Lubricación

¿Qué es la lubricación?

Cuando dos superficies metálicas se mueven una contra la otra bajo carga sin un lubricante entre ellas, las asperezas microscópicas (picos superficiales) de cada superficie se entrelazan y cortan, generando calor y arrancando metal de ambas superficies. Este proceso, llamado desgaste adhesivo, es rápido y se autoacelera: a medida que los productos del desgaste se acumulan en la zona de contacto, actúan como abrasivos que aceleran el desgaste adicional. Un rodamiento que pierde completamente su película lubricante no se degrada gradualmente; progresa desde la operación normal hasta el desgaste acelerado y el agarrotamiento en minutos bajo cargas y velocidades industriales típicas.

El propósito de un lubricante es interponer una película de material entre esas superficies para que las superficies en sí nunca hagan contacto directo. En la lubricación hidrodinámica, la película de lubricante se forma por la geometría de cuña y el movimiento relativo de las superficies: la película es suficientemente gruesa para que las superficies floten sobre una capa de fluido continua sin que ocurra contacto metal con metal. En la lubricación de frontera, que ocurre a bajas velocidades o bajo cargas muy altas, la película hidrodinámica es demasiado delgada para prevenir el contacto ocasional, y la química de aditivos del lubricante (aditivos antidesgaste y de extrema presión) proporciona protección química en los puntos de contacto. La mayoría de las aplicaciones industriales operan entre estos extremos, en lubricación mixta, donde la película separa las superficies la mayor parte del tiempo, pero las condiciones de frontera ocurren intermitentemente.

La gestión efectiva de la lubricación es considerablemente más amplia que simplemente aplicar grasa a un niple en un programa. Abarca la selección del lubricante (ajustar el producto correcto a la velocidad, carga, temperatura y condiciones ambientales de cada aplicación), la aplicación correcta (cantidad correcta, método correcto, intervalo correcto), el control de contaminación (evitar la entrada de agua, suciedad y lubricantes incompatibles), el monitoreo de condición (detectar la degradación del lubricante y el desgaste antes de que causen fallas), y los intervalos de drenaje y reposición calibrados a la vida útil real del lubricante en lugar de recomendaciones genéricas.

Cómo funcionan los lubricantes: la curva de Stribeck

La relación entre el régimen de lubricación, la viscosidad, la velocidad y la carga se describe mediante la curva de Stribeck, un concepto fundamental en tribología (la ciencia de la fricción, la lubricación y el desgaste). La curva de Stribeck traza el coeficiente de fricción frente a un parámetro combinado que incluye viscosidad, velocidad y presión de contacto:

• Lubricación hidrodinámica (película completa): La película de lubricante separa completamente las dos superficies. La fricción es baja y proviene únicamente del cizallamiento viscoso del propio lubricante, no del contacto metálico. Este régimen se mantiene cuando el grosor de la película es mayor que la rugosidad superficial combinada de las dos superficies. La mayoría de los cojinetes de deslizamiento y rodamientos de elementos rodantes bien lubricados operan en o cerca de este régimen.
• Lubricación mixta: El grosor de la película es comparable a la rugosidad superficial. Ocurre algún contacto de asperezas entre las superficies, complementado por la película de lubricante. La fricción es mayor que en el régimen de película completa e incluye componentes viscosos y de contacto de asperezas. Los aditivos antidesgaste proporcionan protección química en los puntos de contacto.
• Lubricación de frontera: La película de lubricante es demasiado delgada para separar las superficies. Casi toda la carga la soportan los contactos de asperezas, y el papel del lubricante es principalmente químico: las capas adsorbidas y las películas de reacción de los aditivos de extrema presión y antidesgaste previenen la soldadura adhesiva y reducen la resistencia al cizallamiento en los puntos de contacto. La fricción es más alta en este régimen y las tasas de desgaste son significativas.

La implicación práctica es que la selección correcta de viscosidad mueve la aplicación lo más posible hacia el régimen hidrodinámico, dado que las condiciones de velocidad y carga lo permitan, minimizando tanto la fricción como el desgaste. Por eso un lubricante que funciona bien en un rodamiento de alta velocidad y carga ligera fallará en un engranaje de baja velocidad y carga pesada, incluso si todo lo demás de la aplicación parece similar.

Tipos de lubricantes

Lubricantes líquidos (aceites)

Los aceites se clasifican principalmente por grado de viscosidad. Los aceites industriales utilizan el sistema de grado de viscosidad ISO (VG), que especifica la viscosidad cinemática en centistokes a 40°C; los grados van desde ISO VG 2 (muy ligero, similar al agua) hasta ISO VG 3200 (muy pesado). Los aceites de motor y transmisión utilizan la clasificación de viscosidad SAE. El grado ISO VG correcto para una caja de engranajes, sistema de aceite circulante o circuito hidráulico lo especifica el fabricante del equipo y se basa en la velocidad de operación, la carga, la temperatura y las dimensiones de las holguras.

Más allá de la viscosidad, el rendimiento del aceite lo determina su paquete de aditivos: agentes antidesgaste (el dialquilditiofosfonato de zinc, ZDDP, es el más común), aditivos de extrema presión (EP) para engranajes con alta carga, inhibidores de óxido y corrosión, inhibidores de oxidación que extienden la vida útil, detergentes y dispersantes que mantienen la contaminación en suspensión para la filtración, y mejoradores del índice de viscosidad que reducen el cambio de viscosidad con la temperatura. Los aceites base sintéticos (PAO, PAG, ésteres) ofrecen mejor estabilidad térmica, puntos de fluidez más bajos y mayor vida útil que los aceites minerales convencionales para aplicaciones exigentes.

Grasas

La grasa es una dispersión de aceite base en una matriz espesante. El espesante (más comúnmente un jabón metálico: litio, calcio, aluminio o sodio, o un espesante sin jabón como poliorourea o arcilla de bentonita) retiene el aceite base en su lugar y lo libera lentamente a la zona de contacto. El grado de consistencia NLGI (del 0 al 6, con números más altos que indican consistencia más firme) describe la dureza de la grasa; la mayoría de las aplicaciones de rodamientos usan grado NLGI 2, que tiene una consistencia suave similar a la mantequilla.

La compatibilidad del espesante es crítica al cambiar grasas o rellenar rodamientos parcialmente llenos. Muchas combinaciones de diferentes tipos de espesantes son incompatibles: cuando se mezclan, sufren una reacción química que descompone la matriz espesante y provoca que la grasa se ablande o licue, perdiendo su capacidad de permanecer en el rodamiento. Los gráficos de compatibilidad de los proveedores de lubricantes identifican qué combinaciones son seguras. Cuando la compatibilidad es desconocida, el rodamiento debe purgarse completamente de la grasa antigua antes de aplicar el nuevo lubricante.

La causa más común de falla en rodamientos relacionada con la grasa en instalaciones industriales es el exceso de engrase: aplicar demasiada grasa con demasiada frecuencia. La grasa en exceso en un rodamiento no puede escapar de la cavidad. Los elementos rodantes agitan a través del exceso, generando calor. La temperatura elevada acelera la oxidación del aceite base, produciendo productos de degradación ácidos que atacan el acero del rodamiento. En los motores, el exceso de engrase fuerza la grasa a través del sello de laberinto hacia la cavidad del devanado, donde puede cortocircuitar el aislamiento y causar fallas en el devanado. La cantidad correcta, que generalmente es entre el 30 y el 50 por ciento de la cavidad del rodamiento, es crítica para evitar estos resultados.

Lubricantes secos y sólidos

El disulfuro de molibdeno (MoS2), el grafito y el PTFE (politetrafluoroetileno) proporcionan lubricación en aplicaciones donde los aceites y las grasas no son adecuados. Funcionan cizallando a lo largo de planos cristalinos con muy poca fuerza, proporcionando una superficie deslizante de baja fricción sin una película líquida o semisólida. Las aplicaciones incluyen entornos de alta temperatura por encima del rango de operación de los lubricantes convencionales, entornos de vacío o sala limpia donde los lubricantes líquidos se desgasificarían o contaminarían, procesamiento de alimentos donde el contacto incidental con alimentos hace inaceptables los lubricantes a base de petróleo, y superficies en ensamblaje donde se requiere un recubrimiento seco y no migratorio.

Propiedades y selección de lubricantes

Modos de falla de lubricación

Lubricación insuficiente

La película lubricante colapsa cuando la cantidad de lubricante es demasiado baja, los intervalos de reposición son demasiado largos o el lubricante no ha llegado a la zona de contacto. Sin una película, las asperezas metálicas se entrelazan, se genera calor rápidamente y el desgaste se acelera exponencialmente. La lubricación insuficiente en etapas tempranas suele detectarse por la elevación de la temperatura del rodamiento y el aumento de la amplitud de vibración en frecuencias características de la fatiga superficial. Las etapas avanzadas producen ruido audible, decoloración visible de la carcasa del rodamiento por calor y, finalmente, agarrotamiento del rodamiento.

Exceso de lubricación

El exceso de lubricación en rodamientos lubricados con grasa es una de las fallas autoinfligidas más comunes en el mantenimiento industrial. Cuando se aplica demasiada grasa, el exceso no puede drenar y agita bajo los elementos rodantes, convirtiendo la energía cinética en calor. La temperatura elevada acelera la oxidación y la descomposición del espesante. La operación prolongada a temperatura excesiva daña la jaula y las pistas del rodamiento y puede hacer que la grasa migre a través de los sellos del rodamiento hacia los devanados del motor, donde degrada el aislamiento y causa fallas en el devanado. En los motores, es común encontrar que la causa inmediata de una falla en el devanado es un rodamiento con exceso de grasa durante meses o años, no una falla eléctrica primaria.

Lubricante incorrecto

El uso del grado de viscosidad incorrecto es la falla más común por lubricante incorrecto: una viscosidad demasiado baja para la carga y la velocidad permite que la película colapse; una viscosidad demasiado alta evita que el lubricante fluya hacia las holguras ajustadas, privando de lubricante a la zona de contacto. La incompatibilidad del espesante en las grasas es un riesgo relacionado: la mezcla de grasas incompatibles provoca la descomposición del espesante y la pérdida de consistencia. El uso de aceite mineral en una aplicación que requiere aceite base sintético para estabilidad a alta temperatura resulta en oxidación prematura y formación de depósitos.

Lubricante contaminado o degradado

La entrada de agua promueve la corrosión de las pistas y elementos rodantes del rodamiento y reduce la capacidad de carga de la película de aceite. La contaminación por partículas duras proveniente de polvo externo, desechos de desgaste o mantenimiento inadecuado actúa como abrasivo en la zona de contacto, acelerando la fatiga superficial. La oxidación produce ácido y barniz que bloquean los conductos de aceite, dañan las superficies y reducen la efectividad de los aditivos. El análisis de contaminación del aceite detecta el contenido de agua, el recuento y distribución de partículas y el número ácido, dando al equipo de mantenimiento una medida cuantitativa de la condición del lubricante antes de que cause daños al equipo.

El análisis de aceite como herramienta de diagnóstico

El análisis de aceite es la práctica de muestrear periódicamente el lubricante de equipos en operación y analizarlo en un laboratorio. Los resultados le dan al equipo de mantenimiento dos categorías de información: la condición del lubricante (¿sigue siendo apto para el servicio?) y la condición del equipo (¿algún componente interno muestra signos de desgaste anormal?).

El análisis de metales de desgaste mide la concentración de elementos metálicos en la muestra de aceite: hierro de componentes de acero, cobre de bujes de bronce o tubos del refrigerador, aluminio de carcasas, cromo de componentes cromados. El aumento de la concentración de metales de desgaste, en particular cuando el patrón de elementos coincide con un material de componente específico, es uno de los indicadores detectables más tempranos de desgaste interno en desarrollo, a menudo antes que las señales de vibración que puede detectar el análisis de vibraciones. El análisis de partículas de desgaste va más allá al examinar el tamaño y la morfología de las partículas: el desgaste normal por roce produce partículas finas; el desgaste por fatiga produce partículas en forma de placa; el desgaste adhesivo severo produce partículas grandes e irregulares.

El análisis de condición del lubricante mide la viscosidad (¿se ha adelgazado por craqueo térmico o dilución, o se ha espesado por oxidación o contaminación?), el número ácido (¿se han acumulado productos de oxidación hasta el punto de riesgo corrosivo?), el contenido de agua (¿está intacta la integridad del sello o del refrigerador?) y el agotamiento de aditivos (¿los aditivos antidesgaste siguen presentes en concentraciones efectivas?). En conjunto, estas mediciones determinan si el lubricante debe cambiarse ahora, en el próximo intervalo programado o puede extenderse más.

El análisis de aceite, combinado con el análisis infrarrojo de la temperatura del rodamiento y la caja de engranajes y el monitoreo de vibraciones de la condición del rodamiento, proporciona un panorama multi-tecnología de la salud del sistema de lubricación que apoya las decisiones de mantenimiento predictivo. Todas las rutas de lubricación, especificaciones, intervalos y resultados del análisis de aceite deben gestionarse dentro del CMMS, con tareas que aparecen en los programas de mantenimiento preventivo y resultados vinculados al historial del activo.

Cómo construir un programa de lubricación eficaz

Un programa de lubricación industrial eficaz aborda el ciclo de vida completo de la lubricación: selección, aplicación, monitoreo y reposición.

• Racionalización de lubricantes: La mayoría de las instalaciones utilizan muchos más grados y productos de lubricante de los necesarios. Un programa de lubricación racionalizado identifica el número mínimo de productos aprobados que cubren todos los requisitos del equipo, reduciendo el riesgo de contaminación cruzada y simplificando la compra y el almacenamiento.
• Rutas e intervalos de lubricación: Cada pieza de equipo debe tener una especificación de lubricación documentada que indique el producto lubricante correcto, el punto de aplicación, la cantidad y el intervalo. Los intervalos deben basarse en horas de operación, temperatura y exposición a la contaminación, no solo en el tiempo de calendario.
• Disciplina en las cantidades: Las cantidades de grasa deben especificarse en gramos o movimientos de una pistola de engrase calibrada, no en términos vagos como "añadir grasa hasta que aparezca". Usar una pistola calibrada con un volumen de carrera definido y registrar el número de carreras aplicadas es la única forma de aplicar cantidades correctas de manera consistente.
• Control de contaminación: El lubricante nuevo de un proveedor no siempre está limpio. El lubricante debe filtrarse hasta el objetivo de limpieza del equipo antes de su uso y almacenarse en contenedores sellados que eviten la entrada de agua y partículas. El equipo de transferencia (bombas, mangueras, pistolas de distribución) debe ser dedicado por tipo de lubricante para evitar la contaminación cruzada.
• Muestreo para análisis de aceite: Las muestras de aceite representativas tomadas del equipo en operación (no desde el tapón de drenaje, que produce una muestra no representativa) a intervalos definidos proporcionan la retroalimentación necesaria para gestionar la condición del lubricante y detectar el desgaste en desarrollo.

Preguntas frecuentes

La conclusión

La lubricación es la única actividad de mantenimiento preventivo con mayor impacto en la confiabilidad mecánica en la mayoría de las instalaciones industriales. La mayoría de las fallas en rodamientos, engranajes y contactos deslizantes se remontan a una deficiencia de lubricación que era prevenible o detectable antes de que ocurriera el daño catastrófico. Un programa de lubricación disciplinado que cubra la selección correcta del lubricante, cantidades e intervalos de aplicación precisos, control de contaminación y monitoreo de condición regular a través del análisis de aceite genera costos de reemplazo evitados y reducción del tiempo de paro no planificado que superan ampliamente el costo del propio programa.

La integración de las tareas de lubricación con los programas de mantenimiento predictivo crea la defensa más completa contra las fallas relacionadas con la lubricación: las tareas de lubricación preventiva previenen la mayoría de las fallas, mientras que el análisis de aceite y el monitoreo de vibraciones detectan las fallas que ocurren a pesar de una lubricación correcta, proporcionando tiempo para una intervención planificada antes de que ocurran daños secundarios y se vea afectada la producción.