolítico le hubiera sido imposible sobrevivir en las regiones nórdicas. El Homo Sapiens utilizó el fuego para expulsar de las cavernas a los animales salvajes como los osos, los tigres dientes de sable y las hienas gigantes con el fin de empezarlas a habitar, representando así el fuego un elemento esencial de supervivencia. Causa impresión imaginarse al Homo Sapiens llevándose el fuego en sus desplazamientos (antes de aprender a generarlo) y manteniéndolo de manera permanente, quizás lo hacía transportando brazas encendidas ó mediante antorchas de combustión lenta a base de petróleo crudo. Los hallazgos recientes de grandes cantidades de ceniza cuya altura puede llegar hasta los 7 metros, en cavernas como la de Choukoutien en China, hace pensar que el Homo Sapiens, no dejaba apagar el fuego que conseguía

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

con gran esfuerzo, ó como resultado de grandes y feroces batallas con otros grupos de hombres nómadas. Fácilmente una hoguera podía durar 100 ó más años sin dejarla apagar, y eran cientos de hombres y mujeres quienes tenían esta responsabilidad. A pesar de los grandes adelantos en la utilización del fuego, el Homo Sapiens tardó mucho en aprender a encender el fuego a voluntad, como resultado de un proceso analítico ó experimental; todo apunta a que fue más bien fruto del azar al observar las chispas que surgían al golpear un piedra con otra. Según los arqueólogos, el Homo Sapiens aprendió el arte de generar el fuego hacía los años 200.000 AC, al hacer girar entre sus manos, de manera vertical, una vara entre unas ramas secas, las cuales al cabo de un determinado tiempo se prendían. Es por esta época cuando el Homo Sapiens descubre el arte de la cocción (al comerse la carne de un animal muerto por el fuego) y empieza a “cocinar” la carne de los animales que cazaba, la cual no sólo era más apetitosa y blanda sino que también le proporcionaba otros nutrientes como grasas y proteínas que le daban un mayor nivel de energía. Entre los animales que mataban los primitivos cazadores figuran los elefantes, rinocerontes, caballos y venados; los arpones hechos de hueso hacían que la pesca fuera muy abundante. La cocción de los alimentos influyó en el cambio de la apariencia física del Homo Sapiens, destacándose la disminución del tamaño de sus dientes, el acortamiento de su mandíbula y la disminución de la estructura maciza de los huesos del cráneo. Otros usos importantes que el Homo Sapiens le dio al fuego fue el de endurecer con él los huesos y la ornamenta de los ciervos para utilizarlos como armas y herramientas más eficientes, el de quemar las puntas de las lanzas hechas de madera para mejorar su nivel de penetración y el de cazar los animales prendiéndole fuego a los bosques ó al lugar donde se encontraban con el fin de darles muerte mediante la utilización de lanzas, garrotes y hachas de piedra una vez que estos salían espantados por el fuego. El fuego para el Homo Sapiens del período Paleolítico fue definitivamente el elemento vital que lo condujo a vivir en comunidades y a conformar el núcleo familiar, le permitió prolongar su jornada diaria una vez que caía la noche ya que junto al calor de la hoguera podía fabricar sus armas, herramientas, cocer los alimentos, comerlos, protegerse de las fieras, dormir y quizás el aspecto más importante y definitivo en su evolución fue el de desarrollar el lenguaje al tener tiempo de ocio disponible al final de su jornada diaria de caza. Juan Bautista Vicon, un filósofo del siglo XVIII describe al hombre del Periodo Paleolítico como: “déspota, salvaje, violento, feroz, capaz de sobrevivir solo mediante la imposición de una obediencia absoluta“. - Período Mesolítico (11.000 – 5.500 años AC) En este período debido a la utilización cada vez más eficiente del fuego comenzó un proceso de asentamiento humano más estable lo cual le permitió al hombre empezar a intercambiar conocimientos que conllevaron entre otras cosas al mejoramiento de los materiales que utilizaba en la fabricación de herramientas y armas. El avance tribológico más importante en este período fue el surgimiento del arte de hacer vasijas para cocinar los alimentos; este período al igual que el del Paleolítico se conocen como los del salvajismo debido al almacenamiento de alimentos por parte del hombre primitivo aunque ya empezaba a cultivarse la tierra de una manera rudimentaria. - Período Neolítico ó Nueva Edad de Piedra (5.500 – 3.500 años AC) La actividad más relevante del hombre en este período se caracteriza porque cambia su condición de cazador por la de agricultor ó productor de alimentos, lo cual lo conduce a la necesidad de tener que desarrollar procesos que le permitan fabricar nuevos ó mejores elementos para cultivar la tierra. Los comienzos de este período se conocen como los de la barbarie debido a la producción de alimentos y el final como el de la civilización, porque fue prácticamente el eslabón entre el primitivismo del hombre y el comienzo de su verdadero desarrollo. La agricultura permitió que la población humana aumentara unas 16 veces entre el año 8.000 y el 4.000 AC. En el período Neolítico al tener el hombre primitivo resuelto el problema de la consecución de alimentos por ser cultivador, se

[12]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

inicia un proceso cultural de grandes proporciones que conlleva al comienzo del comercio y a la construcción de viviendas más permanentes y seguras; se fabrican aunque de manera rudimentaria canastas, vasijas, artesanías, textiles, esculturas y herramientas para la agricultura. Se desarrollan procesos tribológicos de gran importancia entre los cuales vale la pena destacar el prensado, el forjado y los primeros intentos del hombre por utilizar el movimiento rotacional aunque de manera intermitente en los primeros taladros y posteriormente, en el alba de la civilización, en los procesos de perforación, excavación y en la fabricación de vasijas. La construcción de nuevas y mejores viviendas dio origen a la necesidad de tener que utilizar puertas que en lugar de tenerlas que quitar y colocar todos los días, pudieran oscilar alrededor de un punto fijo, fue así como se les añadió a las puertas en uno de sus costados un eje de madera que oscilaba en la parte inferior en una cavidad ó cuenca practicada (ó buscada deliberadamente por el hombre primitivo) en un trozo de madera ó de piedra y en la superior pendía de una cinta de cuero amarrada al techo de la vivienda.

Amarillo. Posteriormente surgieron otras civilizaciones como las de Pakistán, Guatemala, Honduras y México en América Central y Perú en Sur América; ciertas similitudes entre las culturas de Sumeria, Egipto y la India hacen presumir que hubo intercambio de conocimientos y por el contrario, las diferencias tan marcadas entre las civilizaciones del viejo mundo y América permiten asegurar que su desarrollo fue independiente y demasiado lento en lo que toca a América. -

En la civilización Sumeria las clases sociales estaban constituidas por el rey y los sacerdotes que eran los dueños absolutos de la tierra y por los artesanos, campesinos y esclavos que no poseían nada. Sumeria fue conquistada por los acadios en el año 2350 AC formándose así el primer imperio entre el Golfo Pérsico y el Mar Mediterráneo; este imperio cayó en poder de los Guti en el año 2270 AC y en el año 1750 AC. Hammurabi reconquistó el imperio y colocó a Babilonia como su capital; más tarde hacia el año 750 AC, los sirios se tomaron el poder y cambiaron la capital por Nínive. Los sirios fundamentaron su poder con base en el terror, así, si una ciudad les oponía resistencia, después de que era capturada, sus habitantes, hombres, mujeres y niños eran degollados y sus jefes torturados, desollados vivos y clavados en estacas y luego de que la ciudad era saqueada, la quemaban. Posteriormente en el año 612 AC los caldeos bajo el mando de Nabucodonosor destruyeron a Nínive y Babilonia volvió a ser de nuevo la capital del imperio. En el año 539 AC el imperio babilónico fue conquistado por los persas al mando de Ciro, quien además conquistó Irán, Libia y el noroeste de la India; más tarde Cambises hijo de Ciro le anexó Egipto al imperio haciendo de éste el más extenso hasta el momento. En el año 330 AC los griegos al mando de Alejandro Magno conquistaron a Persia terminando finalmente en el año 200 AC todo vestigio de la civilización sumeria.

La puerta oscilante trajo consigo verdaderos procesos tribológicos en los que aparece quizás por primera vez el desgaste como uno de los graves problemas a resolver y al cual el hombre primitivo le dedicó buena parte de su tiempo para analizarlo y controlarlo. Esto queda ampliamente demostrado por los hallazgos de cavidades de piedra utilizadas como soporte del eje vertical de la puerta y a su vez como “bisagra”, recubierta con cobre ó bronce y en las cuales aparecen rastros de aceites y grasas de origen animal para reducir el desgaste y eliminar los “chirridos” molestos al abrir y cerrar las puertas. El período Neolítico termina como resultado de los grandes avances científicos en el campo experimental que alcanzó el hombre primitivo que lo dejaron en una posición tal que las máquinas que empezaría a fabricar de ahí en adelante le permitirían disponer de más tiempo de ocio facilitándole el crecimiento en los campos espiritual, social, intelectual y tecnológico. •

-

El período Neolítico termina como resultado de la organización del hombre en diversos grupos con clases políticas, sociales y tecnológicas muy bien definidas; a estos grupos se les conoce como civilizaciones primitivas y su período de formación se dio entre los años 3.500 al 1.500 AC. Las civilizaciones primitivas desaparecieron al ser reemplazadas por otras superiores a ellas pero fueron el pilar del hombre moderno, de un gran ingenio, con capacidades científicas y de destrucción asombrosas, que dejan atrás a aquel Homo Erectus de poco razonamiento y de manera de comportarse muy parecida al de su inmediato antepasado el gorila. Durante el período de las civilizaciones primitivas se presentó la Edad de Bronce (aleaciones de cobre y estaño) en el año 2500 AC y la Edad de Hierro en el 1400 AC.

TRIBOS revista técnica vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Egipto La civilización de Egipto se formó hacia el año 3000 AC cuando Menes unió el Alto y Bajo Egipto y colocó de capital a Menfis; las clases sociales estaban constituidas por el faraón, sacerdotes, escribas, artesanos, campesinos y esclavos. Los egipcios inventaron el cálculo y el primer sistema de pesas y medidas, lograron grandes avances en geometría, en medicina, en embalsamamiento de cadáveres y en los procesos de irrigación para la agricultura; el estudio de los astros los condujo a dividir el año en 12 meses de 30 días y cinco días adicionales festivos. Hasta el año 1750 reinó la paz cuando finalmente cayó en manos de los Hicsos que era un pueblo portador de caballos y de armas de hierro. Entre los años 1550 a 1150 AC el país fue próspero pero entró en decadencia y fue invadido sucesivamente por los asirios, persas, griegos, romanos, árabes y turcos hasta que finalmente en el año 30 AC esta civilización desapareció con el suicidio de Cleopatra.

Civilizaciones primitivas

La agricultura propició el surgimiento de las primeras civilizaciones debido a que el hombre comenzó a agruparse y a vivir en los sitios cercanos a los grandes centros de producción de alimentos, los cuales a su vez estaban localizados junto a ríos caudalosos y de fácil navegabilidad que aseguraban el suministro de agua y el transporte de los alimentos a otras poblaciones. Las civilizaciones primitivas más importantes fueron la Sumeria al sur de Mesopotamia entre los ríos Tigris y Eufrates, la de Egipto en el rio Nilo, la de Harappa y Mahenjo en el río Indo de la India, y la de China en las riberas del río Huang Ho ó río

Sumeria

-

India La civilización del valle del Indo se dio en el período comprendido entre el año 2500 y el 1500 AC. A la India se le debe la semilla de melón, el algodón, el arroz, el azúcar de caña, la cría de caballos, búfalos, asnos, camellos, pollos, el ajedrez, el descubrimiento del cero, el sistema decimal, el álgebra y la trigonometría.

5000 personas

Alrededor de de habla hispana reciben nuestra publicación bimensualmente. Al pautar con nosotros usted y su empresa se asegurarán de que este público objetivo registre su información

www.pedroalbarracinaguillon.com www.ingenierosdelubricaciopn.com. [13]


REVISTA -

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

La civilización China comenzó en el año 1500 AC con la dinastía Shang y fue sucedida por la Chou en el año 1027 AC, la cual gobernó hasta el año 256 AC. Durante esta dinastía tuvo gran auge la alfarería, la industria de la seda, se desarrolló el lenguaje escrito y se utilizó el bronce. Del año 256 al 206 AC gobernó la dinastía Chin en la cual se construyeron carreteras, canales de irrigación y la Gran Muralla China de 2.000 kilómetros de extensión en el norte de China. La última dinastía fue la Han entre los años 206 al 220 DC que se caracterizó por la posesión de la tierra en manos de unos pocos. Durante este período surgieron inventos muy importantes como la tinta, el papel, la imprenta, el compás, el sismógrafo, la brújula, la acupuntura y la pólvora. -

Edad Media Después del Imperio Romano vino un período conocido como el Mediavo ó Edad Media, el cual demarcó claramente los tiempos antiguos de los modernos y duró desde el año 400 hasta el 1500 DC; en este período el hombre se preocupó más por las letras y por la filosofía, que por la tecnología a pesar de los grandes inventos que en él se presentaron.

Grecia La civilización griega se caracterizó por su interés en la filosofía, política, literatura y ciencia. Entre los personajes griegos más importantes está Pitágoras por sus contribuciones a la geometría; Aristóteles (384-322 AC) por sus estudios sobre la fricción en los cuales concluyó que la fuerza de fricción era menor en los objetos redondos que en los planos; estas teorías se tomaron como base para el diseño de los primeros cojinetes y demuestra como los filósofos y científicos griegos estaban comenzando a pensar en aspectos importantes de la Tribología; Arquímedes (287-212 AC), un matemático de Siracusa, fue quizás el más grande exponente de la mecánica y uno de los más sobresalientes matemáticos de todos los tiempos; entre las máquinas más importantes que diseñó está el tornillo helicoidal para subir agua; Ctesibius (300-230 AC) escribió el primer trabajo sobre neumática, inventó la bomba de fuego, la catapulta y mejoró el reloj de agua; Philo, escribió sobre neumática e inventó los dispositivos de nivel constante y los sifones; Hero, mostró la forma de determinar la distancia entre Alejandría y Roma observando el mismo eclipse lunar desde los dos lugares, utilizó el aire caliente y el vapor en un gran número de invenciones como la pila de viento, la cual ha sido descrita como el primer intento por fabricar una turbina a reacción.

-

y los utilizaron en plataformas giratorias, montadas algunas veces en la proa de los barcos para seguir el desplazamiento del sol durante el día y otras para girar estatuas. Los cojinetes lisos ó collares de bronce lubricados con grasas de tipo animal y vegetal, se utilizaron en los carros de guerra, lo cual les permitía alcanzar mayores velocidades con menores esfuerzos, construyeron cojinetes con ranuras axiales las cuales servían como depósitos de lubricante.

China

Roma Roma fue fundada en el año 743 AC en la parte central de Italia; los romanos lucharon y consecuentemente conquistaron a sus vecinos, pero ellos en lugar de hacer el tradicional papel de conquistadores, permitieron que sus enemigos pudieran acceder a la ciudadanía romana. Hacia el año 250 AC, los romanos habían capturado todas las ciudades griegas en el sur de Italia y habían expulsado a los Cartaginenses de Sicilia. Cartago era una ciudad tres veces más grande que Roma y fue arrasada por los romanos en el año 146 AC. Las conquistas romanas hicieron que se conformara el Imperio Romano que estuvo vigente desde el año 475 AC hasta el año 400 DC. Roma durante más de 700 años conquistó, dominó e impuso sus ideas a instituciones económicas y políticas del mundo conocido. Una vez que el Imperio Romano entró en decadencia la unidad política alrededor de Roma desapareció y surgieron infinidad de reinos y territorios en manos de nobles y señores y la iglesia católica se convirtió en una fuerza hegemónica hasta bien avanzada la sociedad medieval. Los romanos fueron grandes ingenieros preocupados por el control del desgaste, lo cual queda demostrado por el uso de la herradura de hierro para reducir el desgaste de la pezuña de los caballos y por la utilización de pequeños clavos de hierro para disminuir el desgaste en la suela de los zapatos. Los romanos diseñaron y fabricaron los primeros rodamientos de bolas y de rodillos cilíndricos y cónicos

TRIBOS revista técnica vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

La Edad Media se caracterizó por el predominio de la economía agrícola basada en el trabajo de hombres semilibres llamados siervos; se dividió en: - -

-

Temprana Edad Media: comprendida desde las invasiones bárbaras hasta la disolución del Imperio Carolingio con la muerte de Carlo Magno entre el año 400 hasta el 900 DC. Alta Edad Media: comprendida desde el año 900 hasta el 1400 DC; se caracterizó por la crisis del orden feudal y el surgimiento de la burguesía. Entre los acontecimientos más importantes durante este período figuran la explotación del hierro que dio lugar a la fabricación de hachas, ruedas, armas, herraduras, cuchillos, clavos, ejes, abrazaderas de metal y muelles, propició el desarrollo de la alfarería, la fabricación de telares y los carruajes con muelles. Se empezaron a utilizar los carros tirados por 4 caballos alineados en una sola fila los cuales podían movilizar 4,5 toneladas a una velocidad de 8 km/hr; se desarrolló la tintorería para teñir telas y el pergamino que se obtenía de la piel de varios animales y que se utilizaba desde los tiempos de los griegos y romanos, y empezó a ser reemplazado por el papel. Baja Edad Media: comprendida desde el año 1400 hasta el 1500 DC; se caracterizó por el predominio de los comerciantes y mercaderes, se sustituyó el arado de madera por el de hierro, se empleó el estiércol como abono, se promovió la utilización de la fuerza mecánica proveniente de los molinos movidos por el agua y el viento debido a la reducida disponibilidad de la fuerza humana particularmente como resultado de la extensión del cristianismo y la abolición de la esclavitud y de otros factores como la muerte negra la cual redujo la población de las islas británicas en un 25% en tan solo dos años; la vida cotidiana en los monasterios estimuló el desarrollo del reloj mecánico y propició la reproducción de escritos por la disponibilidad de tiempo de los monjes; apareció la imprenta como resultado de la necesidad de difundir el conocimiento y por la disponibilidad del papel. Durante la Edad Media se presentó en general una regresión en el uso de los cojinetes lisos de hierro y de bronce debido a su costo como resultado del material utilizado y del trabajo extra que estaba involucrado en su fabricación, utilizándose por lo tanto este tipo de cojinetes lisos solamente en las máquinas sometidas a altas cargas ó cuyo valor de adquisición fuera excesivamente alto, en las demás aplicaciones los cojinetes lisos se fabricaron de madera ó de piedra y se prohibió el uso de las ruedas de hierro para los carruajes debido a que dañaban los caminos, a pesar de que se les colocaban clavos planos en la periferia.

5000 personas

Alrededor de de habla hispana reciben nuestra publicación bimensualmente. Al pautar con nosotros usted y su empresa se asegurarán de que este público objetivo registre su información

www.pedroalbarracinaguillon.com www.ingenierosdelubricaciopn.com. [14]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Las máquinas de la Edad Media se lubricaron en su totalidad con aceites vegetales como el de oliva y grasas animales; el aceite mineral ó petróleo crudo, sólo se utilizaba como combustible para la preparación de alimentos, ungüentos y cosméticos. El origen de la palabra “oil” para referirse al petróleo puede haber tenido su origen del latín, “oleum”, del griego, “elaia” ó del semítico “ulu”. En el siglo XIII se utilizaron en múltiples aplicaciones los aceites de colza y de amapola. •

Vinci y de Guillaume Amontons con la realización de una serie de experimentos entre superficies madera-madera y madera-hierro y encontraron que el coeficiente de fricción entre dichas superficies estaba comprendido entre 0,2 - 0,6 si no se lubricaban, y de 0,2 cuando se utilizaba agua como lubricante. •

Al final del Renacimiento surgieron empresas con gran capacidad de producción como resultado del aporte de grandes capitales que permitieron la disponibilidad de fuentes de energía como el carbón y la fabricación de nuevas máquinas que suplían las necesidades de la industria y los requerimientos de mano de obra en exceso. A partir de 1750 Inglaterra inicia la Revolución Industrial la cual le permite mantenerse como la primera potencia mundial hasta 1850, logrando desarrollos muy importantes entre otros en la industria textil la cual aún hoy en día continua siendo famosa por sus paños, la naval donde uno de los grandes aportes fue el barco de vapor de Fulton en 1807, la carbonífera que en 1845 alcanzó una producción de 62 millones de toneladas de carbón versus 90 millones de producción mundial y la de los ferrocarriles que en 1850 llegó a tener más de 10.000 km de vía férrea y donde se utilizaba el motor a vapor de Watt y la locomotora de Stephenson.

Renacimiento La Edad Media termina como resultado del surgimiento del Renacimiento, entre los años 1500 y 1600 DC, en el cual Isaac Newton (1643 – 1727), descubrió la ley de la gravitación universal y Leonardo Da Vinci (1452-1519) hizo aportes importantes en la hidráulica con la desecación y regulación de corrientes de agua, en el diseño de máquinas de guerra y “voladoras” y en las teorías relacionadas con la fricción en las cuales estudió el comportamiento de dos superficies metálicas cuando deslizan la una con respecto a la otra sin la utilización de un lubricante y cuando una película de éste es aplicada entre ellas. Leonardo Da Vinci presentó por primera vez y con una intuición impresionante el concepto del coeficiente de fricción como la relación entre la fuerza de fricción y la carga normal (primera ley de la fricción); observó que la resistencia de la fricción dependía de la naturaleza de las superficies en contacto y que las superficies lisas tenían un coeficiente de fricción aproximadamente igual a 0,25 veces su peso independientemente del tipo de material. Adicionalmente planteó que la fuerza de fricción dependía del área real de contacto y no del área aparente (segunda ley de la fricción), la cual es aplicable hoy en día en aquellos mecanismos en los cuales la condición de lubricación es Elastohidrodinámica ó EHL. Leonardo Da Vinci, afirmó que la cantidad de desgaste en un rodamiento (este mecanismo fue inventado por los romanos) dependía de la carga aplicada y que la garganta formada por el desgaste en un eje horizontal no necesariamente era vertical sino que se presentaba en la dirección del vector resultante de la carga aplicada. Propuso la utilización de un material de baja fricción constituido por tres partes de cobre y siete de estaño, este material fue la antesala del material inventado por Isaac Babbit en 1839 y que hoy lleva su nombre. Antes del material propuesto por Leonardo Da Vinci, los materiales sometidos a rozamiento en las máquinas eran madera-madera, hierro-hierro ó hierro-bronce. Un diseño muy interesante que se le atribuye a Leonardo Da Vinci pero que en realidad fue de un asistente suyo de nombre Giulia y de origen alemán, fue el de soportar cada uno de los extremos de un eje en dos rodillos cilíndricos dispuestos a 90° de tal manera que el eje giraba sobre ellos lográndose reducir considerablemente la fricción. Leonardo Da Vinci estudió en detalle el movimiento de una superficie plana sobre otra separadas por rodillos ó esferas y notó que el movimiento era mucho más fácil si los elementos rodantes estaban separados por jaulas ó separadores, ya que según él, de no contar con este elemento el movimiento era más difícil ya que las esferas ó los rodillos al girar en una dirección y entrar en contacto se oponían al giro el uno con respecto al otro, originándose de esta manera un movimiento errático, con el consecuente desgaste e incremento en el consumo de energía. El diseño de los rodamientos actuales concuerda con las observaciones de Leonardo Da Vinci; sus teorías científicas sobre los elementos de apoyo para ejes no sólo estuvieron basadas en la utilización de rodamientos sino también en cojinetes lisos fabricados con materiales de bajos coeficientes de fricción como el cobre y el estaño. En el año de 1699 Guillaume Amontons cuestionó la teoría de Leonardo Da Vinci, acerca del valor del coeficiente de fricción y afirmó que éste era igual a 0,25 para los materiales que se utilizaban en la Edad Media y en el Renacimiento en la fabricación de cojinetes lisos, pero que para otros materiales era diferente. En 1964 Bowden y Tabor corroboraron las teorías de Leonardo Da

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Revolución Industrial

Durante la Revolución Industrial se utilizó como energía motriz el viento, agua y vapor, se investigó científicamente por primera vez en Alemania, Rusia, Francia e Inglaterra sobre la fricción y el desgaste; se desarrollaron empíricamente aceites y grasas de origen animal y vegetal para ser utilizados en las máquinas. En 1883 Nikolai Petrov en Rusia y Beauchamp Tower en Inglaterra desarrollaron la teoría de la lubricación fluida ó hidrodinámica mediante el estudio de la viscosidad y el flujo de líquidos a través de tuberías. Desde 1850 a 1925 la lubricación estuvo dominada por el uso de lubricantes minerales (aceites derivados del petróleo sin aditivos). •

Expansión del Capitalismo Industrial El período comprendido entre 1850 y 1914 se conoce como el de la Expansión del Capitalismo Industrial debido a que Inglaterra perdió el liderazgo que tenía como consecuencia de la participación en el proceso industrial de otros países como Francia, Italia, Alemania, Rusia, Estados Unidos y Japón; éste último comenzó a modernizarse en 1870 y en 1900 alcanzó el nivel tecnológico de occidente. Entre los acontecimientos más importantes durante este período se encuentran el desarrollo de la industria química y la siderúrgica, el invento del convertidor Bessemer en 1856 y el Horno Martin Siemens en 1864 para la producción de acero llegando a 74 millones de toneladas en 1913, la construcción en 1900 de la máquina de vapor alimentada con carbón y la producción mundial en ese año de más de 1000 toneladas de carbón. Una vez terminado el periodo de la Expansión del Capitalismo Industrial en 1914, se presentaron otros acontecimientos científicos mucho más importantes que los anteriores como el descubrimiento de la teoría de la Relatividad por Albert Einstein en 1916, que permitió el desarrollo de la energía nuclear y la construcción de la bomba atómica, la colocación en órbita alrededor de la tierra en 1957 del Sputnik soviético, el viaje tripulado a la luna en 1962 por el Apolo 11 norteamericano, la era nuclear, el desarrollo de los computadores y de la informática y otros grandes inventos que alejan al hombre moderno cada vez más de su inmediato antecesor el Homo Erectus. Los procesos tecnológicos y su elevado nivel de desarrollo hicieron posible que mejorara notablemente el nivel de vida de los habitantes de las naciones civilizadas, pero igualmente las llevó a enfrentarse en dos grandes guerras mundiales, la primera entre 1914 y 1918 y la segunda entre 1939 y 1945. Estas dos guerras generaron mucha tecnología al igual que muerte y destrucción; cabe preguntarse, si vale la pena que el hombre moderno escudriñe en el conocimiento si en un momento dado lo utiliza para destruir la tierra que habita quedando ésta solo como una reseña histórica en el Universo.

[15]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Nuestro equipo ha trabajado arduamente en la actualización de la próxima edición del libro: TRIBOLOGÍA Y LUBRICACIÓN Por: Pedro Albarracín Aguillón

ESTARÁ DISPONIBLE A PARTIR DE MAYO DE 2014 SERÁ UN HONOR PARA NOSOTROS QUE NUESTRO LIBRO FORME PARTE DE SU LIBRERÍA DE CONSULTA TÉCNICA

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[16]


TRIBOS

REVISTA

REVISTA TÉCNICA

VIDA DE LAS MAQUINAS Por: Pedro Albarracin Aguillón Ingeniero Mecánico Universidad de Antioquia pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com Tribos Ingenieria SAS Marzo de 2014 Medellín – Colombia

INTRODUCCION Entre los investigadores en el campo de los fenómenos relacionados con el desgaste de los componentes de máquinas, de comienzos del siglo XX, siempre existió la inquietud de la estrecha relación entre la fricción, la lubricación y el desgaste, por lo que formaron la palabra Tribología a partir de dos raíces griegas Tribos (fricción) y Logos (estudio) que en español significa estudio ó tratado de la fricción. La palabra Tribología apareció por primera vez a comienzos de los años 60’s en el diccionario de la Universidad de Oxford de Inglaterra, sin embargo, aún hoy en día, en los comienzos de un nuevo milenio, para no pocas personas es difícil acostumbrarse a esta palabra y menos aún, poner en práctica sus principios fundamentales. Ver Figura 1.

TRIBOLOGÍA Fricción

Desgaste

Lubricacion

Figura 1 La Tribología involucra la fricción que conlleva al Desgaste, el cual es controlado con la lubricación El concepto de Tribología, lo utilizó por primera vez a nivel mundial con fines técnico-económicos el Ministerio de Educación y Ciencias de la Gran Bretaña, el 9 de marzo de 1966 cuando diseñó un plan de trabajo basado en el estudio de la fricción para reducir el desgaste y el consumo de energía en las máquinas especialmente en el sector automotriz, por ser el de mayor incidencia económica sobre un alto porcentaje de la población inglesa. De ahí en adelante como resultado de los grandes beneficios económicos obtenidos, la Tribología se empezó a utilizar para incrementar la productividad de los procesos industriales, lo cual trajo consigo una considerable reducción en los costos de mantenimiento, y consumo de energía por fricción. En la actualidad la competitividad de los países más avanzados tecnológicamente y las crisis económicas en los países pobres han incentivado el estudio de la Tribología tanto en las Universidades y fábricas como a través de programas gubernamentales y agrupaciones de ingenieros que han conformado las Asociaciones de Ingenieros Tribológicos y en algunos casos las Cámaras de Tribología donde sobresalen países como Gran Bretaña, Japón, Estados Unidos, Alemania, Cuba, la Unión Soviética y Argentina, entre otros.

cuales se pierden grandes capitales por efecto del exceso de fricción, el desgaste anormal y la lubricación incorrecta; se pueden citar casos como el estudio realizado en los Estados Unidos en el año 2004 por un grupo de expertos en Tribología en el cual concluyeron que la cantidad de energía que se perdió durante ese año en ese país por efecto de la fuerza de fricción en el sector automotriz y en las máquinas industriales, fue equivalente a la que se necesitaría para cubrir las necesidades del alumbrado, calefacción y refrigeración en la ciudad de Nueva York durante el mismo período de tiempo. Toda acción de los seres vivos ó de la naturaleza está enmarcado dentro de un sistema tribológico que puede ser positivo ó negativo según que reduzca al máximo la fricción ó la propicie. El hombre necesita controlar la fricción para minimizar el desgaste y el consumo de energía y poder lograr de esta manera procesos que le sean rentables a pesar de que en acciones cotidianas como caminar, recoger un objeto, abrir un libro, frenar un vehículo ó hacer que el tren se pueda desplazar sobre los rieles se requiere la existencia de una fricción deliberada y en las cuales la ausencia absoluta de ella, impediría llevarlas a cabo. El desarrollo tecnológico, relacionado con las máquinas, a lo largo de su proceso histórico, ha tenido como premisa fundamental reducir al máximo la fricción, cualquiera que sea ella, con la finalidad de lograr una mayor durabilidad de los mecanismos en operación, reducir el consumo de energía y proteger el ambiente. Se debe tener muy en cuenta que quien adquiere una máquina lo hace con fines lucrativos, ya sea desde el punto de vista de explotación (compresor, reductor de velocidad, etc) ó de bienestar (nevera, lavadora, automóvil, etc) de tal manera que la inversión realizada produzca los beneficios esperados; en otras palabras, los componentes de la máquina deben alcanzar la vida disponible (Vd) especificada por el fabricante, y ésta sólo se podrá lograr si dicha vida se involucra dentro de un Sistema Tribológico (ST) positivo, en donde el protagonista principal, para que este objetivo se logre es el dueño de la máquina. Se debe dar por hecho, que el fabricante la construyó de acuerdo con un diseño óptimo y con materiales que garanticen la vida disponible (Vd) calculada y especificada por él; el usuario debe enmarcar la máquina dentro de programas de mantenimiento predictivo (análisis de aceite, termografía, y vibraciones), y una operación que se ajuste a su diseño. Se puede decir que se tiene implementado un sistema tribológico positivo en una empresa cuando al menos el 95% de los componentes de las máquinas alcanzan la vida disponible (Vd). La vida disponible (Vd) es inferior a la de diseño ó a la fatiga, y superior en muchos casos a la vida esperada (Ve), obtenida. La Tribología ha tenido gran despliegue y desarrollo en la industria mundial, porque ha logrado incidir positivamente en los aspectos técnico-económicos relacionados con el incremento de la durabilidad y confiabilidad de los componentes de las máquinas.

La necesidad de utilizar la Tribología como una herramienta verdaderamente productiva se observa en aquellos casos en los

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[17]


TRIBOS

REVISTA

REVISTA TÉCNICA

400 300

Desgaste 200 total [Fe ppm] 100

La Confiabilidad de las máquinas se basa en el logro de la Vida Disponible (Vd), de sus diferentes mecanismos sometidos a fricción; se puede afirmar que una máquina es confiable, si esta se logra, por lo tanto la meta, en la explotación rentable de una máquina, es conocer por parte del fabricante de la máquina, la Vida Disponible (Vd), de los diferentes mecanismos sometidos a fricción, dato que debe suministrar el fabricante en el momento de adquirirla la empresa, y luego, desde el mismo montaje, involucrarla dentro de un proceso tribológico, en el cual todos los parámetros que estén involucrados en la Vida Disponible (Vd),deben estar de acuerdo a los lineamientos del fabricante de la máquina. Los procesos a tener en cuenta son: diseño, fabricación, selección, montaje, fricción, lubricación, desgaste, mantenimiento y repuestos. Ver Figura 2.

Repuestos Confiabilidad Mantenimiento

Desgaste

Diseño

Fabricación

Tribología

Tendencia al desgaste 50 ppm

0

2000

8000

24000

40000

56000

72000

Vida del mecanismo [ horas ]

Figura 3 Curva tribológica de los dos rodamientos de una bomba centrífuga DESARROLLO DE LA CURVA TRIBOLOGICA El fabricante de una máquina para desarrollar la Curva Tribológica, de los diferentes mecanismos, en este caso de un reductor de velocidad de un par de engranajes, tiene en cuenta los siguientes aspectos: -

- -

vida disponible

Vida disponible 64000 horas

50 0

El concepto de vida esperada (Ve), de los mecanismos sometidos a fricción de las máquinas, se basa en las condiciones operacionales reales bajo las cuales van a ser sometidos, las temperaturas de operación, el espesor de la película lubricante, la corrosividad del lubricante y el tipo de contaminantes que pueden estar presentes en el lubricante tales como el calor, agua, gases y partículas sólidas y metálicas.

CURVA DE VIDA CONFIABLE Envejecimiento moral

La vida disponible (Vd), de los mecanismos sometidos a fricción de las máquinas, se define como el número de horas que podrán alcanzar, garantizando una producción continua, con bajos costos por mantenimiento preventivo y consumo de energía por fricción. La vida disponible (Vd) se basa en los parámetros que el fabricante tuvo en cuenta durante el diseño mecánico de los componentes como cargas, velocidades, temperatura, medio ambiente, materiales utilizados, rugosidad de las superficies de fricción, y el tipo de proceso industrial en el cual va a trabajar. La vida disponible (Vd) es inferior a la Vida al a fatiga.

especifica una Vida Disponible (Vd) de 64000 horas, con una tendencia al desgaste de 50 ppm de hierro (Fe), cada vez que se cambie el aceite. Ver Figura 3.

Asentamiento

VIDA DISPONIBLE (Vd) DE LOS MECANISMOS SOMETIDOS A FRICCION

-

Selección

Pérdida total de cada material del mecanismo en gramos, para condiciones de desgaste normal, hasta que las tolerancias alcancen el valor máximo permisible, y la película lubricante pierda su capacidad de lubricar y de refrigerar. Lo primero que se pierde es la capacidad de refrigerar, ya que el lubricante no tiene el tiempo suficiente en la zona de fricción del mecanismo, para absorber por diseño, la cantidad de calor generado por la fricción y el proceso, dando como resultado, la disminución del espesor de la película lubricante (ho), y que el desgaste por fatiga superficial se acelere y se presente finalmente el degaste adhesivo. Cálculo del tiempo en horas de operación, del mecanismo, hasta que se alcance la pérdida total de material en gramos. Cálculo de la cantidad total de desgaste de cada material del mecanismo, de gramos a partes por millón (ppm). Distribución de la cantidad total de desgaste en ppm, a lo largo de la Vida Disponible (Vd), y teniendo como cantidad máxima permisible, o tendencia al desgaste, la cantidad en ppm, que se presenta cada vez que se cambia el aceite recomendado, por vida de servicio.

TENDENCIA AL DESGASTE Lubricación

Montaje Fricción

Figura 2 Procesos a tener en cuenta para el logro de la Vida Disponible (Vd) de los mecanismos de las máquinas CURVA TRIBOLOGICA La Curva Tribológica de los mecanismos de una máquina es muy similar a la curva de la bañera de Davis (referida a las diferentes etapas en las que pueden fallar los componentes de las máquinas) y se conoce también como la curva de desgaste normal, la cual es única para cada uno de los metales que están presentes en cada mecanismo. La presencia de cada metal en el aceite se evalúa en el laboratorio por espectroscopia de absorción atómica, en partes por millón (ppm), y la cantidad, en el momento de cambiar el aceite, debe estar acorde con la tendencia al desgaste normal, especificada por el fabricante de máquina. La Curva Tribológica tiene tres etapas fundamentales que son: - - -

Improductiva ó asentamiento del mecanismo. Productiva ó Vida Disponible (Vd). Final ó vida remanente (envejecimiento moral).

Supóngase como mecanismos, los dos rodamientos rígidos de bolas de apoyo del eje de una bomba centrífuga, lubricados por anillo y con depósito de aceite común para los dos, para los cuales el fabricante

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

La Tendencia al Desgaste de un mecanismo, es lo que se espera que se presente, en ppm, de cada uno de los metales que conforman un mecanismo, cada vez que se cambie el aceite por vida de servicio. Para lograr la tendencia al desgaste de los mecanismos de la máquina, en ppm, el fabricante debe especificar, lo siguiente, en el catálogo de mantenimiento: - - - - - -

Propiedades físico-químicas, según pruebas ASTM, del aceite a utilizar. Rango de la temperatura ambiente y de la temperatura de operación, en ºC o ºF, para las cuales fue calculado el aceite. Curva Viscosidad- Temperatura del aceite recomendado, según ASTM D341. Nivel de limpieza del aceite recomendado, según ISO 4406-99. Valores de vibración Normal y Corte (Peligro). Tendencia al desgaste, para cada material del mecanismo, en ppm.

El aceite recomendado se cambia por oxidación, de acuerdo al valor del TAN o Número Acido Total, ASTM D664, considerando que las demás propiedades físico-químicas y nivel de contaminación están dentro de los rangos establecidos; y cuando esto ocurra, la tendencia al desgaste para cada material del mecanismo debe estar dentro del rango especificado por el fabricante, de lo contrario, si es mayor, se debe investigar la causa del problema, que puede ser por una lubricación defectuosa, falta de refrigeración o por sobrecargas operacionales o mecánicas, que conllevan al aumento de la Fuerza de Fricción (Ff) y por lo tanto a la temperatura de operación. Esta condición conlleva a

[18]


TRIBOS

REVISTA

REVISTA TÉCNICA

que la Vida Disponible (Vd), se termine mucho antes que en el tiempo presupuestado. Ver Figura 4.

si se le aplicara la carga dinámica normal de trabajo de 100 kgf la presión sería igual a 2 kgf/cm2, sobrepasando posiblemente la de diseño y en la curva esfuerzo-deformación de los materiales, cuando el mecanismo se ponga en movimiento ó la lubricación sea del tipo EHL y las irregularidades de las superficies interactúen, es factible que el punto de trabajo quede localizado en la zona plástica del material, dando lugar a la fractura de las crestas y al inicio de micro grietas internas que se irán propagando hasta destruir las superficies de fricción y por lo tanto el mecanismo. Si el mecanismo que se va a asentar son los engranajes de un reductor de velocidad, la recomendación es trabajarlo en vacío (acoplado solamente a la fuente motriz) por lo menos 48 horas, al cabo de las cuales se le puede ir incrementando la carga hasta normalizar las condiciones de operación.

Desgaste total [Fe ppm]

50

0

Asentamiento

TENDENCIA AL DESGASTE TOTAL

Vida disponible

Este puede ser el caso de un reductor de velocidad, constituido por cuatro rodamientos rígidos de bolas, y por un par de engranajes cilíndricos de dientes rectos, para el cual el fabricante especifica una Vida Disponible (Vd) de 200.000 horas de operación con una tendencia al desgaste, cada vez que se cambie el aceite, por TAN máximo permisible, de 50 ppm de hierro (Fe); pero que al cambiar el aceite, se encuentran 75 ppm de hierro, lo cual quiere decir que hay un problema grave dentro del reductor de velocidad, que va a conducir a que la Vida Disponible (Vd) se consuma antes de tiempo y que por lo tanto no se logren las 200.000 horas que el fabricante especificó en el momento de adquirirlo.

- Propiciar un desgaste erosivo anormal entre las crestas de las rugosidades de las dos superficies. Se debe utilizar un aceite de un grado ISO de viscosidad mayor que el especificado por el fabricante del mecanismo. En este caso las capas de aceite en exceso entran forzadas entre las crestas que se mueven la una con respecto a la otra, remueven la película límite que se encuentra adherida a ellas y las irán desgastando lentamente por erosión hasta que la rugosidad promedio de las dos superficies llegue a su valor normal. El exceso de viscosidad acelerará el asentamiento del mecanismo, sin embargo si hay suficiente tiempo para esta temprana etapa de la vida del mecanismo, éste se podrá llevar a cabo con el aceite recomendado por el fabricante de la máquina, ya que de todas maneras al ser el mecanismo nuevo las tolerancias son menores como resultado de las crestas más sobresalientes. El empleo de un aceite de menor viscosidad propiciará un desgaste adhesivo anormal entre las crestas de las rugosidades con la desventaja de que al soldarse, se fracturarán generando grietas internas que se propagarán y destruirán las superficies de fricción del mecanismo.

ETAPA IMPRODUCTIVA O ASENTAMIENTO DEL MECANISMO

-

0

CA

8000 CA

16000 CA

24000 CA

32000 CA

Cambio de aceite cada 8000 horas Figura 4 Tendencia al Desgaste de 50 ppm de un mecanismo

El asentamiento ó despegue de las superficies de un mecanismo sometidas a fricción, es la etapa más importante en la vida del mecanismo y de ella dependerá que alcance su Vida Disponible (Vd) ó que ésta se vea reducida considerablemente. Se presenta en las primeras horas de operación del mecanismo y el tiempo de duración varía de acuerdo con el tipo de mecanismo, los materiales utilizados, la rugosidad de las superficies sometidas a fricción, la clase de lubricante utilizado y la operación del equipo rotativo. Durante el proceso de mecanizado de las superficies de fricción de un mecanismo nuevo es prácticamente imposible garantizar que las crestas que componen su rugosidad serán uniformes, por lo que habrá necesidad de eliminar intencionalmente y de manera controlada las más sobresalientes cuando las rugosidades se muevan la una con respecto a la otra. En la curva tribológica aparecerá un elevado desgaste durante las primeras horas de operación de dicho mecanismo; está situación es normal y el desgaste irá disminuyendo en la medida que las crestas más sobresalientes se vayan puliendo. Las partículas metálicas que se desprenden se deben evacuar, ya se a cambiando el aceite o filtrándolo (más recomendable esta opción por costos) del mecanismo lubricado ya que de lo contrario darán lugar a que se presente un desgaste abrasivo y erosivo anormal, los cuales disminuirán considerablemente la Vida Disponible (Vd) de dicho mecanismo. Para obtener un correcto asentamiento de las rugosidades de las superficies del mecanismo nuevo es necesario tener en cuenta los siguientes aspectos: -

No aplicar la carga dinámica (Wd) normal de trabajo, sino la mínima posible: En la Etapa de Asentamiento, el área real de trabajo sólo estará constituida por las crestas de mayor tamaño. Esta situación es más crítica si la lubricación del mecanismo es del tipo EHL. La presión que actúa sobre la superficie de trabajo es igual a la fuerza sobre el área, así por ejemplo si se tiene una carga dinámica de 100 kgf y un área real de soporte de carga de 100 cm2, se tendrá una presión igual a 1 kgf/cm2, si el mecanismo está nuevo el área será mucho menor; supóngase 50 cm2, lo que daría como resultado que

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Si el sistema de lubricación del mecanismo es por salpique. El aceite se debe filtrar continuamente con un equipo móvil de filtración, ó en su defecto cambiarlo cada 500 horas de operación continua, con el fin de eliminar las partículas metálicas que se van desprendiendo durante el proceso de asentamiento. En caso de que sea necesario cambiar el aceite porque no es factible filtrarlo, se debe ir almacenando hasta que se tenga la cantidad suficiente para filtrarlo, previo análisis de laboratorio según las pruebas ASTM, con el fin de corroborar sus propiedades físico-químicas.

- Si el sistema de lubricación es por circulación. Es necesario hacerle seguimiento a la caída de presión en los filtros, y si está es aproximadamente de 15 psig, se deben cambiar. Si es factible realizarle Conteo de Partículas al aceite según la Norma ISO 4406-99, es conveniente hacerlo con el fin de hallar la relación de filtración (βx) y la eficiencia del filtro (℮), los cuales serán un buen complemento al dato de la caída de presión. - Análisis del contenido de metales en el aceite, por espectroscopia de Absorción Atómica. Hacerle al aceite cada 500 horas un análisis del contenido de metales en partes por millón (ppm) para determinar en qué momento se estabiliza el desgaste adhesivo y erosivo del mecanismo y se da por terminada la etapa de asentamiento. Esto ocurre cuando el contenido de metales en el aceite coincide con la Tendencia Normal al Desgaste. El análisis del desgaste se puede complementar con el chequeo de la temperatura de operación del mecanismo, ya que ésta irá disminuyendo hasta estabilizarse en el valor de la temperatura de operación de diseño especificada por el fabricante del equipo rotativo, en la medida en que las crestas se vayan puliendo. Cuando finalmente las rugosidades de las superficies sometidas a fricción se asientan, la tendencia al desgaste se estabiliza en el valor especificado por el fabricante, y permanece aproximadamente constante durante la etapa productiva ó Vida Disponible (Vd) del mecanismo. Ver Figura 5 y Figura 6. En resumen, la Etapa de Asentamiento Normal, de un mecanismo se logra, teniendo en cuenta los siguientes aspectos:

[19]


TRIBOS

REVISTA

300

Desgaste 200 total [Fe ppm] 100

ASENTAMIENTO DE LAS SUPERFICIES DE FRICCIÓN DEL MECANISMO NUEVO 250

Desgaste máximo 220 ppm

200

50

0 Material sobrante

Etapa de asentamiento

Desgaste ppm 100

n

Vida disponible

Figura 5 La rugosidad de las superficies de fricción de los mecanismos nuevos es irregular y es necesario someterlas a un proceso de “pulimiento”

Superficie 2

Alta temperatura

Estado Final Superficie 2

Temperatura normal Película lubricante

Material a remover Superficie 1

0

2000

8000

24000

40000

56000

72000

Vida del mecanismo [ horas ]

Figura 7 La Curva de Vida Confiable se obtiene cuando el mecanismo a lo largo de su Vida Disponible (Vd) se desgasta de acuerdo con la Tendencia Normal al Desgaste

Vida del mecanismo

Estado Inicial

Tendencia al desgaste 50 ppm

Superficie 1

Tendencia al desgaste 50 ppm

0

Vida disponible 64000 horas

50

Superficie 2

150

CURVA DE VIDA CONFIABLE Envejecimiento moral

400

Asentamiento

REVISTA TÉCNICA

Trabajar la máquina en vacío (desacoplada). Utilizar un aceite ISO de mayor viscosidad. Chequear la temperatura de operación (Top), hasta que se normalice. Cambiar ó filtrar el aceite cada 500 horas de operación.

Superficie 1

Figura 6 La etapa de asentamiento termina cuando el contenido de metales en el aceite sea igual al de la Tendencia Normal al Desgaste ETAPA PRODUCTIVA O VIDA DISPONIBLE (Vd) DEL MECANISMO Esta etapa es la más importante en la vida del mecanismo y presenta un nivel de desgaste que permanece aproximadamente constante (Tendencia Normal al Desgaste) a lo largo de su período de explotación y que aún con los lubricantes y procesos de filtración disponibles en la actualidad no llega a ser cero, debido a: - Desgaste adhesivo normal en los mecanismos, el momento de la puesta en marcha y parada de equipo rotativo como resultado del desgaste de la película límite, al interactuar las rugosidades. - Desgaste erosivo y abrasivo normal debido a las partículas sólidas y metálicas de tamaño submicrométrico presentes en el aceite nuevo y “limpio”. - Desgaste por fatiga superficial normal, debido a la variación de la viscosidad del aceite con la temperatura de operación (Indice de Viscosidad o IV). La tendencia al desgaste se evalúa para cada uno de los metales que constituyen el mecanismo y ésta dependerá de las condiciones de operación del equipo rotativo, del tipo de aceite utilizado (mineral ó sintético), del índice de viscosidad (IV) del aceite y de la eficiencia del proceso de filtración que se le tenga implementado al aceite. La frecuencia de cambio del aceite la determina el análisis a sus propiedades físico – químicas, según las pruebas ASTM, y cuando el TAN llegue al valor máximo permisible, el contenido de metales presentes en el aceite, en ppm, deberá ser aproximadamente igual a la Tendencia Norma al Desgaste, especificada por el fabricante de la máquina, para cada uno de dichos metales. Ver Figura 7.

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Los factores que más inciden para que el mecanismo alcance su Vida Disponible (Vd), para que sea mayor ó para que ésta se reduzca considerablemente son: carga, viscosidad, temperatura de operación, oxidación, agua, y contaminación (Ver Factores que afectan la Vida Disponible). El contenido de metales en ppm presentes en el aceite se analiza por espectroscopia de absorción atómica, y se lleva a cabo cada vez que el aceite se cambia; la cantidad de partículas metálicas debe ser aproximadamente igual a la Tendencia Normal al Desgaste del mecanismo, si es menor es un buen síntoma de que el mecanismo está trabajando dentro de los estándares especificados por el fabricante, y si es mayor, es porque algo anormal está sucediendo, y se deben investigar las causas que están conllevando a que se presente esta situación. CURVA TRIBOLOGICA POSITIVA DE UN MECANISMO La Curva Tribológica Positiva de un mecanismo se proyecta por debajo de la curva de la Tendencia Normal al Desgaste especificada por el fabricante y se presenta cuando en su lubricación se utiliza un aceite, que por lo regular es sintético con un IV mayor que el que se ha venido utilizando, se mantiene el aceite con un código ISO 440699 de limpieza mayor que el especificado para el tipo de mecanismo lubricado, el rango de la temperatura de operación real está dentro del valor mínimo y máximo permisible y las vibraciones están por debajo o máximo igual al valor Normal especificado para ese mecanismo. Esta curva es de alta productividad y aumenta la confiabilidad de la máquina; no es fácil de obtener en la práctica porque se requiere un alto nivel de conocimientos por parte del personal de mantenimiento en los temas de la lubricación, filtración, termografía y vibraciones, y de su aplicabilidad por parte de ellos. Ver Figura 8.

CURVA DE VIDA POSITIVA 400

Vida disponible 64000 horas

300 Desgaste total [Fe ppm]

200 100 50 0

Asentamiento

- - - -

0

Tendencia al desgaste 50 ppm 2000

8000

24000

40000

56000

72000

Vida del mecanismo [ horas ]

Figura 8 Curva Tribológica Positiva de un mecanismo

[20]


TRIBOS

REVISTA

REVISTA TÉCNICA

CURVA TRIBOLOGICA NEGATIVA DE UN MECANISMO

ETAPA FINAL O REMANENTE DEL MECANISMO

La Curva Tribológica Negativa de un mecanismo se proyecta por encima de la Curva de la Tendencia Normal al Desgaste especificada por el fabricante y se presenta por múltiples causas, siendo las siguientes las más comunes:

Una vez que se ha alcanzado la Vida Disponible (Vd) del mecanismo, la curva de desgaste se vuelve ascendente y el análisis del contenido de metales en ppm entre cambios del aceite va mostrando una rata de crecimiento exponencial lo cual es un claro indicio de que la Vida Disponible (Vd) del mecanismo está llegando a su fin. En esta etapa es muy importante conocer con mucha aproximación cuando se debe parar el equipo rotativo para cambiarle dicho mecanismo, ya que si se hace a destiempo se desaprovecharía parte de su vida residual generando costos de mantenimiento y pérdidas de producción y por el contrario si se sobrepasa el tiempo máximo que puede trabajar el mecanismo dentro de los estándares de confiabilidad establecidos, se podría producir su falla catastrófica con graves consecuencias para el sistema productivo de la empresa.

- - - -

Asentamiento incorrecto de las rugosidades. Operación incorrecta del mecanismo. Lubricación, procesos de filtración y de refrigeración defectuosos. Valores de vibración por encima del valor Normal, ocasionados por sobrecargas debidas a desalineamiento, desbalanceo, etc.

La Curva Tribológica Negativa es muy fácil que se presente en la práctica y da lugar a que el mecanismo lubricado se tenga que cambiar mucho antes de la terminación de su Vida Disponible (Vd), generando altos costos de mantenimiento. Una vez que se detecta que la tendencia al desgaste del mecanismo es anormal se pueden hacer algunos correctivos para normalizarla siendo los más importantes los siguientes: - Verificar por vibraciones, si se están presentando sobrecargas sobre los mecanismos y en caso tal eliminar las causas que las están generando. - Utilizar lubricantes sintéticos con altos IV. - Mejorar el nivel de limpieza del aceite, teniendo en cuenta la especificación ISO 4406-99, recomendada por el fabricante de la máquina. - Si la temperatura de operación del mecanismo, medida en la carcasa, es superior a los 50°C, se debe analizar si el calor generado es por exceso de fricción (fluida ó mixta) en el mecanismo en cuyo caso se debe utilizar un aceite con coeficiente de fricción menor. - Considerar la posibilidad de refrigerar el aceite para mantenerlo dentro del rango de los 50°C. Ver Figura 9.

Para determinar con mucha exactitud el momento en que se debe parar la máquina para intervenirla, es necesario utilizar las técnicas anteriormente mencionadas como el monitoreo de la temperatura de operación por termografía, vibraciones, Conteo de Partículas y Ferrografía. Esta última técnica es una de las más importantes ya que conociendo el tamaño de las partículas, su forma y el tipo de material es factible determinar la gravedad y el tipo de desgaste que se está presentando en los mecanismos del equipo rotativo. Ver Figura 10.

Vida disponible: 6400 horas

CURVA DE VIDA NEGATIVA 400

Asentamiento

0

Etapa de falla en cualquier momento

Vida disponible 64000 horas

300 Desgaste 200 total 100 [Fe ppm] 50

Envejecimiento moral

0

Tendencia al desgaste > 50 ppm

2000

8000

24000

40000

Vida del mecanismo [ horas ]

Figura 9 Curva Tribológica Negativa de un mecanismo

TRIBOS revista técnica vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Envejecimiento moral

56000 56000

72000

72000 Horas de operación

Figura 10 Etapa Final o Remanente del mecanismo

5000 personas

Alrededor de de habla hispana reciben nuestra publicación bimensualmente. Al pautar con nosotros usted y su empresa se asegurarán de que este público objetivo registre su información

www.pedroalbarracinaguillon.com www.ingenierosdelubricaciopn.com. [21]


REVISTA

TRIBOS REVISTA Tร‰CNICA

Espacios como este Estan esperando su publicidad

vol 2 Nยบ 1 / enero-febrero / 2014

[22]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

LUBRICACION Y PELICULA LUBRICANTE (ho) Por: Comité Editorial Tribos Ingenieria SAS Marzo de 2014 Medellín – Colombia

INTRODUCCION De acuerdo con las condiciones de operación, cada máquina requiere una lubricación en particular. En una máquina pueden existir mecanismos físicamente iguales, pero que pueden estar sometidos a condiciones de operación diferentes, requiriéndose por lo tanto, lubrican­tes que cumplan con cada caso específico. Los lubricantes seleccionados deben contar con las características físico-químicas ASTM necesarias para su correcto funcionamiento. FACTORES QUE AFECTAN LA LUBRICACION - -

De operación: velocidad, carga, temperatura de operación. De diseño: proyecto, cálculo y fabricación de la máquina, materiales utilizados en la construcción del mecanismo, acabado de las superficies de fricción, y diseño del sistema de aplicación del lubricante.

-

-

le aplica una fina capa de pintura a una superficie metálica. Capa límite de untuosidad 2: está constituida por los ácidos grasos de la base lubricante o por los aditivos de untuosidad que contenga; se superponen de manera polar sobre la capa límite metálica 1, adhiriéndose fuertemente, y el radical libre se yergue de manera linear en sentido contrario a la dirección del movimiento. Capa fluida 3: se puede considerar como la unión de muchas láminas (lubricante mineral), esferas del mismo diámetro (lubricante sintético) o esferas de diferentes diámetros (lubricante vegetal), en movimiento relativo las unas respecto a las otras. Una de estas capas o esferas se adhiere fuertemente la capa límite de untuosidad 2 estática, en cada una de las superficies de fricción, y las demás deslizan o ruedan entre sí, según el tipo de lubricante, dando origen a la fricción mixta permanente y a la película mixta, en el caso de la lubricación EHL, o a la fricción fluida y a la película fluida cuando la lubricación es HD, las cuales se hacen de mayor espesor conforme aumentan la velocidad y la viscosidad del aceite, y por el contrario se hacen más delgadas en la medida que estos parámetros disminuyen. Ver Figura 1.

La lubricación es la interposición entre dos superficies metálicas que se encuentran en movimiento relativo la una con respecto a la otra, de una sustancia con unas propiedades especificas, conocida con el nombre de lubricante, que sea capaz de formar una película límite con los aditivos metálicos (AW o EP) que tenga y una película fluida que separe las superficies, amortiguando el efecto de la carga dinámica para controlar el desgaste por fatiga superficial y reduciendo el contacto metal-metal. Adicionalmente debe reducir el consumo de energía y el calor generado por fricción, el ruido, y el impacto negativo sobre el ambiente cuando finalmente se deseche, como resultado de su proceso de oxidación normal. Sin el empleo del lubricante adecuado, las superficies metálicas de los mecanismos lubricados se soldarían, dejando inservible la máquina y convirtiéndola en chatarra en unos cuantos minutos. Cuando las superficies son lubricadas la única fricción que se debe presentar es entre las capas del lubricante, así la lubricación sea del tipo HD ó EHL. Un mecanismo puede quedar bien ó mal lubricado, dependiendo de factores tales como la viscosidad del aceite utilizado, la cantidad aplicada, el método de lubricación ó la frecuencia entre relubricaciones. Aún hoy en día hay personas que trabajan en el mantenimiento mecánico de las máquinas que piensan que lubricar es “simplemente” aplicar un aceite ó una grasa, y entre mayor sea la cantidad aplicada mucho mejor, lo cual es un grave error.

Figura 1 Elementos que constituyen la película lubricante, ho

PELICULA LUBRICANTE (ho)

CARACTERITICAS DE LA PELICULA LUBRICANTE (ho)

Cuando las dos superficies de fricción de un mecanismo aparentemente lisas, se analizan al microscopio se pueden apreciar una serie de asperezas e irregularidades, que son las que ocasionan la fricción metal-metal y el desgaste adhesivo. La película lubricante (ho) está constituida por tres elementos: capa límite metálica 1, capa límite de untuosidad 2, y la capa fluida.

La eficiencia de la película lubricante (ho) depende de los aditivos metálicos AW o EP, adhesividad o aditivos de untuosidad, y viscosidad del lubricante. Es tan perjudicial una película delgada como una gruesa porque en el primer caso, aún cuando no conlleve a una condición de contacto metal - metal, que propicie el desgaste adhesivo, genera un menor efecto amortiguador sobre la carga dinámica que actúa entre las superficies de fricción, incrementando el desgaste por fatiga superficial; y en el segundo caso, se presenta más generación de calor por un exceso de fricción fluida entre las laminillas (aceite mineral) o esferas (aceite sintético o vegetal), que constituyen la película lubricante; esto igualmente puede conducir a problemas de desgaste por fatiga superficial o a desgaste adhesivo, debido a la pérdida

-

Capa límite metálica 1: está constituida por el aditivo metálico AW (lubricación HD) o EP (lubricación EHL) del lubricante, al reaccionar con las superficies de fricción metálicas del mecanismo. Es de muy poco grosor y prácticamente solo recubre el perfil de la rugosidad, de manera similar a cuando se

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Carga dinámica Wd

Superficie en movimiento

Capa límite metálica 1 Capa límite de untuosidad 2 Capa fluda 3 Capa límite de untuosidad 2 Capa límite metálica 2 Superficie estática

[23]


TRIBOS

REVISTA

REVISTA TÉCNICA

de viscosidad como consecuencia de las mayores temperaturas de operación. El espesor de la película lubricante ho depende de la rugosidad superficial; en superficies con un buen acabado (N6 o menor), una película lubricante fina es suficiente, mientras que en superficies mal acabadas se necesita una película gruesa. Esto particularmente es mucho más importante cuando se tienen condiciones de lubricación EHL, debido a que un acabado superficial fino, junto con un aceite de alto grado ISO (320, 460 o 680), minimizan la condición de fricción mixta y la acercan más a una fricción fluida, a pesar de las condiciones de alto torque y bajas velocidades que se puedan estar presentando. Ver Figura 2(a) y Figura 2(b). Una película lubricante fluida ho insuficiente genera un menor efecto amortiguador al actuar la carga dinámica Wd

-

- Película lubricante mixta transitoria (homixta transitoria): cuando la condición final de lubricación es HD. Su tamaño oscila entre 0,5 y 1 micras. - Película lubricante mixta definitiva (homixta definitiva): cuando la condición final de lubricación es EHL. Su tamaño oscila entre 0,5 y 2 micras.

Una película lubricante fluida ho dentro del rango de trabajo amortigua el efecto de la carga dinámica wd

- Película lubricante fluida ho

Mayores esfuerzos de Hertz

Película lubricante fluida ho

Menores esfuerzos de Hertz

Figura 2 (a) Una película lubricante, ho, fluida menor que el valor mínimo permisible da lugar a un desgaste por fatiga superficial más acelerado En superficies con buen acabado una película fina es suficiente

En superficies mal acabadas se necesita una película gruesa

película de aceite

Capa limite 1: Aditivo metálico

Película lubricante mixta (homixta): está constituida por el aditivo metálico, el aditivo de untuosidad y por una reducida cantidad de lubricante, que da lugar a una película lubricante muy pequeña, que no permite la separación de la totalidad de las crestas de las dos superficies de fricción. Se presenta cuando el mecanismo opera bajo condiciones de bajas velocidades y elevadas cargas dinámicas. Puede ser:

Película fluida (hofluida): está constituida por la superposición de capas laminares (lubricante mineral), esferas del mismo tamaño (lubricante sintético) o esferas de diferente tamaño (lubricante vegetal). Se presenta cuando la lubricación del mecanismo es de tipo HD. Una de las capas o esferas, según el tipo de lubricante, que constituyen la película lubricante (ho), se adhiere fuertemente a los aditivos de untuosidad adheridos a la superficie en movimiento, otra a los que están adheridos a la superficie estacionaria (ó en movimiento según el caso) y las demás se deslizan entre sí como resultado del esfuerzo a la cizalladura que se presenta entre ellas. La estabilidad de la capa lubricante adherida a los aditivos de untuosidad depende del índice de viscosidad (IV) del aceite, el cual si es alto reduce las probabilidades de que el tipo de flujo cambie de laminar a turbulento y que por lo tanto dicha capa lubricante no se desprenda, reduciendo el barrido de los aditivos de untuosidad y de los aditivos metálicos y por lo tanto el desgaste erosivo debido a la fricción fluida que genera el lubricante sobre las rugosidades de las superficies de fricción. Su tamaño escila entre 2 y 5 micras. Ver Figura 3.

película de aceite

Capa limite 2: Ácidos grasos o aditivos de untuosidad

Figura 2 (b) El espesor de la película lubricante, ho, depende de acabado superficial de los mecanismos sometidos a fricción La película lubricante (ho) puede ser: -

Película lubricante límite (holímite): se presenta en el momento de la puesta en marcha de un mecanismo o en el momento en que se detiene, siendo más crítica la primera situación. Está constituida por los aditivos metálicos AW o EP según el tipo de lubricación y por los aditivos de untuosidad. Su tamaño es del orden de 0,1 micras o menos.

TRIBOS revista técnica vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Figura 3 Película lubricante (ho)

5000 personas

Alrededor de de habla hispana reciben nuestra publicación bimensualmente. Al pautar con nosotros usted y su empresa se asegurarán de que este público objetivo registre su información

www.pedroalbarracinaguillon.com www.ingenierosdelubricaciopn.com. [24]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

FALLAS EN MECANISMOS Por: William Stevenson Craig Ingeniero Mecánico Universidad de Veracruz williamsc@polimeros.cl Polímeros Industriales Marzo de 2014 Santiago de Chile – Chile

INTRODUCCION Las fallas en mecanismos lubricados es una condición anormal que se da como resultado de un desgaste crítico y progresivo a través del tiempo o debido a sucesos inesperados que conllevan a que la Fuerza de Fricción, Ff, aumente intempestivamente y de lugar a una condición de contacto metal-metal entre las superficies de fricción, o a cargas dinámicas de tal magnitud que pueden ocasionar la rotura de lo mecanismos. Todo componente mecánico sometido a un contacto deslizante ó rodante está sujeto a algún grado de desgaste, el cual puede variar de un desgaste suave que causa un pulimiento, a un desgaste severo que da lugar a remoción de material con un deterioro de apariencia superficial. Un determinado desgaste constituye una falla si éste afecta el desempeño satisfactorio del componente. TIPOS DE FALLAS Las fallas genéricas en los mecanismos lubricados pueden ser: fractura por fatiga, fractura por sobrecargas, fatiga superficial, flujo plástico, y desgaste.

Figura 1 Falla por fractura por fatiga debido a la aplicación de cargas dinámicas superiores a las de diseño

Falla por fractura por sobrecargas La fractura por sobrecargas se presenta en los dientes de los engranajes debido a cargas de impacto, en cuyo caso se tiene una fractura de apariencia fibrosa y /ó granular. Ver Figura 2.

Falla por fractura por fatiga La fractura por fatiga se presenta por lo regular en los dientes de los engranajes y es causada cuando el número de engranes exceden la resistencia a la fatiga por flexión, debido a que el torque transmitido supera la capacidad a la flexión del material del cual ha sido fabricado el engranaje. En este caso se pueden observar en la fractura los sitios de iniciación, zona de propagación subcrítica de grietas, y zona de fractura súbita final. Las temperaturas de operación superiores a los 50ºC propician esta falla. Ver Figura 1.

Figura 2 Falla por fractura por sobrecarga en los dientes de un engranaje

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[25]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Falla por fatiga superficial La falla por fatiga superficial o pitting, se presenta cuando el espesor de la película lubrícate ho, no es suficiente para amortiguar el efecto de la carga dinámica Wd, sobre la superficie de fricción, conllevando a que los esfuerzos transmitidos sean de mayor intensidad y se formen las fisuras debajo de la superficie de fricción hasta que finalmente aparecen en la superficie formado las grietas, que causan la falla del mecanismo. Este tipo de falla se presenta cuando el factor de seguridad de la película lubricante λ, es menor que el valor mínimo de λ en el rango del tipo de lubricación bajo el cual trabaja el mecanismo y mayor al límite superior de la condición de lubricación inferior. La falla por fatiga superficial, se presenta con mayor intensidad en los mecanismos que trabajan bajo condición de lubricación hidrodinámica y el factor de seguridad de la película lubricante l, se encuentra por debajo del λ mínimo de trabajo; por ejemplo, en el caso de los rodamientos, en el rango de 1,00 < l ≤ 2,50. En este caso, la carga dinámica Wd que actúa sobre los elementos rodantes y pistas del rodamiento, se transmite con mayor intensidad a la superficie de fricción, debido a que hay un menor efecto amortiguador de la película lubricante, ho, conllevando a que se empiecen a generar grietas microscópicas debajo de la superficie de fricción, las cuales se unen entre sí, se propagan y finalmente salen a la superficie de fricción dando lugar a lo que se conoce como “descascarillado” o “descostrado”, acelerando la falla catastrófica del rodamiento. Ver Figura 3(a), Figura 3(b), Figura 3(c), Figura 3(d) y Figura 3(e).

Figura 3(a) Falla por fatiga superficial en un cojinete liso (a) aparecen las fisuras en la superficie de fricción (b) se produce el descostrado o descascarillado de la superficie de fricción

La falla por fatiga superficial, se debe a la disminución del espesor de la película lubricante, ho, y las causas más comunes son: - - - -

- - -

Contaminación del aceite con agua. Inestabilidad del Indice de Viscosidad, IV, del aceite. Bajo Indice de Viscosidad, IV, del aceite. Cambio del aceite mineral, por encima del valor máximo permisible de oxidación (TAN > 1,00 mgr KOH/gr.ac.us., en lubricación hidrodinámica y TAN > 1,50 mgr KOH/gr.ac.us., en lubricación EHL). Uso de un aceite de grado ISO menor que el requerido. Uso de un aceite sin aditivos antidesgaste AW, en lubricación HD o sin aditivos EP o inadecuados en lubricación EHL. Incremento en la temperatura de operación como resultado de: desalineamiento, desbalanceo mecánico, sobrecargas operacionales, falta de enfriamiento, ajuste demasiado forzado u holgura excesiva entre las superficies de fricción.

Figura 3(b) Falla por fatiga superficial en un rodamiento de doble hilera de rodillos cilíndricos

Figura 3(c) Falla por fatiga superficial a los largo de los dientes de un engranaje

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[26]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Figura 3(e) Falla por fatiga superficial en cojinetes lisos de bronce debido a temperaturas de operación superiores a los 80ºC y a cargas de impacto Falla por flujo plástico La Falla por flujo plástico, es un problema que se presenta frecuentemente en los dientes de los engranajes como resultado de cargar el engranaje por encima de la carga de deformación permanente del metal (punto de fluencia) en la zona de contacto. Ver Figura 4. La falla por flujo plástico puede ser debido a: - - - -

Cargas continuas muy elevadas que superan el punto de fluencia del material deformándolo plásticamente. Altas temperaturas de operación. Espesor de la capa endurecida de la superficie de contacto demasiado delgada para resistir las cargas de contacto. Deficiente dureza en el núcleo de los dientes impidiendo el soporte necesario a la capa cementada.

Figura 3(d) Falla por fatiga superficial en el extremo de los dientes de una corona por desalineamiento

Figura 4 Falla por flujo plástico en los dientes de un engranaje Falla por desgaste En este tipo de falla se presentan cuatro modos de desgaste: Falla por desgaste adhesivo Se debe a la pérdida de la película lubricante ho, de manera permanente que conlleva a una condición de contacto metal-metal y a la falla catastrófica del mecanismo. Este tipo de falla es menos frecuente en los mecanismos que trabajan bajo condiciones de lubricación hidrodinámica que en EHL, debido a que el espesor de la película lubricante ho es lo suficientemente grande como para implementar los correctivos que sean necesarios antes de que se presente la falla; no obstante cuando ésta se presenta es de alta intensidad, porque la baja viscosidad del aceite y los aditivos antidesgaste (AW) del lubricante son para una condición de fricción sólida transitoria. Esta falla es más común cuando se tienen condiciones de lubricación EHL, ya que a pesar de que los aceites utilizados son de alta viscosidad y contienen aditivos EP, las cargas dinámicas Wd son muy altas, dando lugar a una mayor generación de calor por lo que la falla por desgaste adhesivo es en el 100% de los casos catastrófica, afectando otros mecanismos, de la máquina. En la secuencia de la falla por desgaste adhesivo, inicialmente, las crestas de las rugosidades sometidas a fricción, aunque tengan la capacidad de deformarse elásticamente no lo pueden hacer debido a que al presentarse el contacto metal - metal, se adhieren y al seguir actuando la carga dinámica Wd transmitida por el mecanismo en movimiento hace que se fracturen dando lugar al desprendimiento de partículas ó fragmentos metálicos de diferentes tamaños; la energía liberada incrementa la temperatura de operación haciendo que cada

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[27]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

vez más crestas entren en contacto metal-metal, hasta que finalmente, la cantidad de puntos soldados de las crestas de las rugosidades es tal que su resistencia es mayor que el torque aplicado y la máquina se “frena” dando lugar a la falla catastrófica del mecanismo, y en muchas ocasiones de otros componentes de la máquina, hasta el punto que es necesario reemplazarla en su totalidad. Ver Figura 5(a), Figura 5(b) y Figura 5(c). La Falla por desgaste adhesivo, se puede presentar en los mecanismos de las máquinas como resultado de: - - - - - -

Presencia de contaminantes en el aceite tales como el agua, gases, combustibles, etc. Bajo a alto nivel de aceite, baja o alta viscosidad y baja o alta presión en sistemas de lubricación por circulación. Temperaturas de operación superiores a las de diseño, haciendo que la viscosidad de operación del lubricante esté por fuera del rango mínimo de trabajo. Sobrecargas por desalineamiento, desbalanceo, etc. En lubricación hidrodinámica por la utilización de un lubricante sin aditivos AW. En lubricación EHL por la utilización de un lubricante con aditivos EP con una menor capacidad de carga (por ejemplo se requiere un EP2 y se utiliza un EP1).

Figura 5(c) Falla por desgaste adhesivo en los dientes de la corona de un reductor sinfín - corona Falla por desgaste erosivo La falla por desgaste erosivo es poco común, y se presenta por taponamiento de conductos de lubricación, debido al material particulado que se origina como resultado de un desgaste erosivo crítico. Ver Figura 6. Esta falla se puede presentar debido a: - Contaminación del lubricante con partículas sólidas, de un tamaño

- -

menor que el espesor de la película lubricante. Uso de un aceite de menor viscosidad o de bajo Indice de Viscosidad. Falta de refrigeración.

Figura 5(a) Falla por desgaste adhesivo debido a desalienamiento del eje de la máquina conductora con respecto a la conducida

Figura 6 Falla por desgaste erosivo en los dientes rectos de un engranaje Falla por desgaste abrasivo

Figura 5(b) Falla por desgaste adhesivo entre el pistón y el cilindro de un compresor alternativo por pérdida de la película lubricante

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

La falla por desgaste abrasivo es poco común, y se presenta por taponamiento de conductos de lubricación, debido al material particulado que se origina como resultado de un desgaste abrasivo crítico.

[28]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Falla por degaste corrosivo

La falla por desgaste corrosivo se puede presentar por:

La falla por desgaste corrosivo es poco común debido a que al monitorear los aceites mediante análisis de laboratorio se puede detectar la presencia de ácidos, lacas y barnices en el aceite, y corregir el problema a tiempo. La falla por desgaste corrosivo cuando se presenta en los materiales ferrosos por la acción del agua se conoce con el nombre de herrumbre, y la propiedad antiherrumbre del aceite se evalúa con la prueba de laboratorio ASTM D665, y en los materiales blancos como el babbit, se denomina corrosión, y la capacidad del aceite para controlarla se evalúa con la prueba ASTM D130, denominada corrosión en lámina de cobre. La falla por desgaste corrosivo es muy frecuente en las coronas de bronce de los reductores sinfín-corona cuando se utilizan en su lubricación aceites con aditivos de Extrema Presión del tipo fósforo, cloro ó azufre y hay presencia de agua en el aceite. La probabilidad de que se presente falla por desgaste corrosivo en los motores de combustión interna es bastante alta debido a que durante el proceso de combustión, se generan una gran cantidad de productos gaseosos como el CO, CO2, H2O, H2S, SO2, H2SO4, óxidos de nitrógeno y de azufre, halógenos, etc, los cuales tienen un carácter muy ácido y en presencia de agua se pueden volver bastante corrosivos hacia los metales. Los motores Diesel son particularmente muy sensibles a la falla por desgaste corrosivo debido a la elevada presencia de azufre en el combustible, el cual durante el proceso de combustión reacciona con el agua que se forma produciendo ácido sulfúrico que ataca los anillos, pistones, paredes del cilindro y cojinetes lisos de apoyo del cigüeñal. Ver Figura 7. En los mecanismos que trabajan bajo cargas vibratorias continuas, se puede presentar la falla por desgaste corrosivo por vibración que causa el desprendimiento de pequeñas partículas como resultado de la rotura de la película lubricante ho y de la presencia de humedad en el ambiente. Este puede ser el caso de los componentes de las zarandas y telares textiles que trabajan bajo cargas vibratorias continuas y en ambientes donde es necesario mantener determinadas condiciones de humedad relativa. En este caso para evitar este tipo de falla es necesario utilizar lubricantes con aditivos de Extrema Presión, siendo los más indicados el grafito ó el bisulfuro de molibdeno.

- - -

Afinidad del vapor de agua de ciertos aditivos EP. Oxidación del aceite por encima del valor máximo permisible de trabajo, ya sea por un uso extensivo del aceite ó por altas temperaturas de operación. Contaminación del aceite con ácidos provenientes del proceso.

Figura 7 Falla por desgaste corrosivo debido a la reacción de los aditivos EP del aceite con agua CONSECUENCIAS DE LAS FALLAS Las más importantes son: - - - -

Mayor consumo de repuestos por incremento del mantenimiento correctivo. Reducción significativa de la producción por paros no programados de la maquinaria. Mayor consumo de energía para realizar la misma cantidad de trabajo útil. Posibilidades de accidentes ante el peligro de roturas de componentes de máquinas.

ANALISIS DE LABORATORIO ASTM A ACEITES SAE DEL MOTOR

1. GENERALIDADES El análisis de laboratorio a los aceites SAE para lubricación del motor Diesel, gasolina o a gas, es una herramienta eficaz que proporciona información sobre las propiedades físico-químicas del aceite, el nivel de contaminación con combustible o refrigerante, el contenido de aditivos, el nivel de deterioro del aceite usado, y el nivel de desgaste mecánico de las superficies metálicas que se lubrican en el motor. 2. PRUEBAS DE LABORATORIO Los siguientes son los análisis de laboratorio que se le efectúan a las muestras de aceite SAE para motores de combustión interna: 1.Viscosidad cSt/40ºC y cSt/100ºC. Prueba ASTM D445: Define el espesor de la película de lubricante y por lo tanto el grado de protección que le ofrece a los mecanismos lubricados. 2.TBN (Número Básico Total), Prueba ASTM D2896: Indica la capacidad que tiene el aceite automotor de neutralizar los ácidos corrosivos generados durante el proceso de combustión del combustible y de mantener limpios los anillos, pistones, cilindros y válvulas del motor. 3.Contenido de combustible y refrigerante en el aceite: se evalúa por infrarrojo. 4.Régimen de desgaste por espectrofotometría de absorción atómica: Determina la concentración de metales por desgaste de los mecanismos lubricados y por la presencia de los aditivos metálicos del aceite.

CONTACTO vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Cra 65 No 74- 75 Bodega 176 Multicentro Ca ribe, Medellín, Colombia PBX (57)4-444 01 85 pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com / www.pedroalbarracinaguillon.com [29]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

LUBRIFILTRADOR MOVIL IL3000B30-110 IL3000B30-275 1. CARACTERISTICAS El LUBRIFILTRADOR MOVIL IL3000B30-110 y el IL3000B30-275 cuentan con un depósito de aceite, en acero inoxidable 304 para 110 y 275 galones de capacidad, respectivamente, que les permite almacenar esta cantidad de aceite y de esta manera filtrarlo de manera independiente de la máquina donde trabaja el aceite. Tienen una bomba de engranajes, calentador de aceite, filtro de succión, filtro primario y secundario, control digital de temperatura e instrumentación, es de fácil operación y mantenimiento, y no requiere de personal especializado para su operación. 2. TIPOS DE ACEITES QUE SE PUEDEN FILTRAR Los siguientes son los aceites que se pueden filtrar con el LUBRIFILTRADOR IL3000B30-110 y con el IL3000B30-275: - Cualquier tipo de aceite industrial y automotriz para engranajes e hidráulicos. - Viscosidad entre un grado ISO 32 y un ISO 320. -Para viscosidades superiores a un grado ISO 320 es necesario precalentar el aceite utilizando un precalentador de aceite tubular o de manta metálica, adicional al del equipo de 6 kw.

CONTACTO

Cra 65 No 74- 75 Bodega 176 Multicentro Ca ribe, Medellín, Colombia PBX (57)4-444 01 85 pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com / www.pedroalbarracinaguillon.com

LUBRIFILTRADOR TI1500B15 El LUBRIFILTRADOR TI1500B15, cuenta con una bomba de engranajes, calentador de aceite, filtro de succión, filtro primario y secundario, control digital de temperatura y con un sistema de control; es de fácil operación y mantenimiento, y no requiere de personal especializado para su operación. Lubrifiltrador TI1500B15

CONTACTO

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Cra 65 No 74- 75 Bodega 176 Multicentro Ca ribe, Medellín, Colombia PBX (57)4-444 01 85 pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com / www.pedroalbarracinaguillon.com

[30]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

SELECCION DEL ACEITE PARA UN TURBOCOMPRESOR Por: Juan Camilo Vélez Sánchez Ingeniero Mecánico Universidad Nacional jcamilosanchez@turbocompresores.com.co Turbocompresores SAS Marzo de 2014, Cartagena – Colombia Marzo de 2014 Santiago de Chile – Chile

INTRODUCCION Me parece muy importante compartir este caso de estudio con los lectores de la Revista Tribos, ya que por lo regular las personas responsables en las empresas industriales de seleccionar el aceite para las máquinas nuevas, no tiene claro todos los requerimientos que es necesario tener en cuenta para que el aceite seleccionado sea el más adecuado para la aplicación requerida. En muchos casos se pasan por alto aspectos muy importantes, que incluso en los catálogos de los fabricantes de los lubricantes no aparecen y por lo tanto es necesario colocarlos en el documento que se le envía a los posibles proveedores del aceite requerido. La falta de información técnica en los catálogos de los fabricantes de lubricantes sumado a la falta de conocimientos del usuario en el tema de lubricación pueden llevar a una mala selección del aceite con graves consecuencias para las máquinas que se van a lubricar y por lo tanto para el sistema productivo de la empresa. El caso que pretendo exponer es el de la selección del aceite para un turbocompresor nuevo, y por lo tanto del proveedor, de la manera más objetiva, teniendo como premisa no dejar pasar por alto algún aspecto técnico importante y teniendo claro que no necesariamente el aceite más costoso o más barato es el mejor. CASO DE ESTUDIO En una planta termoeléctrica, se va a poner en operación un nuevo turbogenerador, y se requiere seleccionar el aceite mineral que se va a utilizar en la lubricación de los cojinetes lisos y de empuje del rotor de la turbina de vapor y del generador. La cantidad de aceite mineral del sistema de lubricación es de 30 tambores de 55 galones. Las especificaciones del aceite mineral recomendado por parte del fabricante del turbogenerador son las siguientes: - - - - - - -

Tipo de aceite: mineral. Viscosidad cSt a 40ºC, ASTM D445: 41,4 – 50,6. Viscosidad cSt a 100ºC, ASTM D445: > 5. Indice de Viscosidad, ASTM D2270: > 100. Punto de inflamación, ºC, ASTM D92: > 220. Corrosión en lámina de cobre, 3 horas a 100ºC, ASTM D130: 1a. Demulsibilidad, 40/40/0 cc de emulsión a 54ºC, ASTM D1401: < 30

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

- - -

minutos. Estabilidad a la espuma, Seq. I, II, III, tendencia ml/ml, al cabo de 5 y 10 minutos. ASTM D892, Seq. I; 10/0 a 75ºF, 20/0 a 200ºF y 10/0 a 75ºF. RPVOT (vida remanente del aceite), minutos, ASTM D2272: mínimo 1500. Nivel de limpieza, ISO 4406-99: 17/16/14.

La empresa invita 5 fabricantes de lubricantes certificados con los estándares internacionales ASTM e ISO. Se requiere seleccionar la marca y el nombre del aceite que cumpla con los parámetros exigidos por el fabricante del turbogenerador y que económicamente y por el valor agregado que ofrezca sea el más rentable para la empresa. SOLUCION La empresa le asigna un porcentaje a los tres aspectos que va a analizar para la selección del proveedor del aceite para el turbogenerador. Tales aspectos son: 1) Aspecto técnico con un porcentaje del 70%. 2) Aspecto económico, con un porcentaje del 20%. 3) Aspecto valor agregado con un porcentaje del 10%. El aspecto técnico es el más importante y por esto se le da un porcentaje del 70%. Aspecto técnico En la evaluación del aspecto técnico, la empresa le asigna un puntaje a cada uno de los parámetros técnicos especificados por el fabricante del turbogenerador y luego una vez que cada uno de los fabricantes de los aceites envíen las respectivas propuestas se hace el análisis técnico comparativo de los aceites propuestos. Si el fabricante del aceite cumple con los parámetros identificados con el número (1), se le asigna un puntaje dependiendo del valor que tenga con respecto al valor especificado por el fabricante del turbogenerador, y si no cumple, se elimina automáticamente con un valor de cero (0) y no se tiene en cuenta como posible proveedor del aceite. Si no cumple con los parámetros que se identifican con el número (2), se le asigna un puntaje de cero en dicho parámetro, pero no se elimina como posible proveedor del aceite mineral. Ver Tabla 1.

[31]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Tabla 1 Selección del aceite con base en el puntaje asignado a cada uno de los parámetros técnicos No

Propiedad físicoquímica

Método ASTM

Valor estándar

Puntaje

01

Viscosidad cSt a 40ºC (1) .

D445

< 41,4 41,4 <45 45 47 > 47 50,6 > 50,6

0 9

<100 100 <220 220

0 15 2 5

D130

1a -1b > 1b

D1401

03

Indice de Viscosidad

04

Punto de inflamación, ºC. (2)

D92

05

Corrosión en lámina de cobre, 3 horas a 100ºC. Demulsibilidad, 40/40/0 cc de emulsión a 54ºC, (1) minutos. Estabilidad a la espuma, Seq. I, II, III, tendencia ml/ml al cabo de 5 y 10 minutos. (1)

(1)

.

D445

D2270

(1)

06 07

08

09

10 11 12

RPVOT (vida remanente (1) del aceite), minutos.

Nivel de limpieza.

D892, Seq. I

D2272

ISO 4406-99

Puntaje con respecto a 100 puntos. Porcentaje del aspecto económico. Puntaje con respecto al 20%.

Fabricante del aceite mineral B C D Aceite B Aceite C Aceite D Valor Ptje Valor Ptje Valor Ptje

9

43,7 46

10

7,6

10

94

0

9

E Aceite E Valor Ptje

10 46

10

46

10

6,8

10

6,9

10

95

0

105

15

9 0 0 10

Viscosidad cSt a 100ºC (1) .

42,4

10

<5 5- 8

02

A Aceite A Valor Ptje

6,2

10

106

10

244

5

230

5 0

1a

5

30 >30 - 50 > 50 10/0, 20/0, 10/0 a 75º/220º/ 75ºf >10/0, >20/0, > 10/0 a 75º/200º/ 75ºF. 1500 1000 <1500 <1000 >500 500 17/16/14

15 10 0 15

20

15

10/0, 20/0, 10/0

15

18/17/15

8

19/18/16

6

0

15 10

6,6

10

108

15

5

224

5

230

5

238

5

1a

5

1a

5

1a

5

1a

5

40

10

20

15

10

15

12

15

10/0, 20/0, 10/0

15

10/0, 20/0, 10/0

15

10/0, 20/0, 10/0

15

1600

15

1900

15

16/15 /12

10

>10/0 >20/0 >10/0

0

1400

10

5 0 10

5

800 300 17/16 /14

0 10

16/15 /14

79 70% 55,3

Los fabricantes de los aceites minerales con cero (0) en alguno de los parámetros (1) no se tienen en cuenta como posibles proveedores del aceite requerido, ya que dichos parámetros son esenciales para garantizar la confiabilidad del turbogenerador. Por lo tanto, en este caso solo se van a tener en cuenta, los fabricantes de aceites C y E.

10

16/15 /13

60 70% 42

99 70% 69,3

10 18/16 /14

8

83 70% 58,1

100 70% 70

Aspecto económico El aspecto económico se va a evaluar teniendo en cuenta un porcentaje del 20% y asignándole un puntaje de 100 puntos al que ofrezca el menor precio y 10 puntos menos al del mayor valor con respecto al anterior. En la Tabla 2 se especifica la propuesta económica de los fabricantes minerales de aceites C y E.

Tabla 2 Propuesta económica de los fabricantes de aceites minerales C y E

No 01 02 03 04 05 06

Parámetro Cantidad de tambores de 55 galones de aceite mineral. Valor unitario por cada tambor de 55 galones de aceite. Valor total el aceite mineral. Puntaje con respecto a 100 puntos. Porcentaje del aspecto económico. Puntaje con respecto al 20%.

Fabricante C Aceite mineral C 30 U$800 U$24.000 100 20% 20

Fabricante E Aceite mineral E 30 U$900 U$27.000 90 20% 18

Aspecto valor agregado En la Tabla 3, se especifica el valor agregado solicitado por la empresa, y el valor agregado ofrecido por los fabricantes de los aceites C y E.

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[32]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Tabla 3 Valor agregado especificado por la empresa y el ofrecido por los fabricantes de aceites C y E

No

Valor agregado

Cantidad

Puntaje

01

Aceite para flushing inicial sin costo adicional. Análisis de laboratorio ASTM e ISO. Asesoría técnica.

330 galones

30

Valor ofrecido 200

12/año 100 horas /año 1650 galones /año

20 20

02 03 04 05 06 07 08

Diálisis-filtración o Filtración del aceite por fuera del nivel de limpieza ISO 4406-99. Capacitación en lubricación. 40 horas/año Puntaje con respecto a 100 puntos. Porcentaje del aspecto valor agregado. Puntaje con respecto al 10%.

C

Puntaje

E

0

Valor ofrecido 330

12 100

20 20

12 100

20 20

25

1650

25

1650

25

5

40

5

40

70 10% 7

Puntaje

100 10% 10

30

5

Tabla 4 Análisis global y selección del proveedor del aceite mineral para el turbogenerador

No

01 02 03 04

Item analizado

Aspecto técnico Aspecto económico Aspecto valor agregado Puntaje total.

Porcentaje

70% 20% 10%

CONCLUSION Por lo tanto el proveedor seleccionado para el aceite mineral del turbogenerador es el fabricante E con 98 puntos con respecto al C con 96,3 puntos. Se espera que el aceite tenga un desempeño igual al especificado por el fabricante del aceite en su propuesta técnicoeconómica y que él cumpla con lo ofrecido en el documento enviado en la licitación. En muchos casos lo ofrecido no se cumple en su

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

C

Fabricante del aceite

Puntaje 69,3 20 7 96,3

E

Puntaje 70 18 10 98

totalidad con el tiempo, por lo tanto es necesario asegurar por medio de pólizas que esto si se cumpla, ya que los planes de producción y de mantenimiento dependen en gran medida del correcto desempeño del aceite. Debemos tener en cuenta las cinco funciones de un lubricante: 1) Lubricar o sea formar correctamente la película lubricante. 2) Reducir la fricción. 3) Refrigerar. 4) Evacuar impurezas. 5) Amortiguar el efecto de la carga dinámica sobre las superficies sometidas a fricción

[33]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

ANÁLISIS DE VIBRACIONES DE MÁQUINAS

CURSO INTERNACIONAL Categoría I - ISO 18436-2

Objetivos

Este curso teórico-práctico está centrado en proveer un comprensivo conocimiento a sus participantes con el objeto que puedan obtener las siguientes capacidades: - Evaluar la severidad vibratoria de las máquinas rotatorias más comunes utilizando normas internacionales. - Aprender a diagnosticar, antes que una falla costosa ocurra, problemas mecánicos y eléctricos comunes en máquinas rotatorias, utilizando el análisis espectral y algunas técnicas complementarias. - Aprender a implementar un programa básico de mantenimiento predictivo.

Marzo

4-7 de 2013

Conferencista: Dr. Ing. Mecánico Pedro Saavedra Gonzalez Chile UNIVERSIDAD DE CONCEPCION Concepción –Chile Departamento de IngenierÍa Mecánica www.dim.udec.cl/lvm Laboratorio de vibraciones mecánicas

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Contacto /

Tribos Ingeniería Teléfono: +57 (4) 444 38 77 Extensión 115, Medellín – Colombia mercadeo@tribosingenieria.com www.pedroalbarracinaguillon.com

TRIBOS

Ingeniería

UdeC

Instituto de Investigaciones Tecnológicas

[34]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

TÉCNICAS DE ANÁLISIS DE VIBRACIONES PARA EL MONITOREO DE LA CONDICION DE CAJAS DE ENGRANAJES Vibration Processing Techniques for Gearboxes Condition Monitoring P. N. Saavedra1 1Universidad de Concepción, Departamento de Ingeniería Mecánica Casilla 150‐C, Concepción, CHILE Email: psaavedr@udec.cl Marzo de 2014 Santiago de Chile – Chile

Resumen El presente trabajo es un análisis del funcionamiento y resultados de las técnicas de análisis de vibraciones más utilizadas para diagnosticar la condición mecánica de cajas de engranajes. El análisis se basa en la aplicación de las técnicas tanto a señales simuladas como a señales experimentales, con el fin de ejemplificar y explicar claramente el funcionamiento de cada una de ellas. Las técnicas estudiadas son: los promedios sincrónicos en el tiempo; la señal residual; el cepstrum; y la demodulación en amplitud y fase. Se presenta un método práctico para calcular el número óptimo de promedios sincrónicos a realizar cuando se conocen las señales asincrónicas a eliminar, también se ejemplifica como un mayor número de promedios no siempre resulta en una mayor atenuación de las componentes asincrónicas. Se destacan los beneficios de llevar la tendencia del valor global de la señal residual cuando se apunta a detectar la aparición de fallas localizadas en los dientes de los engranajes. El cepstrum resulta útil cuando es necesario separar distintas familias de bandas laterales que modulan las componentes a la frecuencia de engrane. La demodulación en amplitud y fase se utiliza para discriminar entre distintas fallas localizadas en dientes de los engranajes, los resultados de aplicar esta técnica resultan ser dependientes de las propiedades del sistema. El trabajo está enfocado a que un ingeniero de terreno, no necesariamente especialista en el análisis de vibraciones provenientes de cajas de engranajes, pueda elegir la técnica adecuada para cada caso en particular, con el conocimiento de las ventajas, desventajas y factibilidad de aplicación de cada técnica. Abstract The present paper is the study of the work and results of the most popular vibration analysis techniques, used to diagnose the mechanical condition of gearboxes. The discussion is based on the application of the techniques to simulated and experimental signals, with the purpose of exemplifying and that the reader understands with clarity the operation of each technique. The studied techniques are the synchronous averages in the time (TSA), the residual signal, the cepstrum and the demodulation in amplitude and phase. A practical method is presented to calculate the optimal number of synchronous averages to perform when the asynchronous signals frequency to eliminate are known, also is exemplified how a greater number of averages not always carry out a greater attenuation of the asynchronous components. The benefits stand out to take the tendency of the global value of the residual signal when the goal is to detect the

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

appearance of local faults in the teeth of the gears. The cepstrum is used when the objective is to identify different side bands’ families around the gear mesh frequencies. The demodulation in amplitude an phase is certainly a good method t discriminate between different localized failures in gears’ teeth, the results of this technique are subjects to the system’s properties. The aim of this paper is to help vibration analyst, not necessarily specialist in the analysis of gearbox vibration, to choose the most suitable technique to be used in each particular case, with the knowledge of the pros, cons and feasibility of application of each processing technique.  Introducción En la actualidad, el mantenimiento predictivo lidera la preferencia de las industrias en cuanto a métodos para prevenir fallas y prolongar la vida útil de los equipos. El mantenimiento predictivo tiene por finalidad reconocer la condición mecánica de las máquinas sin necesidad de detener su funcionamiento. Por medio de distintas técnicas de monitoreo se busca asociar distintos eventos a posibles fallas para así poder intervenir antes de que se genere una falla catastrófica. Los engranajes se encuentran dentro de los elementos mecánicos que presentan más fallas en la industria, es por esto que resulta de gran interés poder diagnosticar inequívocamente su condición mecánica. Las distintas técnicas son las distintas herramientas que permiten extraer la información que se encuentra en la señal vibratoria para conocer con mayor exactitud la condición mecánica de una caja de engranajes. Las más nuevas técnicas de diagnóstico para cajas de engranajes se basan en el análisis de la señal vibratoria medida en la carcasa de la caja de engranajes. El objetivo es detectar la presencia y el tipo de falla en una etapa incipiente de su desarrollo y monitorear su evolución, y de esta forma estimar la vida residual de la máquina y elegir el plan de mantenimiento adecuado. Es bien sabido que las componentes más importantes del espectro de las vibraciones son la frecuencia de engrane y sus armónicos, junto con las bandas laterales generadas por el fenómeno de la modulación. El aumento en el número y amplitud de las bandas laterales puede indicar una condición de falla. La amplitud de las componentes indicará la magnitud de la falla mientras que el número de armónicos indicará la naturaleza de la misma. Por otro lado el espaciamiento entre los armónicos de las bandas laterales está relacionado al origen de la falla [1]. El análisis espectral puede no ayudar a detectar fallas en engranajes en un estado incipiente, sobre todo en casos de fallas localizadas, las que afectan principalmente las bandas laterales; de hecho, puede ser muy difícil evaluar el espaciamiento y evolución de familias de bandas laterales en el espectro, tomando en cuenta que múltiples pares de engranes y

[35]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

otros componentes mecánicos contribuyen a la vibración global. Por esta razón, muchos investigadores han propuesto la aplicación de otras técnicas de análisis como el Cepstrum, promedios sincrónicos en el tiempo entre otros [2, 3, 4, 5, 6].El objetivo de este paper es mostrar el funcionamiento y estudiar los resultados obtenidos de distintas técnicas de análisis aplicadas a señales simuladas y experimentales. 2 El Cepstrum ha sido ampliamente utilizado en el monitorea de engranajes. El Cepstrum es apropiado para la detección de bandas laterales en el espectro de las vibraciones, y estimar su evolución. Además, con el Cepstrum es posible conocer el espaciamiento de las bandas laterales en el espectro, por lo que es apropiado no solo para la detección, sino que también para el diagnóstico de fallas en engranajes [6,7] Con respecto a los análisis en el dominio del tiempo, es muy sabido que los promedios sincrónicos en el tiempo hacen posible remover cualquier evento periódico no exactamente sincrónico con el engrane de interés [2,7]. Se presentan técnicas de procesamiento de los promedios sincrónicos, como la señal residual [4] y la demodulación en amplitud y fase de uno de los armónicos de la frecuencia de engrane [2,5]. El objetivo del trabajo es entregar las herramientas al lector para que pueda elegir la técnica adecuada para ser utilizada en cada caso en particular, con el conocimiento de los pros, contras y factibilidad de aplicación de cada una. Monitoreo de la condición de la máquina Monitorear es la acción de medir una magnitud y compararla con respecto a un valor de referencia. Para monitorear la condición de una máquina (conditiong monitoring), se utilizan diferentes magnitudes de acuerdo a la confiabilidad que se quiera obtener. La periodicidad con que se realizan las mediciones dependerá de la criticidad de la máquina, del tipo de falla que se quiera vigilar y de las condiciones de operación (principalmente velocidad y carga). De acuerdo a esto el monitoreo se realiza en forma periódica o en forma continua (on line monitoring). La hipótesis básica en que está basada la vigilancia de la condición de la máquina es que existen magnitudes físicas mensurables o calculadas, Ai, las cuales definen su condición, como se ilustra en Figura 1. Los elementos básicos de un sistema de monitoreo lo constituyen: - Tendencias cronológicas de las magnitudes Ai (las cuales pueden ser valores globales, vectores o espectros) - Valores límites de alarma y peligro - Conclusiones lógicas

Análisis frecuencial o espectral. La técnica básica del diagnóstico de fallas es el análisis frecuencial o espectral. La esencia del análisis espectral es descomponer la señal vibratoria medida con un sensor de vibraciones ubicado en los descansos de la máquina en sus componentes espectrales en frecuencia. Esto permite correlacionar las vibraciones medidas, con las fuerzas dinámicas que actúan dentro de ella. El analista debe distinguir las vibraciones que son normales o inherentes al funcionamiento de la máquina de aquéllas que son provenientes y por lo tanto indicadoras de fallas. En una caja reductora de una etapa las vibraciones normales a ellas son: i) las debido al desbalanceamiento residual de las ruedas a frecuencias 1xRPM1 (1X1) y RPM2 (1X2), ii) las vibraciones generadas en el engrane a frecuencias múltiplos de la frecuencia de engrane, fe = zi·RPMi (zi = número de dientes de la rueda i, i=1,2). Las vibraciones debido a los desbalanceamientos residuales son muy pequeñas comparadas a las que genera el engrane. Las vibraciones debido al engrane se generan por la deformación de los dientes al engranar (pierden el perfil de forma de involuta ideal). Esta acción periódica de frecuencia igual a la que engranan los dientes genera vibraciones a múltiplos de la frecuencia de engrane. El número de múltiplos es muy dependiente del la razón de contacto como lo demuestra Letelier [8]. Dependiendo del diseño del engrane pueden ser distintivas diferentes número de componentes vibratorias a frecuencias múltiplos de la 3 Frecuencia de engrane. No quiere decir entonces que una caja que presenta solo una componente en el espectro a la frecuencia de engrane esté en mejor condición que otra que presenta más componentes. El primer espectro mostrado en figura 1 corresponde a las vibraciones normales en una caja reductora: pequeñas componentes a frecuencias RPM1 y RPM2 y múltiplos de la frecuencia de engrane. Este espectro (más las vibraciones provenientes del proceso) más un valor de severidad vibratoria de acuerdo a una norma de aceptación, debería ser el criterio de aceptación de una caja de engranajes nueva o recientemente reacondicionada. Este espectro llamado espectro base, es el espectro que indica que la caja está en buenas condiciones. Para el ingeniero de terreno, la forma más sencilla y a la vez más utilizada para vigilar la condición mecánica de una caja de engranajes es monitorear las variaciones que tenga este espectro base a lo largo del tiempo. Las variaciones en el espectro pueden generarse debido a que las componentes que son normales aumentan de valor o aparecen nuevas componentes. Si el espectro en futuras mediciones sigue siendo el espectro base, entonces la condición mecánica de la caja de engranajes no ha variado, es decir, como inicialmente estaba buena, sigue siendo buena. Sin embargo, para que este análisis tenga validez, es necesario, que las mediciones se realicen siempre bajo las mismas condiciones de velocidad y carga constantes, o sea en régimen estacionario Si la velocidad de rotación varía mientras se ejecuta la medición, la energía contenida en líneas espectrales determinadas, se dispersará en las líneas espectrales adyacentes, lo cual dificulta o hace imposible el diagnostico [9, 2]. En este caso es necesario utilizar una técnica especial llamada análisis espectral en orders [10]. Si la carga varía mientras se está realizando la medición, el valor de la vibración generada por el engrane varía (modulación en amplitud) en sintonía (las deformaciones de los dientes que engranan, causa de las vibraciones, son función de la carga). Esto genera variación en el valor de las componentes múltiplos de la frecuencia de engrane y componentes llamadas bandas laterales en torno a ellas debido a la modulación en amplitud.

Figura 1. Gráfico de tendencias El éxito de un sistema de monitoreo requiere: - Elección adecuada de las magnitudes físicas a monitorear - Forma de evaluar la severidad del problema - Elección adecuada de los valores de alerta y peligro Una vez establecido lo anterior, no se requiere expertez del usuario, el sistema puede funcionar automáticamente.

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Este método de monitoreo de la caja de engranajes bajo las mismas condiciones constantes de carga y velocidad permite detectar la mayoría de los problemas que normalmente se generan en las cajas de engranajes. Estos problemas incluyen: desgaste de los flancos de los dientes, desalineamiento del engrane, excesivo juego o “backlash”, daño acelerado de los flancos de los dientes por grado de calidad de fabricación pobre y factor común en el número de dientes de los engranajes, montaje de una rueda excéntrica, eje flectado de una rueda, engranaje suelto en el eje, fallas locales en los dientes.

[36]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Las fallas locales en los dientes como son dientes agrietados, dientes picados presentan espectros similares, por lo que no es posible con esta técnica discriminar entre ellos. Estas fallas presentan un distinto pronóstico. Del diente agrietado se puede desprender parte de él y entrar al engrane y generar una falla catastrófica, por lo que debiera detenerse de inmediato la unidad. La Figura 2 muestra los espectros vibratorios esperados para las distintas fallas señaladas precedentemente. Figura 2 considera que la calidad de fabricación de los dientes es perfecta. Sin embargo, aún los engranajes de precisión tienen error de fabricación descrito en norma AMGA. Estos errores contemplan errores de paso, perfil, hélice, runout, círculo primitivo los cuales generan vibraciones que también pueden considerarse “normales”.

Figura 4. Ejemplo de diente dañado con espectros vibratorios de forma muy diferentes debido a cajas con diferentes formas de movilidad mecánica. Análisis de la forma de onda Será necesario que la vibración generada por el diente dañado sea suficientemente notoria para identificar la falla en la señal temporal. En figura 4 se ve un evento a cada vuelta, pero si se ve en periodo de la vibración corresponde a un promedio ponderado de las frecuencias de las vibraciones que se encuentran en la zona resonante, lo que puede confundir para el diagnóstico. Figura 2: Evolución de los espectros frente a diferentes fallas en engranajes Relación vibración fuerza Un factor que dificulta los diagnósticos es que las máquinas y estructuras responden de forma muy diferente a excitaciones de igual valor, pero de frecuencias diferentes como se cuantifica a través de la movilidad mecánica mostrada en figura 3

Figura 3: Relación vibración fuerza La movilidad mecánica es una función respuesta en frecuencias que relaciona las vibraciones medidas (en el descanso de la máquina en este caso) con las fuerzas excitadoras (generadas en el engrane en este caso). Se observa que para un valor unitario de la fuerza en el engrane las vibraciones medidas en el descanso tienen valores muy diferentes de acuerdo a la frecuencia de ellas: - En las zonas llamadas resonantes se obtienen valores muy altos de las vibraciones - En las zonas llamadas anti-resonantes se obtienen valores muy bajos de las vibraciones

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

El esquema de figura 2 corresponde al caso que - No existen causas de vibraciones que se transmiten del proceso - La calidad de fabricación es buena, no genera vibraciones Engranajes con errores de fabricación generarán: Componentes fantasmas (ghost components), cuya periodicidad no está definida por la geometría del engrane (número de dientes o de rayos) sino que está relacionada con errores o juego en las herramientas de tallado de los engranes o también en el caso en que un engranaje haya sido fabricado por secciones. Utilizando mediciones experimentales, Randall [7], destaca como carateristica de estas componentes, el permanecer constantes en magnitud al aumentar la carga a diferencia de la frecuencia de engrane que es muy dependiente de la carga transmitida por el sistema. Un aumento en la magnitud de las componentes a la frecuencia de en engrane junto con una disminución de la magnitud de las componentes fantasmas son un indicador de desgaste de los engranajes [7]. Los errores de paso, generan que la zona de contacto entre dos dientes no sea la misma para las distintas parejas de dientes y en consecuencia la función rigidez no sea igual para cada pareja de dientes, modulando la función rigidez y consecuentemente la fuerza de engrane, lo que se verá representado en el espectro por bandas laterales alrededor de la frecuencia de engrane a la frecuencia de giro del engrane con error de paso. Los errores de run-out producen que el backlash entre los dientes varíe con una periodicidad igual a la velocidad de giro de la rueda defectuosa, Taylor [11] presenta el ejemplo de un engrane con cinco puntos altos, lo que genera en el espectro de las vibración componentes a cinco veces la velocidad de giro del engrane y al mismo tiempo bandas laterales en la frecuencia de engrane a cinco veces la frecuencia de giro de la rueda. En su trabajo Taylor no especifica la distribución de los puntos altos en torno al engrane, sin embargo para encontrar el tipo de vibración

[37]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

que describe será necesario que los puntos altos se encuentren igualmente espaciados en torno a la rueda, si los puntos se encuentran aleatoriamente espaciados la frecuencia que dominará la falla será la frecuencia de giro de la rueda defectuosa generando bandas laterales alrededor de la frecuencia de engrane y armónicos de la frecuencia de giro. La frecuencia de encuentro entre dientes o “tooth hunting” es la frecuencia con la cual dos dientes de una pareja de engranes que no posee un factor común entre el número de sus dientes, se encuentra. Si un engrane de mala calidad presenta un error en uno de sus dientes y este error genera errores (se estampa) en los dientes con 5 los que engrana, el ciclo de este error se repetirá a la frecuencia de encuentro por lo que será posible ver esta componente que generalmente se presenta bajo los 20 Hz. Si el par de engranajes presenta un factor común en el número de sus dientes, no todos los dientes de los engranes harán contacto entre sí, y el ciclo de engrane se repetirá a una fracción de la frecuencia de engrane igual a la frecuencia de engrane dividida por el factor común entre dientes. Cuando los dientes de engranajes presentan esta característica y al mismo tiempo la calidad de fabricación es baja, los errores de un diente se estamparán en los dientes con los que engrana generando un desgaste acelerado que se verá representado en el espectro por componentes a fracciones de la frecuencia de engrane, es por esto que es preferible usar engranes cuyo número de diente no presente un factor común. Análisis de los Promedios Sincrónicos

Figura 5. Esquema de funcionamiento de TSA Para ilustrar el método se ha simulado numéricamente la aceleración vibratoria que se espera obtener en una caja reductora de 3 etapas la cual tiene un diente dañado en la rueda de entrada (Figura 6). La Tabla 1 muestra los engranajes y número de dientes que componen el sistema. La aceleración simulada está compuesta por sus vibraciones normales provenientes del engrane de entrada fe, 2fe, 3fe, del engrane intermedio fe2, 2fe2, 3fe2 y del engrane de salida fe3, 2fe3, 3fe3 más una vibración aleatoria proveniente de la máquina que mueve la caja reductora. El efecto del diente dañado ha sido simulado como un leve aumento del valor de la vibración cada vez que entra en contacto el diente dañado.

El análisis señalado en el punto anterior puede ser muy adecuado cuando las componentes espectrales indicadoras de los diferentes tipos de falla no son interferidas por otras componentes vibratorias que no provienen del engrane. Cuando existen además vibraciones que pueden provenir de otros engranes, como sucede en cajas de reducción multi-etapas, o pueden ser generadas por el proceso mismo, se hace dificultoso, si no imposible, detectar cambios o el origen de los cambios en el espectro vibratorio. Los promedios sincrónicos es una técnica utilizada para separar las vibraciones sincrónicas a un pulso de referencia de las vibraciones que son asincrónicas con dicho pulso. Esto permite por ejemplo, separar las vibraciones provenientes de una pareja de engranajes en cajas de múltiples etapas, de las vibraciones provenientes de las otras parejas de engranajes y de las vibraciones asincrónicas a la velocidad de giro del eje de interés como son las vibraciones aleatorias que podría generar el proceso lo cual simplifica significativamente el diagnóstico. En esta técnica de promedios sincrónicos en el tiempo, TSA (Time Synchonous Analysis), se recolecta simultáneamente la señal vibratoria y un pulso de referencia. Se realizan numerosos registros de vibraciones en el dominio tiempo sincrónicamente al pulso de referencia. Normalmente el pulso de referencia es un pulso tacométrico generado una vez por vuelta de un eje de interés de la caja de engranajes a estudiar.

Figura 6: Caja de engranajes de tres reducciones Tabla 1: Engranajes y número de dientes

El método opera sumando los diferentes registros adquiridos sincrónicamente y luego promediándolos. Las componentes sincrónicas al pulso se suman en el promedio y las no sincrónicas van disminuyendo de valor con el número de promedios, hasta que para un gran número de promedios desaparecen [3]. El esquema de funcionamiento del método se resume en Figura 5. El multiplicador de pulsos se utiliza cuando se quiere obtener un pulso sincrónico en un eje intermedio que no se ve. Para esto se multiplica el pulso sincrónico obtenido en el eje de entrada, por ejemplo, por A/B, donde B y A son los números de dientes de la rueda intermedia y de entrada respectivamente.

De los datos de Tabla 1 se determinan las 3 frecuencias de engrane en función de la velocidad de entrada, . Las frecuencias del engrane de entrada, del engrane intermedio y del engrane de salida son , , respectivamente.

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[38]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

La componente a rescatar es. Para ello se requiere realizar promedios sincrónicos a un pulso tacométrico ubicado en el eje de entrada. Figura 7a muestra la forma de onda y espectro de la aceleración simulada en la caja de engranajes. Se observa que no es posible del análisis del espectro y de la forma de onda determinar el daño en el diente. Figura 7b muestra la forma de onda y espectro de la señal luego de ser promediada sincrónicamente con un pulso de referencia generado una vez por vuelta del eje de entrada y con 100 promedios. En la forma de onda de los promedios sincrónica se observa ahora una vibración periódica correspondiente al engrane de entrada y una pequeña perturbación en ella a cada vuelta de eje de entrada cada vez que el diente dañado entra al contacto. En el espectro de la señal promediada sincrónicamente se puede ahora observar muchas bandas laterales de pequeño valor en torno a separadas entre ellas a RPM1, síntomas de un diente dañado localmente. En análisis de la forma de la onda promediada sincrónicamente no solo permite detectar una falla localizada sino que también permite identificar cual es el diente dañado haciendo uso del pulso tacométrico como muestra la Figura 8. En Figura 8a se ha superpuesto sobre la señal vibratoria el pulso tacométrico. El diente del piñón que entra al contaco al mismo tiempo en que se genera el pulso se le llamará el diente N°1. Se observa de esta figura que es el dient N°4 el diente dañado. Para visualizar más didácticamente lo anterior, se ofrecen software que representan un periodo de rotación de la señal mostrada en Figura 8a alrededor de una circunferencia que representa al engranaje, como se muestra en la Figura 8b. El análisis anterior permite detectar si el diente dañado se ha generado en un solo diente, en varios dientes o en toda una zona. Esta información ayuda a inferir la causa del problema.

Figura 8: Gráficos para facilitar la identificación de diente dañado. En las especificaciones del fototacómetro se recomienda un tamaño de cinta reflectante de aproximadamente el tamaño del lente, algunos fabricantes de cinta reflectante recomiendan utilizar marcas de 1cm de ancho, por 2 cm de alto por marca. Si es mayor se corre el riesgo de que se marque más de un pulso por giro, si es mucho menor puede que la luz reflectada por la cinta al fototacómetro no sea suficiente para que este genere un pulso. La orientación o forma de la cinta podría modificar la posición angular en la cual el eje refleja la luz suficiente para activar el fototacómetro, pero como este punto permanecerá invariable entre los giros del eje este efecto no influirá en el cálculo de los promedios sincrónicos. Formulación Matemática de los promedios sincrónicos La ecuación (1) corresponde a la expresión analítica de los promedios sincrónicos en el tiempo a(t), donde y(t) es la señal vibratoria a analizar, N el número de promedios a realizar y TR el periodo de los pulsos generados por el fototacómetro. En la expresión analítica se considera una adquisición continua y simultánea de la señal vibratoria y(t) y de la señal de pulsos c(t).

Figura 7: Simulación de promedios sincrónicos: (a) Señal y Espectro señal, (b) Señal Promediada Sincrónicamente y su espectro.

(1) El modelo matemático representativo de este método corresponde a la convolución entre la señal adquirida y(t), y un tren de N pulsos con periodo TR y de amplitud 1/N. Lo cual visto desde el dominio frecuencia es la multiplicación de las transformadas de Fourier de ambas señales [7]. Lo mencionado anteriormente se resume en la ecuación (2). La ecuación (3), corresponde a la expresión analítica representativa de las características de este filtro. (2) (3) El tren de pulsos C(f) actúa como un filtro, el cual multiplica a las componentes espectrales de Y(f); mientras mayor sea el número de promedios, este filtro será más selectivo en la eliminación de componentes no sincrónicas (ver Figura 9a). Si el número de promedios tiende a infinito, este filtro se comportará idealmente, dejando pasar solo aquellas componentes que son múltiplos de la frecuencia sincrónica f1=1/TR.

Figura 9: Forma del filtro C(f) para a) N=∞ y b) N=10

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[39]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

A medida que disminuye el número de promedios N, el filtro C(f) deja pasar más componentes cercanas a las componentes sincrónicas, como se observa en Figura 9b. Estas bandas laterales modularán en amplitud las componentes sincrónicas. Si el analista no conoce de esto tratará de interpretar dichas modulaciones físicamente.

Figura 12: Atenuación de fe2 y fe3 para distinto número de promedios sincrónicos.

Figura 10: Curvas de atenuación: a) Ruido aleatorio, b) Componentes sincrónicas. La forma en que se van atenuando las componentes no sincrónicas con el pulso depende de su naturaleza. Para vibraciones aleatorias o ruido, ellas disminuyen su valor en forma inversa a [12], como se ilustra en la Figura 10a. Para el caso de una componente discreta no sincrónica con el pulso, su atenuación aumenta con el número de promedios, pero con altos y bajos como se ilustra en Figura 10b. Esta figura muestra el resultado en la atenuación de la componente al realizar una suma sincrónica al eje de entrada. Para este caso, si en la primera adquisición la fase de respecto al pulso des (Figura 11) para la segunda adquisición se produce un des desfase de 0.367 =11/30 de giro, o sea 132°.

Cuando existen varias componentes asincrónicas a eliminar el número de promedios (mínimo factor común) puede ser muy alto. En ese caso utilizar la curva de vibraciones aleatorias, la cual es aproximadamente un límite superior de la envolvente. Análisis de la Señal Residual El cálculo de la señal residual es una técnica ampliamente utilizada en el estudio de las vibraciones provenientes de cajas de engranajes. Esta técnica originalmente propuesta por Stewart [4], consiste en eliminar las vibraciones normales al engrane (componentes múltiplos de fe) de la señal TSA medida. Para ello se eliminan estas componentes del espectro y se aplica la transformada inversa de Fourier para obtener la señal en el dominio de tiempo. La señal resultante es llamada señal “residual”, r(t). Las componentes eliminadas constituyen la señal “regular”, y(t). De esta forma la señal residual puede ser expresada como se indica en la ecuación (4), donde g(t) es la señal de la vibración promediada sincrónicamente. (4) El objetivo de la técnica es eliminar de la señal promediada sincrónicamente la parte normal o regular al funcionamiento de una transmisión por engranajes, la cual contribuye con la mayor parte de la energía de la señal, enfatizando con ello los pequeños cambios que ocurren con la presencia de fallas localizadas. Yesilyurt [13] propone no solo eliminar del espectro de la señal TSA los armónicos de la frecuencia de engrane sino que también restar el armónico fundamental de las bandas laterales en torno a las componentes de la frecuencia de engrane, debido a que estas componentes tienen como el señala, origen en errores de montaje y fabricación de los que será difícil independizarse y por lo tanto también forman parte de la señal “normal” al funcionamiento de una caja de engranajes. Si los valores históricos del equipo muestran que el primer armónico de las bandas laterales es de amplitud considerable, podría ser de ayuda el eliminarlo al calcular la señal residual para aumentar la sensibilidad de la técnica a variaciones de la energía en la familia de bandas laterales a la frecuencia de engrane y sus armónicos. El valor global de la señal al eliminarse las componentes que aportan más energía, será mucho más sensible a variar que la señal global. Figura 13 ilustra esquemáticamente el proceso de cálculo de la señal residual.

Figura 11: Esquema vectorial de promedios sincrónicos. Se observa que el vector suma de N adquisiciones de los vectores va a aumentar o disminuir a medida que aumenta N como se muestra en la figura 10b. Se observa además que esta suma se hace cero cuando N=30. Cuando la parte decimal de la frecuencia se puede escribir como una fracción, la suma sincrónica será cero para un número de promedios igual al denominador de la fracción. Para el ejemplo analizado para eliminar la componente con una suma sincrónica con el eje de entrada se requiere de N=45 promedios considerando que 0.91=41/45. Para eliminar ambas componentes simultáneamente y se requiere N=90 (mínimo común múltiplo entre 45 y 30), lo que se ilustra en Figura 12.

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Figura 13: Procedimiento de cálculo de la señal residual En las ecuaciones siguientes se desarrolla matemáticamente la resta de la componente principal a una señal modulada por una señal periódica que genera una familia de bandas laterales, lo que es equivalente a calcular la señal residual. SC(t): Señal sinusoidal de alta frecuencia, fP por ejemplo frecuencia de engrane modulada en amplitud por una de baja frecuencia, fM, por ejemplo RPM.

[40]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Señal Residual, señal completa, SC(t), menos componente de alta frecuencia modulada.

Cuando la señal presenta modulaciones alrededor de la frecuencia de engrane, la señal residual no representará sólo la información de las fallas si no que conservará información de la señal portadora (frecuencia de engrane en el ejemplo) (fp y Ap) por lo que la señal residual muestra solo una aproximación de la forma de la señal moduladora. Para visualizar más didácticamente lo anterior, se ofrecen software que representan un periodo de rotación de la señal mostrada en Figura 8a alrededor de una Figura 5. Esquema de funcionamiento de TSA

de engranajes, para este caso la señal residual no resulta de mucha utilidad a la hora de identificar la naturaleza de la señal moduladora. El ejemplo de la Figura 14 muestra que no es posible conocer la naturaleza de la señal de falla empleando únicamente la señal residual, sin embargo esta técnica puede darnos una buena aproximación de la forma de la señal de falla cuando esta está muy oculta en las vibraciones normales del sistema. Dalpiaz [1] utiliza la técnica para ver con mayor claridad una señal de falla (Figura 15). En su simulación, la señal residual no rescata la señal de falla, sin embargo es de gran ayuda para visualizarla con mayor claridad.

Figura 15: Señal TSA y señal residual de engranaje con diente agrietado [1] En la Figura 16 se muestra la señal residual de una señal portadora periódica modulada por una señal rectangular, se utilizó una modulación leve para demostrar como la señal residual puede ayudar a visualizar el efecto de una modulación que no es apreciable en la señal completa.

Figura 16: Señal TSA con modulación de baja amplitud y señal residual de TSA. En conclusión, la señal residual entrega una buena aproximación de la forma de la señal de falla cuando no es posible identificarla debido a su baja magnitud comparada con la señal completa, sin embargo la señal obtenida seguirá conteniendo información de la señal portadora, o normal al funcionamiento del equipo. Caso práctico de utilización de la señal residual Se midieron las vibraciones en una caja de engranajes industrial de cuatro ejes y tres reducciones mientras evolucionaba una falla localizada en dientes del quinto engranaje, fijo al eje número 3.

Figura 14: Simulación señal residual: Señal Compuesta (a), Señal Moduladora (b), y Señal Residual (c) En la Figura 14a se muestra una simulación de la vibración de una caja de engranajes luego de ser promediada sincrónicamente, en la Figura 14b se muestra la forma de onda de la señal que modula la componente a la frecuencia de engrane, esta señal moduladora es la señal que representa la parte anormal o señal de falla en las vibraciones de la caja de engranajes, y en la Figura 14c se muestra la señal residual de la vibración proveniente de la caja de engranajes y promediada sincrónicamente. De la simulación se aprecia que no es posible conocer la naturaleza de la falla, que es representada por la señal moduladora solo observando la señal residual, ya que ésta todavía contiene información de la portadora, la que es una vibración normal de la caja

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Se realizaron promedios sincrónicos utilizando un pulso generado una vez por vuelta del eje número tres. Posteriormente se aplicó la técnica de señal residual para eliminar las componentes a la frecuencia de engrane, propias del funcionamiento normal de este tipo de equipos. En la Figura 17a se muestra la tendencia del valor RMS de la señal promediada sincrónicamente y en la Figura 17b se muestra la tendencia del valor RMS de la señal residual. Es posible ver como la tendencia del valor RMS de la señal completa permanece constante a medida que la falla avanza, sin alcanzar los niveles de alarma, por otro lado la tendencia del valor RMS de la señal residual crece significativamente a medida que la falla avanza, sobrepasando los niveles de alarma definidos para alertar una condición anormal del equipo. Al analizar la señal temporal (Figura 18a) no es posible identificar las variaciones en la vibración introducidas por la falla en el diente, sin embargo si se observa la señal residual temporal (Figura 18b) es posible ver los impactos que se generan al entrar en contacto los dientes desastillados del eje número 3 de la caja de engranajes.

[41]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Dalpiaz [1] afirma que el armónico fundamental del Cepstro representa la energía media de la familia de bandas laterales a través de todo el espectro, y el número de rahmonicos de mayor frecuencia indica características de la modulación. De esta forma, para Dalpiaz, los rahmonicos de mayor quefrency son menos útiles para el diagnóstico de equipos que el rahmonico fundamental, que entrega la ventaja de poder distinguir en una componente la energía media de una familia de bandas laterales. De esta forma el Cepstro ayuda a separar familias de bandas laterales mescladas, incluso para casos donde las periodicidades no son muy aparentes en el espectro [7, 6]. Caso práctico: Uso de Cepstro en señal senoidal modulada por periódica

Figura 18: Forma de onda Señal Completa (a) y forma de onda Señal Residual (b)

Para probar la técnica de Cepstrum se simuló una señal senoidal de 578 Hz, modulada en amplitud por dos señales rectangulares periódicas, de f1=34 Hz.y f2=20 Hz. de frecuencia, lo que en el espectro se traduce en una componente con dos familias de bandas laterales. La magnitud de las señales simuladas se eligió de tal forma que las bandas laterales producto de las modulaciones no fueran fácilmente identificables en el espectro de escala lineal, por lo que se presenta en Figura 19a en escala logarítmica. En la Figura 19b es posible ver el Cepstrum de la señal simulada. En el gráfico del Cepstrum es posible ver una componente a 0.029 (s.), que coincide con el periodo la señal moduladora de mayor frecuencia (34 Hz.), también es posible ver una componente a 0.05 (s.) la que coincide con la segunda señal moduladora, de menor frecuencia (20 Hz.).

En el caso presentado queda de manifiesto lo práctico que resulta llevar una tendencia del valor global de la señal residual cuando la falla que se requiere detectar con su ayuda no genera vibraciones de gran energía en comparación con las vibraciones generadas por el normal funcionamiento del equipo, como es el caso de las fallas localizadas en cajas de engranajes. La señal residual resulta de gran utilidad para llevar una tendencia de su valor y visualizar modulaciones de pequeña influencia en la energía global de la señal. Es necesario tomar en cuenta que la señal residual no extrae la señal moduladora, sino que ayuda a su visualización, por lo que utilizando esta técnica no es posible evaluar con certeza la naturaleza de una modulación ni menos discriminar entre distintas fallas localizadas. Cepstrum Las vibraciones de los engranajes comúnmente muestran bandas laterales alrededor de la frecuencia de engrane y sus armónicos. Estas bandas laterales provienen generalmente de los errores de fabricación y su frecuencia es la frecuencia de giro del engrane defectuoso. Para cajas de engranajes en buenas condiciones, estas bandas laterales permanecen constantes en el tiempo. Cambios en el número o amplitud de las bandas laterales normalmente indican el deterioro de la condición del equipo. Para el caso de una falla localizada en uno de los dientes, el efecto modulador se repite una vez por vuelta del engrane defectuoso. Existen muchos fenómenos que generarán bandas laterales, la separación entre las bandas laterales dependerá del problema que las genera. En consecuencia, el espacio entre bandas laterales entrega información de diagnóstico, ya que está relacionado con la fuente de la modulación [14]. Sin embargo resulta difícil distinguir y evaluar el espacio entre bandas laterales debido a la presencia simultánea de varias familias de bandas laterales además de otras componentes. El análisis del Cepstro puede ser utilizado para resolver este problema [1]. Para el diagnóstico de máquinas, el Cepstro en potencia es muy utilizado en la literatura [7, 6]. Se define como la transformada inversa de Fourier del espectro logarítmico en potencia [6], como se muestra en ecuación (5). (5) Donde es el espectro en potencia y es la variable independiente en dimensión temporal, conocida como quefrency.

Figura19: Espectro de señal modulada (a) y Cepstro de señal modulada (b). Tabla 2: RMS señal moduladora (34 Hz.) y amplitud Rahmónico fundamental.

La simulación muestra lo útil que resulta la técnica de Cepstro para separa distintas familias de armónicos y visualizarlas con mayor facilidad cuando el espectro y forma de onda no permiten distinguir con claridad las distintas familias de bandas laterales. En cuanto a la utilización del rahmonico fundamental para conocer la energía media de esa familia de bandas laterales en el espectro, los resultados obtenidos en la simulación indican que si bien la amplitud del rahmonico fundamental aumenta cuando aumenta la energía de la señal moduladora, este aumento no es lineal ni proporcional (Tabla 2) con la energía de la familia de armónicos, lo que se opone a las afirmaciones de Dalpiaz en este punto. Las componentes espectrales pueden amplificarse o atenuarse dependiendo de la forma de la función respuesta en el ancho de banda, lo que sin duda modificará la magnitud de la señal de Cepstro calculada, como la función respuesta en un equipo es distinta para cada lugar de medición, esta técnica al igual que las revisadas anteriormente, no entregará el mismo resultado para distintas ubicaciones o posiciones del sensor en el equipo a monitoreado, por lo que su resultado no puede independizarse del punto de medición.

Cada familia de bandas laterales es realzada gracias a la escala logarítmica, luego cada una produce peaks en el Cepstrum a una quefrency igual al inverso de la separación de las bandas laterales.

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[42]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Demodulación en amplitud y fase La demodulación de amplitud y fase de un armónico de la frecuencia de engrane es una técnica que se aplica a una banda espectral. Esta técnica fue propuesta y utilizada satisfactoriamente por McFadden [2]. Para emplear esta técnica, la TSA es filtrada alrededor del armónico de mayor amplitud de la frecuencia de engrane, el ancho del filtro debe ser suficiente para abarcar un número importante de bandas laterales del armónico de la frecuencia de engrane. Generalmente existe superposición entre las bandas laterales de alta frecuencia de armónicos de la frecuencia de engrane; la importancia de esta interferencia depende de la forma de la modulación y de la amplitud relativa entre armónicos de la frecuencia de engrane vecinos [7]. Siempre existirá un compromiso entre el número de armónicos necesarios para describir la modulación y la interferencia mencionada anteriormente. Si se utiliza el n esimo armónico de la frecuencia de engrane, cuya amplitud es mucho mayor que la de sus armónicos vecinos, se puede asumir que la interferencia será mínima y por lo tanto la zona filtrada puede ser aproximada a una señal senoidal modulada en amplitud y fase [2].

Simplificando la señal a la ecuación (6), las señales moduladoras en amplitud y fase serán an (t) y bn (t) espectivamente. Estas señales moduladoras pueden ser extraidas por medio de un simple procedimiento descrito en [2] basado en la transformada de Hilbert [14]. Esta técnica ha probado ser efectiva en la detección de dientes agrietados, y entrega una buena aproximación de la función modulación de fase que es una de las primeras en ser afectadas en fallas incipientes [2, 5].Según McFadden [2] también es posible identificar el tipo de falla observando la forma de la modulación. En [1] Dalpiaz prueba la técnica de demodulación en amplitud y fase para una par de engranajes con dos tamaños de grieta en uno de sus dientes, la grieta menor y mayor son de un 20% y de un 45% del espesor del diente respectivamente. Los resultados de sus experimentos muestran que la técnica presenta una buena sensibilidad con respecto a la severidad de la falla ya sea observando la señal moduladora en amplitud como la señal moduladora en fase (Figura 20 a Figura 23), sin embargo la demodulación de fase parece ser más sensible por lo menos para la señal procesada en su trabajo. Estos resultados concuerdan con los obtenidos por McFadden [2], donde se obtiene que la modulación de fase es más sensible que la modulación en amplitud para una grieta incipiente en un diente de un engrane. Si bien esta técnica entrega buenos resultados, es necesario tomar con precaución los datos obtenidos. Como la función de transferencia entre la falla misma que provoca la vibración y el sensor de vibraciones puede generar variaciones en la fase, no es posible asociar la forma de la señal moduladora de fase con una falla en particular, a menos que la función transferencia se considere despreciable como lo asume McFadden en [2]. Si se observa la Figura 20 y la Figura 21es posible ver cómo cambia la forma de la modulación, en función de la posición del sensor, en el sensor ubicado en dirección axial, la perturbación generada por la grieta genera una disminución y posteriormente un aumento de la amplitud de la modulación, mientras que para la medición obtenida con el sensor en posición radial, se detecta un aumento y posteriormente una disminución de la amplitud. De esta forma queda en evidencia como la función de transferencia puede afectar los resultados obtenidos por esta técnica. En conclusión, la técnica de demodulación entrega buenos resultados siempre y cuando la frecuencia y banda del espectro de TSA se elija correctamente, ya que puede influir en la sensibilidad y la forma de la modulación. Para distintas posiciones y ubicaciones del sensor, la función de transferencia será distinta, para elegir la posición ideal se puede observar el espectro de las vibraciones promediado sincrónicamente para distintas ubicaciones del sensor.

Figura 20: Modulación de amplitud de engranaje con grieta pequeña (a) y grieta grande (b). Sensor Axial.

Figura 22: Modulación de amplitud de engranaje con grieta pequeña (a) y grieta grande (b). Sensor Radial. La demodulación es una técnica que permite rescatar la señal moduladora de una señal portadora modulada. La naturaleza de la señal moduladora entrega la información necesaria para discriminar entre fallas localizadas, es decir entre un diente picado y uno agrietado. En [15] Jia muestra con resultados de simulaciones como la duración de la demodulación es mayora para el caso de un diente agrietado que para el de un diente picado. La modulación generada por una picadura tiene una duración igual al tiempo que la falla está en contacto con otro diente, mientras que para el caso del diente agrietado, la modulación generada tiene una duración igual al tiempo que el diente permanece cargado en contacto con otro diente. Por otro lado, las simulaciones de Jia muestran que la naturaleza de la señal de falla de una picadura es más impulsiva que la de la señal generada en un engranaje con un diente agrietado. Randall [16], modela el error de transmisión de un par de engranaje con ambas fallas localizadas, llegando a la misma conclusión que Jia respecto a la diferencia temporal de la perturbación generada por cada una de las fallas. De acuerdo a la simulación de Randall, la duración de la perturbación que modula la frecuencia de engrane en el caso de un diente agrietado es igual a 1 1⁄2 el tiempo que dura el engrane entre dientes de un par de engranajes rectos, debido a que un diente agrietado en un par de engranes rectos, primero compartirá el contacto con su diente predecesor, posteriormente soportará toda la carga por sí solo, para finalizar compartiendo la carga con el diente que le sigue. Para el caso de la picadura, la perturbación que genera se mantiene mientras la falla está en contacto, lo que para el caso de un diente picado será bastante menos que un ciclo de engrane [16]. Para probar la técnica de demodulación en amplitud y fase se simuló una señal senoidal modulada por una señal rectangular. La señal portadora o modulada representa la fuerza generada en el contacto de los dientes, y la señal moduladora representa la distorsión de la señal generada por el contacto de la picadura con un diente sano, o la entrada en contacto de un diente agrietado. La fuerza simulada para el caso del diente picado tiene una perturbación de duración igual a 1⁄4 de un ciclo de engrane, mientras que la perturbación de la señal de fuerza del engrane con diente agrietado se simuló con una perturbación de 1 1⁄2 veces la duración de un ciclo de engrane, y por lo tanto la duración de esta perturbación es 6 veces la duración de la perturbación generada por la picadura. Se aplicaron las señales de fuerza simuladas a dos sistemas de un grado de libertad, el primer sistema con una frecuencia natural de 0.7 veces la frecuencia de la señal de fuerza modulada y el segundo sistema con una frecuencia natural de 3 veces la frecuencia de la señal de fuerza modulada.

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[43]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

En la Figura 24 y en la Figura 25 se muestra la modulación en amplitud y fase de la respuesta del primer sistema de un grado de libertad al aplicarse la señal de fuerza del engrane con diente picado y con diente agrietado respectivamente. En la Figura 27 y en la Figura 27 se muestra el resultado de aplicar las fuerzas simuladas de ambas fallas al segundo sistema de un grado de libertad. Para todos los casos simulados es posible ver un evento generado por la falla localizada, lo que indicaría que utilizando la demodulación en amplitud y fase es posible detectar este tipo de fallas. Por otro lado los resultados varían notablemente para los sistemas con distinta frecuencia natural, para el primer caso donde la frecuencia natural del sistema está próxima a la frecuencia de la señal portadora de la fuerza, no es posible distinguir la duración de la perturbación, solo es posible distinguir una diferencia en amplitud en la respuesta del sistema para ambas fallas, esto se debe a que al aumentar la duración de la perturbación, aumenta la energía que la perturbación entrega al sistema, en un caso real, la amplitud de la fuerza perturbadora dependerá de las condiciones de carga y de la magnitud de la falla por lo que se hace imposible considerar esta diferencia para discriminar entre ambas fallas. Los resultados obtenidos al aplicar las señales de fuerza al segundo sistema fueron distintos, en este caso es posible medir en la respuesta del sistema la duración de la perturbación generada por el diente agrietado en la fuerza, lo que permitiría discriminar entre las fallas localizadas descritas.

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

La demodulación en amplitud y fase puede ser de mucha utilidad para detectar fallas localizadas, sin embargo los resultados obtenidos estarán afectados por la función respuesta del sistema por lo que no es posible generalizarlos y asociar la forma de la modulación encontrada a una falla especifica. 14 De la simulación realizada es posible concluir que para determinados casos, es posible rescatar en la respuesta vibratoria del sistema la duración de la perturbación en la fuerza de engrane provocada por una falla localizada, lo que permitiría discriminar entre las distintas fallas, sin embargo, en otros casos la respuesta vibratoria del sistema no permitirá identificar la duración del evento modulador por lo que no será posible discriminar entre las fallas localizadas. En conclusión, los resultados que se pueden obtener empleando la demodulación de amplitud y fase en la vibración de una caja de engranajes dependerán principalmente de la función Conclusiones Conclusiones Las vibraciones generadas por las cajas de engranajes son muy complejas y difíciles de diagnosticar, sin embargo, si existe la posibilidad de llevar una tendencia de distintos valores se podrá detectar con mayor o menor dificultad la mayoría de las fallas que aquejan a estos equipos. El estudio de las componentes a la frecuencia de engrane y sus armónicos entregan información confiable del estado general de la caja de engranajes siempre y cuando se conozca la firma vibratoria o valores vibratorios para la caja en buenas condiciones. Al momento de enfrentarse a una caja de engranajes de diseño más complejo, con múltiples ejes o instalada en un ambiente ruidoso, los promedios sincrónicos en el tiempo son de gran ayuda. Para obtener el óptimo resultado en el cálculo de los promedios sincrónicos es necesario conocer que componentes asincrónicas se quieren eliminar y con esta información calcular el número óptimo de promedios a realizar, o bien establecer un porcentaje de atenuación que el usuario estime suficiente para hacer un análisis confiable. Cuando la meta es detectar fallas localizadas, diversos autores citados en este artículo concuerdan en que el cálculo de la señal residual es de gran utilidad a la hora de adelantarse a la detección de una falla localizada ya que esta señal es mucho más sensible a variaciones en la condición mecánica de una caja de engranajes que la señal completa que incluye los armónicos de la frecuencia de engrane, que aportan la mayoría de la energía de la señal opacando la variación de energía generada por las fallas. Una de las mayores dificultades que existe en el diagnóstico de la condición mecánica de cajas de engranajes es la discriminación entre distintas fallas localizadas como son la grieta y la picadura en un diente, la importancia de la discriminación radica en el distinto pronóstico que tiene cada una de estas fallas. Para poder discriminar entre fallas localizadas se hace necesario rescatar la señal de falla que modula la vibración a la frecuencia de engrane. Para rescatar la señal moduladora se utiliza la demodulación en amplitud y fase. Los resultados de las simulación realizadas indican que esta técnica puede ayudar a discriminar entre fallas localizadas, sin embargo su efectividad en este campo depende de la función respuesta del sistema. En el presente tutorial se muestran técnicas de fácil aplicación como son los promedios sincrónico y el seguimiento de las componentes a la frecuencia de engrane y sus armónicos, estas técnicas pueden y deben ser utilizadas por ingenieros de terreno que necesiten conocer el estado y la evolución de la condición mecánica de las cajas de engranaje. En el tutorial también se presentan técnicas más complejas como son la señal residual, el Cepstro, y la demodulación en amplitud y fase, como se mostró en el trabajo, estas técnicas son de gran ayuda para, en conjunto con el resto de las técnicas, conocer la condición mecánica de una caja de engranajes, sin embargo su complejidad y falta de disponibilidad en los softwares comerciales las dejan fuera del alcance de un ingeniero de terreno.

[44]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

Referencias [1] DalpiazG.,RivolaA.yRubiniR.“Effectivenessandsensitivityofvibrationprocessingtechniquesforlocal fault detection in gears” “Mechanical Systems and Signal Processing”. - 2000. - 3 : Vol. 14. - págs. 387-412. [2] McFadden P. D. “Detecting fatigue cracks in gears by amplitude and phase demodulation of the meshing vibration” “Journal of Vibration, Acoustics, Stress and Reliability Design.” - April 1986. - Vol. 108. - pp. 165- 170. [3] Randall R. B. “State of Art in Monitoring Rotating Machinery - Part 2” “Sound and Vibration.” - May 2004. - 5 : Vol. 38. - pp. 10-17. [4] Stewart R. M. “Some useful data analysis techniques for gearbox diagnostics” “Institute of Sound and Vibration Research.” - 1977. [5] Dalpiaz G. “Early detection of fatigue cracks in gears by vibration analysis techniques” “Österreichische Ingenieur- und Architekten – Zeitschrift (ÖIAZ).” - 1990. - Vol. 135. - págs. 312-317. [6] Randall R.B. y Hee J. “Cepstrum Analysis” “Brüel and Kjaer Technical Review.” - 1981. - Vol. 3. - págs. 3- 40. [7] Randall R.B. “A New Method of Modeling Gear faults” “Journal of Mechanical Design.” - 1982. - págs. 259- 267. [8] Letelier Betancourt Fernando Andrés “Análisis vibratorio Teórico Experimental de Engranajes” Informe de Memoria de Título Universidad de Concepción. - Concepción, Chile : [s.n.], Abril 2002. [9] San Juan Luis “Técnicas de análisis de vibraciones para maquinas de muy baja velocidad.” Informe de Memoria de Titulo, Universidad de Concepción – Concepción, Chile :, 2005. [10] Saavedra P. N. y Rodriguez C. G. “Accurate assessment of computed order tracking” “Shock and Vibration.” - 2006. - Vol. 13. págs. 13-32. [11] Taylor J. L. “The Vibration Analysis Handbook“: VCI, 1994. - Primera Edición : págs. 225-285. [12] Rodriguez C. “Técnicas de análisis de señales vibratorias de máquinas rotatorias” Tesis de Magister, Universidad de Concepción. - Concepción, Chile : August, 2003. [13]Yesilyurt Isa, Gu Fengshou y Ball Andrew D. “Gear tooth stiffness reduction measurement using modal analysis and its use in wear fault severity assessment of spur gears” “NDT&E International.” - 2003. - Vol. 36. - págs. 357-372. [14] Bracewell R. N. “The Fourier transform and its Application” McGraw-Hill. - Segunda edición : págs. 267-272. [15] Jia Shengxiang y Howard Ian “Comparison of localised spalling and crack damage from dynamic modelling of spur gear vibrations” “Mechanical Systems and Signal Processing.” - 2006. - Vol. 20. - págs. 332-349. [16] Randall R. B., Endo H. y Gosselin C. “Differential diagnosis of spall vs. Cracks in gear tooth fillet región: Experimental validation” “Mechanical Systems and Signal Processing.” - 2009. - Vol. 23. - págs. 636-651.

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[45]


TRIBOS

REVISTA

REVISTA TÉCNICA

Programa CONFIABILIDAD DE MAQUINAS ROTATIVAS COMAROT 1. INTRODUCCIÓN El programa CONFIABILIDAD DE MAQUINAS ROTATIVAS – COMAROT, está orientado a incrementar la confiabilidad operacional y disponibilidad mecánica de las máquinas industriales, detectando en sitio y en tiempo real, problemas derivados de una lubricación defectuosa, desbalanceo mecánico e hidráulico, holgura mecánica incorrecta, desalineación, cavitación, entre otras situaciones que pueden ocurrir cuando se incrementa la carga operativa o por el desgaste normal a través del tiempo de operación de los mecanismos, utilizando como herramienta el análisis del estado de la lubricación, la temperatura de operación y el nivel de las vibraciones en modo global y espectral. 2. OBJETIVOS Los objetivos del programa CONFIABILIDAD DE MAQUINAS ROTATIVAS – COMAROT, son los siguientes: - Lubricar por predictivo y no por preventivo aquellos mecanismos cuya condición de trabajo se pueda monitorear. - Reducir al máximo los costos por consumo de lubricantes. - Monitorear por termografía y vibraciones los equipos críticos de la empresa. - Relacionar la condición de lubricación, con la temperatura de operación y la intensidad de las vibraciones con el fin de garantizar que en todo momento la condición de la máquina se encuentra en estado OC. - Elaborar el informe del estado de las máquinas (OC, OF, EF, MT). 3. INDICADORES Con base en el desarrollo del programa COMAROT, se halla el estado del equipo rotativo principal tipo 1 y stand by tipo 2, y se determinan los indicadores de Confiabilidad, de disponibilidad y el factor stand by de los equipos rotativos de una sección, planta ó de toda la empresa.

CONTACTO

Cra 65 No 74- 75 Bodega 176 Multicentro Ca ribe, Medellín, Colombia PBX (57)4-444 01 85 pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com / www.pedroalbarracinaguillon.com

Programa LUBRICACION DE MAQUINAS LUBRIMAQ 1. CARACTERÍSTICAS El Programa Lubricación de Máquinas-LUBRIMAQ, consiste en lubricar los mecanismos de las máquinas de la empresa con personal certificado de INGENIEROS DE LUBRICACION SAS, bajo la filosofía de la Lubricación Centrada en la Confiabilidad – LCC, en la cual las máquinas de la empresa se lubrican teniendo en cuanta el programa de lubricación Efectiva, Preventiva, Predictiva, Proactiva, Gestión Ambiental y Capacitación en lubricación y Tribología de los mecánicos de la empresa. 2. ALCANCES DEL PROGRAMA El alcance del programa LUBRIMAQ consiste en lo siguiente: - Elaborar las cartas de lubricación de todas las máquinas de la empresa. - Incluir toda la información de las cartas de lubricación en el software LCM. - Programar la lubricación (diaria, semanal, quincenal, etc) de los mecanismos a lubricar. - Generar las OT´S para lubricar los mecanismos programados. - Lubricar los mecanismos con personal de Ingenieros de Lubricación SAS. - Documentar y cerrar las OT´S programadas. - Elaboración mensual de indicadores sobre los mecanismos lubricados, costos y anomalías. 3. SOFTWARE LCM El software LCM – Lubricación de Clase Mundial, es un sistema creado para el manejo sistemático en web de la información del programa preventivo y predictivo de la lubricación de los mecanismos de las máquinas críticas, esenciales y de propósito general de la empresa, lubricados con aceite o con grasa. Permite programar, documentar y cerrar las OT´S de lubricación, consulta de la información de lubricación de las máquinas de la empresa, manejo de los indicadores del desarrollo del programa de lubricación y consulta de anomalías. 5. VALOR El valor mensual del programa LUBRIMAQ, incluye: - Elaboración de las cartas de lubricación de todas las máquinas de la empresa bajo la filosofía de la Lubricación Centrada en la Confiabilidad - LCC. - Recomendaciones que sean necesarias, según la filosofía LCC para garantizar la correcta lubricación de las máquinas de la empresa. - Ejecución del programa de lubricación. - Uso del software LCM por parte del personal de la empresa. - Elaboración mensual de indicadores. 6. PROGRAMA COMAROT Simultáneamente con la ejecución del programa LUBRIMAQ, se puede desarrollar el programa COMAROT – Confiabilidad de Máquinas Rotativas, para garantizar el estado de las máquinas en condición OC (Operación Confiable), mediante el monitoreo de la condición de lubricación, temperatura de operación y vibraciones.

CONTACTO

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Cra 65 No 74- 75 Bodega 176 Multicentro Ca ribe, Medellín, Colombia PBX (57)4-444 01 85 pedroalbarracin@ingenierosdelubricacion.com / www.pedroalbarracinaguillon.com

[46]


TRIBOS

REVISTA

REVISTA TÉCNICA

Clasificados Bienvenidos a nuestra sección de clasificados, un servicio de TRIBOS. Nuestro principal objetivo es que las empresas industriales publiquen los productos que tienen en el almacén de materiales y que los adquirieron con un propósito especifico pero con por una u otra razón nos los usaron y que definitivamente no van a utilizar, aún encontrándose en perfecto estado, perdiendo de esta manera la inversión realizada. Se puede adquirir un espacio publicitario del tamaño que se requiera. La revista TRIBOS solo sirve de contacto entre la empresa que ofrece un determinado producto y la que lo adquiere, y el negocio lo hacen directamente entre la dos. TRIBOS no se responsabiliza por el estado, calidad o pago del producto comercializado. Nota: En la información que se publique en el aviso, es requisito indispensable describir el estado en que se encuentra el producto, si es una máquina o repuesto, especificar su condición mecánica y operacional y si es un lubricante (aceite o grasa), las propiedades físico-químicas, con base en un análisis de laboratorio, realizado dentro de un período de 30 días antes de la publicación del aviso. Puede ir acompañado de una fotografía.

Espacios disponibles 1 Página 693 X 951

Aplica para insertos publicitarios

1/2 página 693 X 450

Aplica para insertos publicitarios

1/4 de página 327 x 450

Aplica para avisos clasificados

1/8 de página 347 x 220

Aplica para avisos clasificados

1/16 de página 164 x 192 Aplica para avisos clasificados

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[47]


TRIBOS

REVISTA

Vendo

REVISTA TÉCNICA

Cambio

Info Contacto

Nombre de la Máquina

Bomba de Engranaje 40 GPM

Referencia

Referencia

Serie

Serie

Modelo

Modelo

Descripción

Descripción Bomba de engranaje en perfecto estado Motor eléctrico: Potencia: Voltaje: 220/440 voltios, 60 Hz, 1800 rpm. Caudal: 40 gpm

Alquilo

Vendo

SINTELUB S.A.S Ing. Carlos A Fernandez A. Teléfonos: +57 (4) 533 01 48 Móvil: 318 333 33 34 carfer@sintelub.com Calle 102 Nº 70-62 Bogotá Colombia www.sintelub.com

Cambio

Info Contacto

Alquilo SINTELUB S.A.S Ing. Carlos A Fernandez A. Teléfonos: +57 (4) 533 01 48 Móvil: 318 333 33 34 carfer@sintelub.com Calle 102 Nº 70-62 Bogotá Colombia www.sintelub.com

TRIBOS CLASIFICADOS / tribos@ingenierosdelubricacion.com

TRIBOS CLASIFICADOS / tribos@ingenierosdelubricacion.com

Nombre de la Máquina

Nombre de la Máquina

Ref.

Info Contacto

Marca

SINTELUB S.A.S Ing. Carlos A Fernandez A. Teléfonos: +57 (4) 533 01 48 Móvil: 318 333 33 34 carfer@sintelub.com Calle 102 Nº 70-62 Bogotá Colombia www.sintelub.com

Compro

Ref.

Info Contacto

Marca

SINTELUB S.A.S Ing. Carlos A Fernandez A. Teléfonos: +57 (4) 533 01 48 Móvil: 318 333 33 34 carfer@sintelub.com Calle 102 Nº 70-62 Bogotá Colombia www.sintelub.com

Compro

TRIBOS CLASIFICADOS / tribos@ingenierosdelubricacion.com

TRIBOS CLASIFICADOS / tribos@ingenierosdelubricacion.com

Nombre de la Máquina

Nombre de la Máquina

Ref.

Info Contacto

Marca

SINTELUB S.A.S Ing. Carlos A Fernandez A. Teléfonos: +57 (4) 533 01 48 Móvil: 318 333 33 34 carfer@sintelub.com Calle 102 Nº 70-62 Bogotá Colombia www.sintelub.com

Compro TRIBOS CLASIFICADOS / tribos@ingenierosdelubricacion.com

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

Ref.

Info Contacto

Marca

SINTELUB S.A.S Ing. Carlos A Fernandez A. Teléfonos: +57 (4) 533 01 48 Móvil: 318 333 33 34 carfer@sintelub.com Calle 102 Nº 70-62 Bogotá Colombia www.sintelub.com

Compro TRIBOS CLASIFICADOS / tribos@ingenierosdelubricacion.com

[48]


REVISTA

TRIBOS REVISTA TÉCNICA

SEMINARIOS TRIBOS 2014-01

Los siguientes son los seminarios que TRIBOS INGENIERIA SAS, le ofrece a la industria para ser desarrollados en su empresa o a nivel corporativo para varias empresas: 1. Análisis de Vibraciones de máquinas Categoría II, 32 horas, ISO 18436-2 Medellín, marzo 4, 5,6,7 de 2014 Conferencista ingeniero doctor Pedro Saavedra González, UDEC.

2. Lubricación básica y análisis de laboratorio. Categoría I, 24 horas, Medellín, abril 9, 10 y 11 de 2014. Conferencista ingeniero Pedro Albarracín A. 3. Lubricación y prácticas predictivas Categoría II, 24 horas Cartagena mayo 12, 13, 14, 15 de 2014 Conferencista ingeniero Pedro Albarracín A. 4. Ingenieria de Lubricación de máquinas industriales y automotrices Categoría III, 40 horas Medellín, junio 9,10,11,12,13 de 2014 Conferencista ingeniero Pedro Albarracín A.

vol 2 Nº 1 / enero-febrero / 2014

[49]


Revista tribos enero febrero de 2014