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Introduccióna los lubricantes y la lubricación
EL TUTOR DE LUBRICACION SHELL
Módulo Uno
CONTENIDO
Introducción
Sección Uno
Fricción
Lubricación
El mecanismo de lubricación
Resumen
Sección Dos
Qué hacen los lubricantes?Las funciones de los lubricantes
Tipos de lubricantes
Propiedades importantes de los lubricantes
Resumen
Sección Tres
Qué hay en un lubricante
Aceites bases y aditivos
Aceites bases
La fabricación de aceites lubricantes
Aditivos
Formulación
Resumen
Sección cuatro
El lubricante adecuado para el trabajo
La selección de los lubricantes
Recomendaciones de los fabricantes
Probando los lubricantesResumen
Sección Cinco
Almacenamiento, manejo, y uso de loslubricantes
Contaminación entre lubricantes
Salud ocupacional
Sección Seis
Guías del usuario para implementar unaadecuada administración de la lubricación
Análisis CAVEB
Análisis previos a la selección delubricantes
Racionalización de productos
Manejo de problemas
Selección de mejoras de proceso
Pruebas de campo
Elección de nivel y tipo de mantenimiento
Resumen y costos de análisis productivos
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EL TUTOR DE LUBRICACION SHELL
Módulo Uno
INTRODUCCION
El Tutor de Lubricación Shell ha sido diseñado para
suministrarle la información clave sobre lubricantesy sus aplicaciones. Igualmente pretende desarro-llar su conocimiento de productos y permitirle ha-cer su trabajo más efectivamente. También le pro-porcionará una base sólida para un entrenamientoposterior.
Si usted desea obtener lo mejor del Tutor, es im-portante que trabaje cuidadosa y conciensu-damente los Manuales. Estos han sido diseñados
para ser fáciles de seguir, pero igualmente deman-dará algo de tiempo, esfuerzo y compromiso de suparte. Esperamos que disfrute la experiencia deaprender y que prontovea como los beneficios desu mejora en el conocimiento de productos le ayu-dará a hacer su trabajo más eficientemente.
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Módulo Uno
SECCION UNO
FRICCION
Quées fr ic ción?
Cuando una superficie se desliza sobre otra, siem-pre hay resistencia al movimiento. Esta fuerza deresistencia, o fricción, depende de la naturalezade las dos superficies en contacto. Cuando la fric-ción es pequeña como lo es por ejemplo cuandoun esquiador se desliza hacia abajo sobre unasuperficie de nieve, el movimiento es suave y fácil.Cuando la fricción es grande, deslizarse se vuelvedifícil, las superficies se tornan calientes y sé des-gastan. Esto pasa, por ejemplo cuando las pasti-llas de los frenos son aplicadas para disminuir lavelocidad de una rueda.
Quécausa la fri cc ión?
La fricción es el resultado de la rugosidad de lassuperficies. Bajo microscopio electrónico, aún lassuperficies aparentemente más lisas, muestranmuchas rugosidades o asperezas.
Dos superficies que aparentan estar en contactototal, realmente se están tocando una con la otraen los picos de sus asperezas. Toda carga es por lo tanto soportada solamente en unos pequeñospuntos y la presión sobre estos es enorme.
Cuando las superficies se mueven, las asperezaspueden quedar trancadas una con las otra y se
pueden soldar. Entre más sé presione una superfi-cie con la otra mayor será la fricción.
Las con secuenc ias de la fricción
En la mayoría de las máquinas es importante man-tener la fricción entre las partes móviles a un míni-mo. Cuando la fricción es excesiva, tiene que ha-cerse trabajo adicional para continuar él movimien-to. Esto genera calor y gasto de energía. La fric-ción también incrementa el desgaste y por tantoreduce la vida de la máquina.
Movimiento
Fricción
Contacto entre dos superficies
Fricción y sus causas
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Módulo Uno
Más acerca de
LA FRICCION
Como la fuerza friccional entre dos superficies es,proporcional a la carga es posible definir un valor conocido como coeficiente de fricción, el cuales igual a la fricción dividida por la carga. El coefi-
ciente de fricción depende de la naturaleza de lasdos superficies en contacto. Para sólidos ordina-rios oscila en el rango de 0.3 y 3. Cuando un lubri-cante está presente entre las dos superficies, elcoeficiente de fricción y por lo tanto la fuerza ne-cesaria para producir el movimiento relativo, se re-duce.
De acuerdo a las leyes de fricción él coeficiente dela fricción de dos cuerpos debe ser una constante.
En la práctica, éste varía ligeramente con cambiosen la carga y con cambios en la velocidad de des-lizamiento. La fuerza necesaria para que un cuer-po comience a deslizarse sobre otro, o sea, la fric-ción estática, es siempre mayor que la friccióndinámica que es la fuerza necesaria para que semantenga en movimiento una vez éste haya co-menzado.
Fricción Fricción x 2 Fricción x 3
Fricción Fricción Fricción= =
Movimiento
La primera ley de la Fricción
La segunda ley de la Fricción
n física clásica hay dos leyes que describenla fricción entre dos superficies
La primera ley de la fricción, establece que lafricción entre dos sólidos es independiente de elárea de contacto. Por lo tanto de acuerdo con estaley, cuando un ladrillo es movido a lo largo de unalámina de metal la fuerza opuesta a su movimientoserá la misma sí el ladrillo se desliza sobre sucara inferior, sobre su cara anterior o sobre su cara
lateral.
La segunda ley de la fricción, establece que lafricción es proporcional a la carga ejercida por unasuperficie sobre otra. Esto significa que, sí un se-gundo ladrillo es colocado encima del ladrillo delprimer ejemplo, la fricción será duplicada. Tres la-drillos triplicarán la fricción y así sucesivamente.
E
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Módulo Uno
LUBRICACION
Quées la lubr icación?
Cualquier procedimiento que reduzca la fricciónentre dos superficies móviles es denominado lu-bricación. Cualquier material utilizado para estepropósito es conocido como lubricante.
Cómo la lubricación reduce la fricc ión?
La principal función de un lubricante es proveer unapelícula para separar las superficies y hacer elmovimiento más fácil. En un modelo donde un
líquido actúa como lubricante, el líquido puede ser tomado como si formara un número de capas conlas dos capas externas, superior e inferior adheri-das firmemente a las superficies. A medida queuna de las superficies se mueva sobre la otra, lascapas externas del lubricante permanecen adheri-das a las superficies mientras que las capas inter-nas son forzadas a deslizarse una sobre otra. Laresistencia al movimiento no está gobernada por la fuerza requerida para separar las asperezas de
las dos superficies opuestas y poder moverse unasobre otra. En su lugar, esta resistencia está de-terminada por la fuerza necesaria para deslizar lascapas de lubricante una sobre otra. Esta es nor-malmente mucho menor que la fuerza necesariapara superar la fricción entre dos superficies sinlubricar.
Las co nsecuencias de la lubricación
Debido a que la lubricación disminuye la fricción,ésta ahorra energía y reduce él desgaste. Sin em-
bargo, aún el mejor lubricante, nunca podrá elimi-nar la fricción completamente. En el motor de unvehículo eficientemente lubricado, por ejemplo, casiel 20% de la energía generada es usada para su-
perar la fricción.
Lubricacion
Contacto entre dos superficies
El efecto de un lubricante
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Módulo Uno
Más acerca de
LA LUBRICACION
a lubricación siempre mejora la suavidad del
movimiento de una superficie sobre otra. Estopuede ser logrado en una variedad de formas. Losdiferentes tipos de lubricación normalmente sondenominados Regímenes de Lubricación.
Transiciones entre los diferentes regímenes tienenlugar durante él ciclo operacional de las máqui-nas.
Las mejores condiciones de lubricación existen
cuando las dos superficies móviles están comple-tamente separadas por una película de lubricantecomo él modelo descrito en la página anterior. Estaforma de lubricación es conocida como Hidrodi-námica o lubricación de película gruesa. Elespesor de la película de aceite depende principal-mente de la viscosidad del lubricante, una medi-da de su espesor o la resistencia a fluir.
Por otro lado, la lubricación es menos eficiente
cuando la película es tan delgada que él contactoentre las superficies tiene lugar sobre una área si-milar a cuando no hay lubricante. Estas condicio-nes definen la lubricación límite . La carga totales soportada por capas muy pequeñas de lubri-cante adyacentes a las superficies. La fricción esmenor que en superficies completamente sin lu-bricar y está principalmente determinada por lanaturaleza química del lubricante.
Varios regímenes de lubricación han sido identifi-cados entre los dos extremos de lubricación hidro-
dinámica y límite. Las siguientes son las dos más
importantes.L Alt a
Velocidad
BajaVelocidad
Muy BajaVelocidad
Lubricación Hidrodinámica
Lubricación Mixta
Lubricación Límite
Lubricación mixta o de película delgada, exis-te cuando las superficies móviles están separadaspor una película de lubricante continua con espe-sor comparable a la rugosidad de las superficies.Esta carga entonces está soportada por una mez-cla de presión de aceite y los contactos entre su-perficies de tal forma que las propiedades de esterégimen de lubricación son una combinación tantode lubricación hidrodinámica como límite.
La lubricación elastohidrodinámica, es un tipoespecial de lubricación hidrodinámica la cual se
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Módulo Uno
puede desarrollar en ciertos contactos con altascargas, tales como cojinetes y algunos tipos deengranajes. En estos mecanismos él lubricante esarrastrado hacia el área de contacto y luego sujetoa muy altas presiones a medida que es comprimi-do bajo carga pesada.
El incremento de la presión tiene dos efectos. Pri-mero que todo, causa él incremento en la viscosi-dad del lubricante y por lo tanto un aumento en sucapacidad de soportar cargas.
En segundo lugar, la presión deforma las superfi-cies cargadas y distribuye la carga sobre un áreamayor.
LubricaciónElastohidrodinámica
CilindroRotatorio
Películade aceite
Alta presiónincrementala viscosidad
y deforma
la superficie
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Módulo Uno
EL MECANISMO DE LA LUBRICACION
La mayoría de las máquinas son lubricadas por los líquidos. Cómo son capaces estos líquidos de
separar superficies y reducir la fricción entre ellas?Con el objeto de entender en que forma los líqui-dos lubrican en la práctica, es útil observar el casode la chumacera simple. En este dispositivo sen-cillo ampliamente utilizado, un eje soporta las car-gas y rota dentro de una cavidad de aceite. Un
La formación de una cuña de
aceite en un cojinete plano.
La formación de una cuña
de aceite.
ejemplo es una biela del motor de un carro.
A medida que el eje rota, una cuña de aceite seforma entre las superficies, la cual genera suficiente
presión para mantenerlas separadas y sopotar lacarga del eje.
Las cuñas de aceite, se pueden formar en otro tipode chumaceras, tales como cojinetes con elemen-tos deslizantes y rodantes, por un mecanismo si-milar.
Cojinete
Contacto metal - metal
EjeRotatorio
Cuña de aceitesoporte de carga
En cojinete deslizante
En un cojinete con elementos rodantes En un engranaje
EjeEstacionario
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Módulo Uno
La lubricación más eficiente , es la llamada lu-bricación hidrodinámica y es solamente obtenidacuando la película de aceite que se genera en uncojinete tiene un espesor varias veces mayor que
la rugosidad de las superficies sólidas opuestas.Sí la película de aceite es demasiado delgada, lassuperficies entran en contacto directo, la fricciónse incrementa, se genera calor y ocurre desgaste.
LubricaciónHidrodinámica
Varios factores influyen en la formación de la pelí-
cula de aceite y por lo tanto en la eficiencia de lalubricación. Estos incluyen:
La viscosidad del lubricante
Este es el factor más importante. Sí la viscosidaddel lubricante es demasiado baja, esto es que ellubricante es muy delgado, éste no será capaz deformar una cuña de aceite adecuada. Es imposi-ble generar suficiente presión para separar las su-
perficies móviles. Si, por otro lado, la viscosidades demasiado alta, el espesor del lubricante pue-
de restringir el movimiento relativo entre dos su-perficies. La viscosidad de un líquido disminuye alincrementarse la temperatura, por lo tanto un coji-nete que esté lubricado eficientemente en frío pue-
de que no trabaje bien si se calienta.
Estaremos observando la viscosidad y su variacióncon la temperatura con más detalle en la siguientesección.
Diseño del cojinete
La forma de las superficies lubricadas debe favore-cer la formación de una cuña de aceite. Por lo tan-to debe haber un espacio adecuado entre las su-perficies móviles.
Alimentación del lubricante
Claramente, la lubricación hidrodinámica no sepuede desarrollar sí hay falta de lubricante.
El movimiento relativo de las superficies
Entre mayor sea la velocidad de deslizamiento
mayor será la película de aceite, asumiendo quela temperatura permanezca constante. Una con-secuencia importante de esto es que las superfi-cies en movimiento, tenderán a entrar en contactocuando el equipo arranque o pare.
La carga
A cualquier temperatura dada, un incremento de lacarga tenderá a disminuir la película de aceite. Una
carga excesiva tenderá a incrementar la fricción yel desgaste.
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RESUMEN DE LA SECCION UNO
Fricción es el nombre dado a la fuerza que re-siste el movimiento relativo entre dos superfi-cies en contacto. La fricción genera calor, con-sumo de energía y aumenta él desgaste.
Lubricación es el nombre dado a cualquier pro-cedimiento que reduzca la fricción. El principalobjetivo de la lubricación es separar las superfi-cies opuestas y hacer el movimiento más fácil.
La lubricación ahorra energía y reduce él des-gaste.
Las mejores condiciones de lubricación ocurrencuando una película de lubricante gruesa se for-ma y es suficiente para separar las superficiesmóviles y soportar la carga sobre ellas. Esta esllamada lubricación hidrodinámica.
La lubricación hidrodinámica solamente se pue-de desarrollar si la geometría de las superficieslubricadas ayudan a la formación de una cuñade lubricante.
La lubricación hidrodinámica está favorecida por
el incremento en la viscosidad del lubricante,una disminución de la temperatura (la cualincrementa la viscosidad del lubricante), un in-cremento en la velocidad de deslizamiento y unadisminución de la carga.
La eficiencia de la lubricación hidrodinámica sereduce y el contacto entre las superficies esmás probable que ocurra cuando la viscosidaddel lubricante disminuye, la velocidad de desli-zamiento disminuye y la carga aumenta.
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Sección Dos
QUE HACEN LOS LUBRICANTES
Los lubricantes cumplen con numerosas fun-ciones diferentes de su papel principal de re-ducir la fricción y el desgaste. En esta sec-ción revisaremos las funciones más importan-tes de los lubricantes, antes de entrar a consi-derar las propiedades que deben tener para tra-bajar eficientemente. Le pondremos particular atención a la viscosidad ya que ésta es casisiempre la propiedad más importante de unlubricante.
Cuando usted haya estudiado la información clavede esta sección, usted deberá ser capaz de:
Listar cuatro funciones importantes que cum-plen los lubricantes.
Listar los cuatro tipos de lubricantes básicosy resumir sus ventajas y desventajas.
Definir el término viscosidad y explicar cómoel sistema SAE es usado para clasificar losaceites de acuerdo a su viscosidad.
Establecer cual es el significado del términoíndice de viscosidad y explicar cómo las pro-piedades de los aceites con índices de visco-sidad altas y bajas difieren entre si.
Resumir el significado de las siguientes pro-
piedades de los lubricantes: Flujo a baja tem-peratura, estabilidad térmica y química,
conductividad térmica y calor específico,corrosividad, demulsificación, emulsificación,inflamabilidad, compatibilidad y toxicidad.
Si estudia la información complementaria Ustedestará en capacidad de:
Dar ejemplos de funciones adicionales que loslubricantes utilizados en aplicaciones especia-les tengan que cumplir.
Comparar y contrastar las propiedades im-portantes de los tipos básicos de lubricantes.
Explicar cómo se desarrolla el flujo viscoso enun líquido y establecer cómo la viscosidad pue-de ser definida en términos de tensión de cor-te y rata de corte.
Resumir el procedimiento utilizado para deter-minar el índice de viscosidad de un aceite.
Describir el efecto de la presión sobre la visco-sidad de un líquido.
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Protección co ntra la corros ión
La lubricación efectiva minimiza él desgaste me-cánico, reduciendo el contacto entre las superfi-
cies móviles. Sin embargo, el desgaste químico ocorrosión, puede tener lugar.
Obviamente, un lubricante no debe causar corro-sión. Idealmente, debe proteger activamente lassuperficies que lubrica inhibiendo cualquier dañoque pueda ser causado por el agua, ácidos u otrosagentes dañinos que contaminen el sistema.
Los lubricantes deben proteger contra la corrosiónen dos formas diferentes. Deben cubrir la superfi-cie y proveer una barrera física contra el ataque. Además, muchos lubricantes reaccionan con losquímicos corrosivos para neutralizarlos.
Mantenimiento de la l imp ieza
La eficiencia con la cual una máquina opera esreducida sí su mecanismo sé contamina con polvoy arena o los productos del desgaste y la corro-
sión. Estas partículas sólidas pueden incrementar el desgaste, promover más corrosión y puden blo-quear las tuberías de alimentación y los filtros. Loslubricantes ayudan a mantener las máquinas lim-pias y operando eficientemente, lavando los con-taminantes de los mecanismos lubricados. Algu-nos lubricantes, como los de motor, contienen ade-más aditivos que suspenden las partículas y dis-persan los contaminantes solubles en el aceite.Esto detiene la acumulación y depósito sobre las
superficies de trabajo lubricadas.
FUNCIONES DE LOS LUBRICANTES
Los lubricantes no solamente deben lubricar. En lamayoría de las aplicaciones deben refrigerar, pro-
teger, mantener la limpieza y algunas veces llevar a cabo otras funciones.
Lubricación
La principal función de un lubricante es simplemen-te hacer más fácil que una superficie se deslicesobre otra. Esto reduce la fricción, el desgaste yahorra energía.
Refrigeración Cualquier material que reduzca la fricción actuarácomo un refrigerante, simplemente, porque reducela cantidad de calor generada cuando dos superfi-cies rozan una contra otra. Muchas máquinas bienlubricadas aún generan cantidades considerablesde calor, sin embargo, este calor en exceso debeser removido si se quiere que la máquina funcioneeficientemente. Los lubricantes son frecuentemen-
te usados para prevenir él sobrecalentamiento,transfiriendo calor de las áreas más calientes alas áreas más frías.
Quizás el ejemplo más familiar de un lubricanteempleado como refrigerante es él aceite utilizadoen los motores de nuestros vehículos, pero estafunción es vital en muchas otras aplicaciones. Losaceites para compresores, los aceites para turbi-nas, aceites para engranajes, aceites de corte y
muchos otros lubricantes deben ser buenosrefrigerantes.
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Sellado
El aceite utilizado en motores de combustióninterna debe preveer un sellado efectivo entrelos anillos del pistón y las paredes del cilindro.El sellado es también importante en la lubrica-ción de bombas y compresores.
Transmisión de Potencia
Los aceites hidráulicos son usados para latransmisión y control de la potencia al igualque la lubricación de trabajo del sistema hi-dráulico.
Aislamiento
Los aceites de aislamiento son utilizados enlos transformadores eléctricos e interruptoresde potencia.
Otras funciones de los lubricantes
Los lubricantes utilizados para aplicaciones par
ticulares pueden requerir otras funciones ade-más de las descritas anteriormente. Por ejemplo:
I t d ió
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TIPOS DE LUBRICANTES
Hay básicamente cuatro tipos de materiales dis-ponibles para llevar a cabo, en mayor o menor gra-do, las funciones de un lubricante.
Líquid os
Muchos líquidos diferentes pueden ser utilizadoscomo lubricantes, pero los más ampliamente utili-zados son los basados en aceites minerales deri-vados del petróleo crudo. Su fabricación y compo-sición será vista con más detalle en la próximasección de este módulo.
Otros aceites utilizados como lubricantes incluyenlos aceites naturales (aceites animales o vege-tales) y los aceites sintéticos.
Los aceites naturales pueden ser excelenteslubricantes, pero tienden a degradarse más rápidoen uso que los aceites minerales. En el pasado,fueron poco utilizados para aplicaciones de inge-niería por sí solos, aunque algunas veces fueronusados en combinaciones con los aceites minera-
les. Recientemente, ha habido un interés crecien-te sobre las posibles aplicaciones de los aceitesvegetales como lubricantes. Estos aceites sonbiodegradables y menos nocivos al medio ambien-te que los aceites minerales.
Los aceites sintéticos son fabricados mediante pro-cesos químicos y tienden a ser costosos. Son es-pecialmente usados cuando alguna propiedad enparticular es esencial, tal como la resistencia a
las temperaturas extremas requeridas por los acei-tes de motores de aviación.
A temperaturas normales de operación, los acei-tes fluyen libremente, de tal forma que pueden ser fácilmente alimentados hacia o desde las partesmóviles de la máquina para proveer una lubrica-
ción efectiva y extraer él calor y las partículas dedesgaste. Por otro lado, debido a que son líqui-dos, los lubricantes se pueden salir del sitio quenecesita ser lubricado, y no formar el sellado con-tra el sucio y la humedad.
Grasas Una grasa es un lubricante semifluido generalmenteelaborado de aceite mineral y un agente espesante(tradicionalmente jabón o arcilla), que permite re-
tener el lubricante en los sitios donde se aplica.Las grasas protegen efectivamente a las superfi-cies de la contaminación externa, sin embargo,debido a que no fluyen tan libremente como losaceites, son menos refrigerantes que éstos y másdifíciles de aplicar a una máquina cuando está enoperación.
Sólidos Los materiales utilizados como lubricantes sólidosson grafito, bisulfuro de molibdeno ypolitetrafluoroetileno (PTFE o Teflón). Estos com-puestos son utilizados en menor escala que losaceites y grasas, pero son invaluables para aplica-ciones especiales en condiciones donde los acei-tes y las grasas no pueden ser toleradas. Ellospueden, por ejemplo, ser usados en condicionesextremas de temperatura y de ambientes dereactivos químicos. Las patas telescópicas del
Módulo Lunar del Apolo fueron lubricadas conbisulfuro de molibdeno.
I t d ió
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Gases
El aire y otros gases pueden ser empleados comolubricantes, pero son generalmente usados parapropósitos especiales. Los cojinetes lubricadoscon aire pueden operar a altas velocidades, perodeben tener bajas cargas. Tales cojinetes se utili-zan en las fresas de los dentistas.
I t d ió EL TUTOR DE LUBRICACION SHELL
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UNA COMPARACION DE LOS TIPOS BASICOS DE LUBRICANTES
lgunas características importantes de los tipos básicos de lubricantes son comparadas en la siguien-te tabla.A
Aceites Grasas Sólidos Gases
Lubricación HidrodinámicaLubricación Hidrodinámica
Lubricación LímiteLubricación Límite
RefrigeraciónRefrigeración
FacilidadFacilidad dede alimentaciónalimentación
Habilidad para permanecer Habilidad para permanecer enen elel
cojinetecojinete
Habilidad para proteger Habilidad para proteger contra lacontra lacontaminacióncontaminación
ProtecciónProtección contra lacontra la corrosióncorrosión
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RangoRango dede temperaturatemperatura dede
operaciónoperación * ** * * ** * * * * ** * * * * * ** * *
CódigoCódigo:: Excelente Excelente * * * ** * * * Muy BuenoMuy Bueno * * * * * * BuenoBueno * ** * RegularRegular ** Inaplicable Inaplicable
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PROPIEDADES IMPORTANTES DE LOS LUBRICANTES
Muchos factores deben ser tenidos en cuenta cuan-
do se escoge un aceite. El más importante de to-dos es la viscosidad.
Viscosidad
La definición más simple de viscosidad es la resis-tencia a fluir. Bajo las mismas condiciones de tem-peratura y presión un líquido con una viscosidadbaja, como él agua, fluirá más rápidamente quelíquido con alta viscosidad como una jalea.
La viscosidad de los aceites para motores de com-bustión interna, están clasificadas de acuerdo alsistema SAE diseñado por la Sociedad America-na de Ingenieros Automotrices. Para los aceitesde motor sé han especificado diez grados, cadauno correspondiente a un rango de viscosidad.
Cuatro de los grados están basados en las medi-das de viscosidad a 100°C. Estas son en su orden
de incremento de la viscosidad, SAE 20, SAE 30,SAE 40 y SAE 50. Los otros grados están basa-dos en la medida de la máxima viscosidad a bajastemperaturas. Estos grados son: SAE 0W (medi-da a -30°C), SAE 5W (medida a -25°C), SAE 10W(medida a -20°C).
El sufijo "W" indica que un aceite es adecuadopara uso en invierno.
Los aceites que pueden ser clasificados en solouno de los anteriores grados, son conocidos como
aceites monógrados. Un aceite que cumpla conlos requerimientos de dos grados simultáneamen-te, es conocido como un aceite multígrado. Por ejemplo, un aceite SAE 20W20 tiene una viscosi-
dad a 1008C que lo califica para el rango 20W.
SAE 0W
SAE 5W
SAE 10WSAE 15W SAE 20W
SAE 25W
SAE 50
SAE 40
SAE 30
SAE 20
Grueso
Delgado
Temp ( oC ) - 30 - 25 - 20 - 15 - 10 - 5 100
Grados de viscosidadde baja temperatura
( solamente especificadamáxima viscosidad)
Grados de viscosidadde alta temperatura( viscosidad máxima
y mínima especificadas)
V i s c o s i d a d
Aceite de motor en grados de viscosidad (Sistema SAE J300)
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Más acerca de
EL SISTEMA DE VISCOSIDADES GRADOS SAE
os grados SAE al igual que definen losgrados de viscosidad, también definen la tem-
peratura límite de bombeabilidad (BPT) para losgrados "W" del aceite. La temperatura límite debombeabilidad está definida como la temperaturamás baja a la cual un aceite para motor puede ser continua y adecuadamente suministrado a la bom-ba de aceite del motor.
L
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Un sistema similar al usado para los aceites demotor es utilizado para clasificar los aceites deengranajes automotrices. En este sistema, los gra-dos SAE 90, SAE 140 y SAE 250 están basadosen las medidas de viscosidad a 100°C y los gra-dos SAE 75W, 80W y 85W son medidas a -49°C,-26°C y -12°C respectivamente. El sistema de cla-sificación de estos aceites para engranajes es in-dependiente del usado para aceites de motor, locual hace difícil comparar sus viscosidades. Por ejemplo, un aceite para motor SAE 50 puede real-mente ser un poco más viscoso que un aceite paraengranajes SAE 80W.
Se utilizan sistemas alternativos para clasificar loslubricantes industriales de acuerdo con sus
viscosidades. En el sistema ISO se definen 18 gra-dos, cada uno cubre un pequeño rango de viscosi-dad y está especificado por el término ISO VGseguido por un número, el cual es una medida desu viscosidad a 40°C. Esta viscosidad a cualquier grado es mayor que su grado inmediatamente an-terior.
Es importante anotar que, cualquiera que sea elsistema de grados usado SAE, BSI o ISO, el nú-mero sé relaciona solamente con la viscosidad delaceite. Esto no revela nada respecto a sus otraspropiedades o sobre la calidad o desempeño delaceite.
Grados de viscosidadde baja temperatura
( solamente especificadamáxima viscosidad )
SAE 75W SAE 80W SAE 85W
SAE 250
SAE 140
SAE 90
Grueso
Delgado
Temp ( oC ) - 55 - 40 - 26 - 12 - 0 100
Grados de viscosidadde alta temperatura
V i s c o s i d a
d
2
3
5
7
1015
22
32
46
68
100
150
220
320
460
680
1000
1500
Delgado
Grueso
Grados de viscosidadde lubricantes industriales( Sistemas ISO )
Grados de viscosidad para automotores (Sistema SAE J300)
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Introduccióna los lubricantes y la lubricación
EL TUTOR DE LUBRICACION SHELL
Módulo Uno
Más acerca de
LA VISCOSIDAD
La viscosidad puede ser definida en términos
de un modelo simple, en el cual una películafina de líquido es colocada entre dos superficiesplanas paralelas. Las moléculas del líquido son con-sideradas como esferas que pueden rodar en ca-pas entre las superficies a lo largo de ellas. Laviscosidad del líquido es esencialmente una medi-da de la fricción entre dos moléculas mientras semueven unas sobre las otras. Depende de las fuer-zas entre las moléculas y por lo tanto están
influenciadas por su estructura molecular.Suponga que la superficie inferior se mantiene es-tacionaria, y la superior es movida a lo largo a unavelocidad constante. Las moléculas cerca a la su-perficie en movimiento tenderán a adherirse y amoverse con ella, las capas interiores se moveránigualmente pero más despacio, y las del fondo nose moverán. Este movimiento ordenado de lasmoléculas es definido como flujo viscoso y la di-
ferencia en la velocidad de cada capa es conocidacomo la rata de corte .
La viscosidad es definida como la tensión de cor-te (que es la fuerza causante del movimiento delas capas) dividida por la rata de corte.
Esta definición de viscosidad es la viscosidadabsoluta o dinámica , y es usada por los ingenie-ros en cálculos de diseño de cojinetes. Es medida
con una unidad conocida como centipoise (cP).Los fabricantes de lubricantes y los usuarios nor-
malmente encuentran más conveniente utilizar ladefinición alternativa, la viscosidad cinemática.Esta es la viscosidad dinámica dividida por la den-sidad del lubricante y está medida en unidadesconocidas como centistokes (cSt).
El agua a temperatura ambiente tiene una viscosi-dad cinemática cercana a 1 cSt y la viscosidad dela mayoría de los aceites lubricantes a su tempe-ratura de operación oscila en el rango de 10 - 1000cSt.
Definición de viscosidad
viscosidadEsfuerzo cortante
Rata de cizallamiento
Fuerza aplicada por unidad de área
Velocidad del aceite espesor de películaF / A
V / h
Superficie en movimiento
a velocidad “ V” área “ A”
Superficie estacionariaPelícula de
aceite
Fuerza “ F ”
Velocidad del aceite = vVelocidad del aceite = 1/2v
Velocidad del aceite = 0h
Espesor depelícula
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Módulo Uno
Indice d e Viscosidad
La selección de un lubricante adecuado requiereno solo conocer su viscosidad, sino también, en-tender la forma como ésta cambia con la tempera-tura. La viscosidad de cualquier líquido disminuyea medida que la temperatura aumenta, por lo tan-to, un aceite con una viscosidad apropiada a tem-peratura ambiente, puede ser muy delgado a latemperatura de operación, un aceite con viscosi-dad adecuada a la temperatura de operación pue-de llegar a ser tan viscoso a bajas temperaturasque impide el arranque en frío del mecanismo lu-bricado.
El índice de viscosidad de un lubricante descri-be el efecto de la temperatura en su viscosidad.Los aceites con una viscosidad muy sensible alos cambios de la temperatura se dice que tienenun bajo índice de viscosidad, los aceites de altoíndice de viscosidad son menos afectados por loscambios de temperatura.
El índice de viscosidad de un aceite está determi-
nado por su viscosidad a 40°C y 100°C. El rangonormal de índice de viscosidad para aceites mine-rales es de 0 a 100. Aceites con índice de viscosi-dad mayor de 85, son llamados aceites de altoíndice de viscosidad (HVI). Aquellos con índicesmenores a 30 son conocidos como aceites de bajoíndice de viscosidad (LVI), los situados en el ran-go intermedio son conocidos como aceites de me-diano índice de viscosidad (MVI).
Como veremos en la siguiente sección, es posibleincrementar el índice de viscosidad de un aceite
Grueso
Temperatura 40 oC 100 oC
V i s c o s i d
a d
Delgado
ACEITE HVI
ACEITE MVI
ACEITE LVI
Variación de la viscosidad con la temperatura
mineral adicionando un mejorador del índice deviscosidad. Esto, unido a las más modernas téc-nicas de refinación, permite la producción de acei-tes de motor multígrados con índices de viscosi-dad de 130 o más.
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Más acerca de
LA VISCOSIDAD
medida que un líquido se calienta las fuerzasentre sus moléculas se debilitan y éstas soncapaces de moverse más libremente. La fricciónentre ellas y la viscosidad del líquido disminuyen amedida que la temperatura se incrementa. Gene-ralmente, para la mayoría de los líquidos comu-nes, entre más grandes sean las moléculas, ma-yor será afectada su viscosidad por los cambiosde temperatura.
Cuando se grafica viscosidad contra temperatura,se obtiene una curva suave, pero la forma precisade la curva depende del líquido en particular. Debi-do a esto, muchas medidas de viscosidad y tem-peratura son necesarias antes de ser posible pre-decir exactamente la viscosidad a una temperatu-ra dada. Sin embargo, se ha demostrado que parauna escala diferente en los ejes de la gráfica, esposible producir una línea recta relacionando losdatos de viscosidad y temperatura para la mayoría
de los líquidos (las escalas escogidas son lalogarítmica de la temperatura y el logaritmo de laviscosidad). Utilizando tales gráficas, es posiblepredecir la viscosidad de un líquido a cualquier tem-peratura, si se conocen las viscosidades a dostemperaturas. El sistema del índice de viscosidaddepende de esta relación.
El índice de viscosidad de un aceite desconocidoes asignado comparando sus características de
viscosidad/temperatura con aceites estándar de
referencia. Los estándares usados fueron escogi-dos hace años y en ese tiempo fueron aceites quemostraron los mayores y menores cambios en laviscosidad con la temperatura. Sus índices de vis-cosidad fueron valores arbitrariamente asignadosde 0 a 100 respectivamente, y se asumió que cual-quier otro aceite tendría un índice de viscosidadentre estos límites.
A
La variación de la viscosidad con la temperatura para un aceitelubricante típico graficado en escala lineal.
La variación de la viscosidad con la temperatura para diferentes
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Temperatura en °C V i s c o s i d a d c i n e m á t i c a c S t
50 100
500,000
Temperatura en °C V i s c o s i d a d c i n e m á t i c a c S t
C e n t i s t o k e s
50 100
10,000
1000
100
50
20
10
2
200
SAE 40SAE 30SAE 20
SAE 10 W
SAE 5 W
SAE 40 10 W / 40Multígrado
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En la práctica, el sistemadel índice de viscosidad
tiene varias limitaciones particularmente para acei-tes con alto índice de viscosidad. Su uso principal,simplemente es dar una indicación de la formacomo la viscosidad cambia con la temperatura.
Viscosidad y Presión
La viscosidad de un líquido depende de la presiónal igual que de la temperatura. Un incremento enla presión comprime las moléculas de un líquido,incrementando la fricción entre ellas, por lo tantoaumenta la viscosidad. Para muchas aplicaciones,este efecto no es significativo, pero cuando loslubricantes están sujetos a presiones muy altas(200 bar o más) como por ejemplo en las interfacesde un engranaje o de un cojinete, la viscosidad dellubricante puede ser afectada.
Adicional a la viscosidad, otras propiedades de-ben ser consideradas para asegurar que un lubri-
cante continúa lubricando, refrigerando, protegien-do contra la corrosión, manteniendo la limpieza y
Pendiente viscosidad/temperatura de aceitede referencia con
índice de viscosidad 0
Temperatura en °C
V i s c o s i d a d c i n e m á t i c a c S t
50 100
VI 0
VI 25
VI 75
VI 100
Pendiente viscosidad/temperatura de aceitede referenciaconíndice de viscosidaddesconocido e igual a
100°C que los aceitesde referencia.
Pendiente viscosidad/temperatura de aceitede referencia con
índice deviscosidad100
Determinación del índice de viscosidad por comparación con
aceites de referencia.
llevando acabo cualquier otra función requerida conseguridad y por el máximo período de tiempo parauna aplicación dada.
Flujo a baja temperatura
Cuando las máquinas están operando en condi-ciones frías es importante que los aceites usadospara lubricarlas retengan la habilidad para fluir abajas temperaturas. La temperatura más baja a lacual un aceite fluirá, es conocida como su puntode fluidez. En la práctica, los lubricantes debentener un punto de fluidez de menos 10°C por debajo de la temperatura a la cual se espera traba- jar.
Est ab ili dad térm ica
Si un aceite se calienta en su uso, es importanteque no se descomponga hasta el extremo de nopoder lubricar adecuadamente, o que productosinflamables o peligrosos sean liberados.
Estab ilid ad química
Los lubricantes pueden entrar en contacto con unavariedad de sustancias, por lo tanto deben ser ca-paces de soportar el ataque químico de éstas o delo contrario serán inadecuados para su uso.
La oxidación, por reacción con el oxígeno del aire,es la causa más importante del deterioro de losaceites minerales. Esto genera productos de tipoácido que pueden corroer las superficies y formar depósitos de gomas sobre partes que operan a
altas temperaturas. La oxidación también producelodos que alteran el flujo del aceite.
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Propiedades de transferencia de calor
Los lubricantes que son buenos conductores decalor deben ser usados donde sea necesario ex-traer calor de un cojinete. La habilidad de un mate-
rial para conducir calor es su conductivilidad tér-mica. Usualmente, los aceites con baja viscosi-dad son mejores conductores de calor que los acei-tes de mayor viscosidad.
Un sistema donde la refrigeración depende de lacirculación del aceite, el calor específico del acei-te es una propiedad importante. Esta determina lacantidad de calor que el aceite puede extraer.
Formación de depósitos en los pistones - un resultado de la
oxidación de películas delgadas de aceite a altas temperaturas.
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Corrosividad
Un lubricante no debe corroer la superficie metáli-ca con al cual entra en contacto. Muchos aceitesminerales tienen pequeñas cantidades de ácidos
débiles, los cuales usualmente no son nocivos. Sinembargo, como se mencionó en la página 22, losaceites minerales que están en contacto con elaire a altas temperaturas son oxidados producien-do compuestos ácidos. El aceite entonces puedevolverse corrosivo a los metales.
La acidez o basicidad de un lubricante puede ser expresada en términos de la cantidad del álcali oácido necesario para neutralizarlo. La evaluaciónde este número de neutralización da una indi-cación del deterioro de un aceite en servicio.
Demulsif icación (separabi l idad del agua)
Cuando se adiciona agua al aceite, normalmentese forma una capa separada debido a que es inso-luble. En algunos casos, sin embargo, es posibledispersar agua en aceite o aceite en agua, en for-ma de pequeñas goticas. Estas mezclas son co-nocidas como emulsiones. En la mayoría de lasaplicaciones industriales la formación deemulsiones debe ser evitada. Las emulsiones tie-nen un efecto dañino sobre la habilidad del aceitea lubricar y pueden promover la corrosión de lassuperficies lubricadas.
En turbinas, compresores, sistemas hidráulicos yotras aplicaciones donde los lubricantes pueden
contaminarse con agua, es importante que éstostengan buenas propiedades demulsificantes. Cual-
quier agua contaminante debe separarse rápida-mente del lubricante para que pueda ser drenada yel aceite continúe funcionando eficientemente.
Emulsif icación
Un cojinete corroído posee ácidos formados en la oxidación del
aceite
Emulsión de agua en aceite
Gotas de agua
Aunque la emulsificación es usualmente indesea-ble, algunos lubricantes son formulados delibera-damente como emulsiones. Por ejemplo, en elcorte de metales, emulsiones de aceite en aguason usadas debido a que ellas pueden proveer en-friamiento efectivo y buena lubricación a la herra-mienta de corte. Las emulsiones de agua en acei-te son utilizadas como tipo de fluidos hidráulicosresistentes al fuego.
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Inflamabilidad
No debe haber ningún riesgo de que el aceite seincendie a las condiciones en que está siendo usa-do. Una indicación a la resistencia al fuego de un
aceite puede ser obtenida determinando su puntode chispa. Este es la temperatura más baja a lacual los vapores sobre el líquido pueden ser en-cendidos por una llama abierta. Vale la pena ano-tar que el riesgo de fuego en el punto de chispa esmuy pequeño. No solo el aceite debe ser calenta-do a esa temperatura, sino que la llama debe estar muy cerca para que se queme el aceite. Los acei-tes minerales livianos usualmente tienen puntos
de chispa por encima de 120°C.Compatibi l idad
Un lubricante no puede tener ningún efecto inde-seable sobre los demás componentes del siste-ma. Por ejemplo, debe ser compatible con cual-quier sello usado para confinar el lubricante, conmangueras utilizadas para transferir el lubricantede un campo neutro y con cualquier pintura, plás-
tico o adhesivo con el cual pueda entrar en contac-to.
Toxicidad
Los lubricantes no deben obviamente causar dañoalguno a la salud. Los lubricantes más comúnmenteusados están basados en aceites minerales alta-mente refinados los cuales son materiales relati-vamente poco nocivos, especialmente si se tiene
contacto con ellos por poco tiempo. Sin embargo,éstos contienen aditivos que presentan algún tipo
de peligro específico a la salud y de seguridad. Enaceites industriales, los aditivos están presentessolamente en pequeñas cantidades, de tal formaque el peligro es muy reducido. Cualquier riesgopotencial es minimizado con precauciones de sen-tido común, tales como, no dejar que la piel entreen contacto con los lubricantes respectivamente ypor largos periodos de tiempo, y prevenir la inhala-ción o la ingestión accidental.
En aquellas aplicaciones donde un lubricante con-teniendo aditivos peligrosos, es esencial, que losfabricantes provean información clara de los ries-gos involucrados y especificar si se requiere de
precauciones adicionales de seguridad. Esta in-formación se debe dar a conocer a los usuariosmediante hojas de información sobre seguridad delos productos y avisos de advertencia sobre losempaques.
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RESUMEN DE LA SECCION DOS
De los lubricantes se espera que lleven a cabomuchas funciones. Entre las más importantes
están, reducir la fricción y el desgaste, proteger y mantener la limpieza de las superficies lubri-cadas.
La mayoría de los lubricantes están basadosen aceites minerales pero otros líquidos, sóli-dos y gases pueden ser usados comolubricantes.
La propiedad más importante de un lubricante
líquido es su viscosidad o resistencia a fluir.
Los aceites para motores de combustión inter-na están clasificados, por el sistema SAE, endiez grados de viscosidad, cada grado cubre unrango de viscosidades a temperatura específi-ca. Los aceites multígrados satisfacen los re-querimientos de más de un grado.
Los aceites para engranajes automotrices es-
tán clasificados en grados de acuerdo a su vis-cosidad por el sistema SAE similar. Los gradosdefinidos son diferentes e independientes a losgrados especificados para aceites de motor.
Las viscosidades de los aceites industriales pue-den ser clasificadas de acuerdo al sistema su-pervisado por la ISO.
La viscosidad de un líquido disminuye con la
temperatura y la dimensión del cambio estádescrita por el índice de viscosidad.
El índice de viscosidad se determina de las me-didas de viscosidad a 40°C y 100°C y está nor-malmente entre el rango 0 a 100. Lasviscosidades de los aceites con bajo índice deviscosidad cambian más con la temperatura quelas viscosidades de aceites con altos índicesde viscosidad.
Además de la viscosidad y el índice de viscosi-dad, otras propiedades de los aceites queinfluencian su habilidad para llevar a cabo otrasfunciones incluyen:
punto de fluidez,
estabilidad térmica y química,habilidad para proteger contra la corrosión,
emulsificación, demulsificación,
inflamabilidad,
compatibilidad,
toxicidad.
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Sección Tres
QUE HAY EN UN LUBRICANTE?
La mayoría de los lubricantes están basados enaceites minerales e incluyen algunos aditivos paramejorar o modificar su desempeño. Esta secciónempieza revisando las razones que hacen de losaceites minerales buenos lubricantes. Luego mi-raremos la composición química de los lubricantesy como influyen en sus propiedades. Finalmente,se describen los más importantes aditivos usadosen lubricantes.
Cuando usted haya estudiado la información clavede esta sección será capaz de:
Listar las tres razones más importantes por las que los aceites minerales son los más am-pliamente usados como lubricantes y nombrar al menos cinco ventajas que poseen.
Especificar los tipos de compuestos más im-portantes encontrados en los aceites minera-
les.Indicar como la composición de un aceite mi-neral influye en sus propiedades y estabilidad.
Nombrar los aditivos más importantes, expli-car cuando y porqué son necesarios y descri-bir sus principales funciones.
Si estudia la información complementaria Ustedserá capaz de:
Especificar las etapas más importantes en lafabricación de un lubricante de base aceite yresumir el propósito de cada etapa.
Explicar no solo que hacen los aditivos sinocómo lo hacen.
Introducciónó
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Porq uéuti lizar aceites m inerales?
Los aceites minerales son ampliamente usadoscomo lubricantes debido a que poseen tres propie-dades crucialmente importantes:
Tienen características de viscosidad adecua-das.
Son refrigerantes efectivos debido a su altaconducción del calor y tienen alto calor especí-fico.
Tienen la habilidad de proteger contra la co-rrosión.
Además, los aceites minerales:
Son relativamente de bajo costo y satisfactorios.
Son comparativamente estables al calor y a ladescomposición térmica.
Son compatibles con la mayoría de los com-ponentes usados en los sistemas de lubrica-ción.
Son virtualmente poco peligrosos.
Pueden ser mezclados con otros aceites y unagran variedad de aditivos para extender o modi-ficar sus propiedades y pueden ser fabricadospara producir las características físicas requeri-das.
ACEITES BASES Y ADITIVOS
La gran mayoría de los lubricantes son fabricadoscon aceites minerales, estos son aceites obteni-dos del petróleo crudo. Originalmente, los aceites
lubricantes minerales eran simplemente aquellasfracciones de viscosidad adecuada obtenidas du-rante la destilación del petróleo. Hoy en día, la fa-bricación de lubricantes es un proceso mucho máscomplicado.
El proceso involucra típicamente varías etapas derefinación y mezcla para la producción de aceitesbases de propiedades adecuadas. Los aceitesbases por sí mismos no son capaces de llevar acabo todas las funciones requeridas para un lu-bricante. Por lo tanto, se le deben agregar aditivosal aceite base para lograr el lubricante final. Losaditivos deben mejorar las propiedades del lubri-cante o impartirle completamente unas nuevascaracterísticas.
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ACEITES BASES
Los aceites bases lubricantes son producidos apartir de la refinación del petróleo crudo y la mez-cla con productos refinados. Los aceites crudosson mezclas complejas de compuestos químicos.Sus composiciones varían considerablemente de-pendiendo de sus orígenes. Como usted espera,las propiedades de aceites bases producidas dediferentes crudos varían también considerablemen-te. Combinando aceites bases en varias propor-ciones, es posible producir un gran número demezclas con una gran variedad de viscosidades ypropiedades químicas.
Como las propiedades de un aceite base son prin-cipalmente una consecuencia de su composiciónquímica, vale la pena mirar un poco más de cercalos componentes de un aceite mineral. Todos losaceites minerales consisten principalmente de hi-drocarburos, compuestos químicos formados por elementos de carbono e hidrógeno solamente. Haytres tipos de básicos de hidrocarburos: Alcanos,cicloalcanos y aromáticos.
Alcanos
Estos compuestos, anteriormente llamados para-finas, están conformados por cadenas rectas oramificadas de átomos de carbono. Son muy esta-bles al calor y a la oxidación. Tienen alto índice deviscosidad, pero relativamente malas propiedadesde flujo a bajas temperaturas.
Hidrocarburos: moléculas formadasde carbono e hidrógeno
Alcanos Alcanos
CicloalcanosCicloalcanos Aromáticos Aromáticos
Cicloalcanos (nafténicos)
Los tipos de hidrocarburos más frecuentementeencontrados en los aceites lubricantes, son los
cicloalcanos (anteriormente llamados nafténicos),tienen moléculas en las cuales algunos de susátomos de carbono están configurados en anillos.Estos compuestos son menos estables que losalcanos y sus viscosidades son más sensibles alos cambios de temperatura. Sin embargo, tienenmuy buenas propiedades de flujo a bajas tempera-turas. Son igualmente buenos solventes y buenoslubricantes de capa límite, esto es, que son capa-
ces de lubricar superficies que están en contactobajo cargas pesadas.
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Ar omátic os
Como los cicloalcanos, los aromáticos contienenanillos de átomos de carbono. Sin embargo, tie-nen una baja proporción de hidrógeno. Los aromá-
ticos son buenos solventes y buenos lubricantesde capa límite, pero tienen pobres característicasde viscosidad y son más fácilmente oxidados paracrear ácidos y lodos.
Además de su contenido de hidrocarburos, losaceites minerales pueden tener pequeñas canti-dades de compuestos tales como oxígeno, nitró-geno y azufre. Muchos de estos compuestos noson estables al calor y a la oxidación y puedenpromover la formación de lacas, barniz y otros de-pósitos.
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LA FABRICACION DE ACEITES LUBRICANTES
a fabricación de aceites lubricantes es un com
plejo proceso multi-etapas. Algunos de lospasos importantes los resaltamos aquí.
El primer paso de la mayoría de los procesos derefinación es la destilación atmosférica en la cualel petróleo crudo es calentado en una caldera a400°C. Una mezcla de gases y líquidos es produ-cida, la cual pasa a una torre de fraccionamiento ocondensadora. Algunos gases pasan sin conden-sar, pero los restantes se condensan en la colum-
na, líquidos de diferentes puntos de ebullición sonrecolectados a diferentes alturas, de donde pue-den ser extraídos. Estos son los materiales inicia-les para la fabricación de una variedad de combus-tibles.
El residuo líquido de la primera destilación, el cualse recupera en el fondo de la columna, es materialbruto para la fabricación de aceites lubricantes.Este, es sometido a una segunda destilación, otravez bajo presión reducida (destilación al vacío),y separado en otras fracciones. La fracción másvolátil es usada como combustible, el residuo esusado para la producción de aceites pesados yproductos asfálticos, mientras que las fraccionesintermedias proveen el aceite base para la fabrica-ción de aceites lubricantes.
Hasta cuatro fracciones de aceites bases lubri-cantes son producidas y cada una sufre un trata-miento posterior.
L
La fracción menos volátil, llamada aceite residual,contiene grandes cantidades de compuestos queposeen oxígeno, nitrógeno y azufre. Estos, llama-dos asfaltenos, son removidos mediante un pro-ceso de desasfaltación. El propano es mezclado
con el aceite y disuelve la mayoría, pero no todoslos asfaltenos, los cuales pueden ser separadosposteriormente.
El aceite residual y otras fracciones son luego tra-tadas mediante extracción con solventes. Enesta operación el aceite base es mezclado consolvente que disuelve la mayoría de los aromáti-cos y algunos son compuestos indeseables. Losalcanos y cicloalcanos no son disueltos y puedenser separados. El producto en esta etapa es algu-nas veces llamado refinado. El aceite resultantetiene un índice de viscosidad mayor y mejor esta-bilidad a la oxidación que el aceite original.
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La producción de un aceite base satisfactorio esgeneralmente una cuestión de compromiso. Por ejemplo, donde se requiere un aceite de alto índi-ce de viscosidad, una mezcla que contenga altaproporción de alcanos puede parecer la mejor se-lección. Esto sin embargo, hará que probablemen-te tenga pobres características para el flujo a ba- jas temperaturas y por lo tanto será inadecuadopara utilizarlo en estas condiciones de operación.Por otro lado, una mezcla que contenga una altaproporción de cicloalcanos y fluya en frío, tendrábajo índice de viscosidad. Donde sea importantealto índice de viscosidad y flujo a baja temperatu-ra, será necesario balancear el contenido de alcanos
y cicloalcanos, cuidadosamente y producir unamezcla que provea la solución óptima a los reque-rimientos críticos.
Un compromiso similar tiene que ser hecho sobreel contenido de aromáticos del aceite base.Incrementando la proporción de aromáticos, semejora la solvencia y las propiedades de lubrica-ción de capa límite. Sin embargo, un alto conteni-do de aromáticos disminuye el índice de viscosi-
dad y reduce más significativamente la estabilidada la oxidación. Nuevamente, los métodos derefinación y mezcla serán escogidos para dar lasóptimas cualidades para la aplicación en particu-lar.
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LA FABRICACION DE ACEITES LUBRICANTES (continuación)
l siguiente paso es el desparafinado en el cual
el alto punto de fusión de los alcanos es re-movido y las propiedades de flujo a baja tempera-tura son mejoradas. En la técnica convencional dedesarrollo con solventes, el aceite base es mez-clado con un solvente adecuado y enfriado. La pa-rafina se solidifica y es separada y el aceite esfiltrado. La técnica de desparafinado catalítico, elcual logra el mismo objetivo pero de forma diferen-te, puede ser utilizado como alternativa. En esteproceso la estructura molecular de los alcanos dealto punto se fusión es alterado por un tratamientocon hidrógeno en presencia de un catalizador.
Para ciertos tipos de aceites bases, el contenidode aromáticos y asfaltenos necesita ser reducidoaún más. Esta limpieza es usualmente realizadamediante la hidrogenación, en el cual el aceite estratado bajo presión con hidrógeno en presenciade un catalizador.
El aceite base refinado está ya listo para mezclar-se con otros aceites bases y reforzarse con aditi-vos para la producción de lubricantes terminados.
E
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ADITIVOS
Las maquinarias modernas tienen alta demandade lubricantes. Con el objeto de cumplir con estasdemandas la mayoría de los lubricantes industria-
les contienen aditivos bases o confieren propieda-des adicionales.
Hay muchos tipos de aditivos, algunos de los cua-les pueden cumplir varias funciones. La combina-ción de aditivos en un lubricante depende del usoque se vaya a dar al mismo.
Es conveniente dividir los aditivos en tres catego-rías:
Aditivos que modifican el desempeño dellubricante.
Aquí se incluyen los mejoradores deíndice de viscosidad y los depresoresdel punto de fluidez.
Aditivos que protegen el lubricante.Comprenden los agentes antioxidantes y
antiespumantes. Aditivos que protegen la superficielubricada.
A este grupo pertenecen los inhibidoresde corrosión, los inhibidores deherrumbre, los detergentes,dispersantes y aditivos antidesgaste.
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Ad itivo s q ue mod ifican el desempeño d e un lub r icante
Mejoradores de índice de viscosidad son agre-gados a los aceites bases para reducir los cam-
bios de viscosidad con la temperatura. Son útilesdonde un lubricante tiene que desempeñarse sa-tisfactoriamente sobre un rango de temperaturas.Por ejemplo, los aceites de motor utilizados enclimas fríos, deben ser lo suficientemente "delga-dos" para permitir que la máquina arranque fácil-mente y lo suficientemente "gruesos" para lubricar eficientemente a las altas temperaturas generadasdurante el trabajo del motor.
La mayoría de los aceites multígrados son trata-dos con mejoradores de índice de viscosidad y soncapaces de desempeñarse mejor en una mayor variedad de temperaturas que los aceites sin tra-tar.
Depresores del punto de fluidez son utilizadospara minimizar la tendencia del aceite mineral acongelarse o solidificarse cuando se enfría. Sonaditivos necesarios para la mayoría de aceites ope-rando a bajas condiciones de temperatura.
220 oCTemperaturas
3
10
50
200
1000
Aceite mineral con
mejorador de índice
de viscosidad
Aceite
mineral puro V i s c o s i d a d c i n e m á t i c a c S t
Bajo oC S e gú n G ra do S AE W
100 oC0 oC
Variación de la viscosidad con la temperatura
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Más acerca de
LOS ADITIVOS
os mejoradores de índice de viscosidad son
usualmente polímeros de largas cadenas ta-les como los polisobutilenos, polimetacrilatos yolefinas copolímeras. Todos estos incrementan laviscosidad de un aceite base. A bajas temperatu-ras las moléculas de polímeros tienden a enrollar-se, pero a medida que la temperatura se incrementase desenrollan. Este efecto tiende a restringir elmovimiento de las moléculas de aceite, "espesan-do" el aceite y por tanto, actúa en contra de la
disminución de la viscosidad del aceite base.
Algunos tipos de mejoradores de índice de visco-sidad también tienen propiedades dispersantes.
La viscosidad de un aceite que contiene mejorador del índice de viscosidad depende de la velocidad ala cual se hace fluir.
Puede disminuir dramáticamente si el aceite es
cortado rápidamente como por ejemplo, en un co- jinete de alta velocidad. Este efecto debe ser teni-do en cuenta cuando se planea usar aceitemultígrado
La disminución de la viscosidad con la rata de cor-te puede ser temporal o permanente. Una pérdidatemporal de viscosidad se desarrolla cuando altasratas de corte fuerzan a las moléculas grandes de
polímero a alinearse en la dirección del flujo.
L
Más grave aún, una permanente pérdida de visco-sidad puede ocurrir si la rata de corte es suficientepara romper las moléculas del polímero físicamen-te en pequeñas unidades. La oxidación delpolímero puede también ocurrir y afectar
adversamente su habilidad para adelgazar el acei-te.
Depresores de punto de fluidez, son usualmen-te polímeros de alto peso molecular compuestos,alquiloaromáticos de bajo peso molecular.
con el objeto de entender como trabajan, es nece-sario apreciar que pasa con el punto de fluidez.
Cuando un aceite mineral enfriado varias fraccio-nes de parafina empiezan a cristalizarse. Los cris-tales de parafina forman cadenas de láminas yagujas, el cual atrapa el líquido remanente y difi-culta el flujo.
Los depresores del punto de fluidez se cree queactúan formando una película sobre los cristalesde parafina. Esto no evita que se cristalicen perosi evita que se junten para formar una red
tridimensional. Las propiedades para el flujo a bajatemperatura son entonces mejoradas.
Incremento de la temperatura
Moléculas de Polímero
Aceite asociadoconPolímeros
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a los lubricantes y la lubricación
Adit ivos q ue protegen el lubricante
Antioxidantes mejoran la estabilidad a la oxida-ción del lubricante y son particularmente impor-tantes en aceites que se calientan durante su ope-
ración. Son ampliamente usados; virtualmente to-dos los aceites que contienen aditivos contienenalgún antioxidante.
Cuando un aceite mineral es expuesto al oxígenodel aire, éste reacciona formando ácidos orgáni-cos, lacas adhesivas y lodos. Los ácidos puedencausar corrosión, las lacas pueden ocasionar quelas partes móviles se adhieran una contra la otra,y los lodos espesan el aceite y pueden taponar
orificios, tuberías, filtros y otros componentes delsistema de lubricación. Las reacciones de oxida-ción dependen de la cantidad de oxígeno que en-tra en contacto con el aceite. Eso tiene lugar másrápidamente a altas temperaturas y son tambiénpromovidas por la humedad y otros contaminantespresentes en al aceite tales como el polvo, partí-culas de metal, herrumbre y otros productos de lacorrosión.
Los antioxidantes bloquean las reacciones de oxi-dación y disminuyen el deterioro de un lubricante.Tienen una acción específica la cual continúa mien-tras esté presente en el aceite, aún en pequeñasconcentraciones. Pero una vez haya terminado, elaceite empieza a oxidarse rápidamente. Por lo tantoes esencial que un aceite sea cambiado antes quesus propiedades antioxidantes se terminen.
Agentes antiespuma previenen la formación deespumas en el aceite, los lubricantes altamente
refinados usualmente no forman espuma. Sin em-bargo, ésta no se puede desarrollar en presenciade ciertos contaminantes, especialmente en má-quinas donde hay exceso de batido y agitación.La espuma incrementa la exposición de un aceite
al aire y promueve la oxidación. También puedecausar que se pierda aceite del sistema a travésde los ductos de venteo y más seriamente reducela eficiencia en lubricación ya que una película deespuma es un lubricante menos efectiva que unacapa continua de aceite. La espuma en fluidos hi-dráulicos, incrementa la compresibilidad, reducien-do así su capacidad para transmitir potencia efi-ciente.
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ntioxidantes son de dos tipos; para entender
como funcionan necesitamos conocer unpoco acerca del mecanismo de las reacciones enlas cuales los aceites son oxidados. En estas re-acciones, la oxidación inicialmente conduce a laformación de compuestos conocidos comoperóxidos orgánicos. Estos reaccionan con otrasmoléculas de hidrocarburos para oxidarlas y pro-ducir más peróxidos. Por lo tanto, la reacción encadena continúa estrictamente; particularmente
cuando hay metales presentes para actuar comocatalizadores.
Un tipo de antioxidante, los destructores deperóxido, reaccionan preferencialmente con losperóxidos orgánicos interrumpiendo así la reacciónen cadena que se hubiera podido iniciar. Estos com-puestos son generalmente fenoles o aminas.
El segundo tipo de oxidantes, los desactivadoresmetálicos, reaccionan con las superficies y conlas partículas de metal en el aceite para bloquear su efecto catalítico. Los desactivadores metálicosson usualmente compuestos orgánicos solublesque contienen azufre o fósforo.
Los agentes antiespuma, son usualmente com-puestos de silicona tales como el dimetil silicona.Ellos reducen la tensión interfacial del aceite detal forma que las burbujas de aceite se rompen tanpronto como son formadas y por lo tanto no setiene formación de espuma.
Acei te + Oxígeno Peróxidos orgánicos
Aceite + Oxígeno
en presencia de
metales
Productos Orgánicos
+
Peróxidos Organicos
A
Acei te + Oxígeno Peróxidos orgánicos
Aceite + Oxígeno
en presemcia demetales
Productos Orgánicos
+
Peróxidos Organicos
Metales
deactivadoresbloquean la
reacción aqui
Destructores de
peróxidos bloqueanla reacción aquí
La oxidación del aceite
Reacción de anti-oxidantes
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Aditivos que protegen la superficielubricada
Los inhibidores de corrosión protegen las su-perficies del ataque químico ejercido por los áci-
dos (corrosión), que se encuentran como contami-nantes en el lubricante y provienen principalmentede la oxidación del aceite y de los combustiblesquemados en los motores de combustión interna.
Los inhibidores de corrosión son usualmente com-ponentes fuertemente básicos solubles en aceite,los cuales reaccionan con los ácidos neutralizán-dolos.
Inhibidore de herrumbre son inhibidores de co-rrosión especialmente diseñados para inhibir laacción del agua en metales ferrosos. Son necesa-rios en aceites de turbinas y aceites hidráulicosya que estos tipos de aceite se contaminan inevi-tablemente con agua.
Detergentes son aplicados a los aceites de mo-tor para cumplir las siguientes funciones: Reducir la formación de depósitos de carbón y lacas de
altas temperaturas, evitar el pegamiento del anillodel pistón y proveer una reserva de basicidad paraneutralizar los ácidos formados durante la com-bustión.
También deben tener propiedades antioxidantes yantiherrumbre.
Dispersantes son agregados a los aceites paramantener en suspensión cualquier contaminante,
tales como, hollín y productos de degradación.
Por lo tanto inhiben la formulación de conglomera-dos de partículas que puedan bloquear los con-ductos y los filtros, además evitan que sean depo-sitados sobre las superficies donde pueden inferir con la lubricación y la transferencia de calor.
Agentes antidesgaste son necesarios cuando lalubricación hidrodinámica no puede ser manteniday se presenta algún tipo de contacto metal-metalentre las superficies móviles.
Es usual distinguir dos tipos de agentesantidesgaste: Aditivos antiabrasivos y aditivosde extrema presión.
Los aditivos antiabrasivos son compuestos absor-bidos por las superficies metálicas para formar unapelícula protectora que previene el contacto direc-to metal-metal y reduce considerablemente la fric-ción y el desgaste.
Los aditivos de extrema presión o EP son requeri-dos en situaciones de carga severa, cuando losaditivos antiabrasivos no son efectivos. Tales con-diciones son frecuentemente encontradas en los
dientes de los engranajes de acero-sobre-aceroaltamente cargados.
Los aditivos EP son estables a las temperaturasque se generan, por ejemplo, cuando dos dientesse deslizan uno sobre el otro, se descomponenformando productos que reaccionan con el metalcreando una película protectora de aceite.
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os inhibidores de herrumbre son común
mente ácidos orgánicos que se adhieren fuer-temente a las superficies metálicas protegiéndo-las de los ataques.
Los aditivos detergentes consisten en molécu-las de jabones orgánicos que rodean un corazónbásico inorgánico. Las moléculas de jabón contri-buyen a las propiedades de detergencia yantioxidantes de los aditivos, mientras que labasicidad contrarresta los productos ácidos de la
combustión y controla el desarrollo de herrumbreen el motor.
Los dispersantes son usualmente moléculas decadenas largas las cuales tienen una "cabeza"hidrofílica (receptora de agua) y una cola hidrofóbica(repele el agua).
L
El extremo hidrofílico tiende a adherirse a las par-
tículas sucias, dejando las colas hidrofóbicas ex-tendidas hacia el aceite. Así se mantienen sepa-radas las partículas contaminantes.
Aditivos antiabrasivos, son químicos orgánicosde largas cadenas polares tales como alcoholes yácidos grasos. Estos son absorbidos sobre lassuperficies metálicas para dar una capa delgadade moléculas en las cuales las cadenas de hidro-carburos están orientadas perpendicularmente ala superficie. Este arreglo provee una efectiva lubri-cación de capa límite cuando el espesor de la capaes reducido por una carga pesada.
Aditivos de extrema presión son compuestosque contienen cloruros, azufre o fósforo.
A temperaturas de 300°C o más (la cual se puedegenerar cuando un diente choca con otro), estoscompuestos se deterioran y reaccionan para for-
mar una película química.Detergentes
La acción de los dispersantes
BaseMoléculasde jabones
Cola delHidrocarburo
CabezaIónica
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Formación de una capa orgánica sobre una superficie de hierro por adsorción de un compuesto antidesgaste
Formación de una película química después de la reacción de unaditivo de EP con una superficie de hierro
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FORMULACION
La mayoría de los lubricantes modernos consistenen una combinación de varios aceites bases ymuchos aditivos. La mezcla o formulación de es-
tos constituyentes para producir el mejor productopara una aplicación específica, puede ser una ta-rea complicada. Es casi siempre necesario com-prometer los requerimientos críticos de desempe-ño, la compatibilidad y los costos.
Ya hemos visto cómo la mezcla de los aceitesbases involucran el balanceo de su contenido dealcanos y cicloalcanos con el flujo óptimo, la sol-vencia y propiedades lubricantes. Un balance si-
milar es requerido cuando se mezclan aditivos. Cadaaditivo debe ser compatible con los otros ingre-dientes de la formulación, de otra manera será ine-vitablemente no efectivo.
La compatibilidad completa puede ser difícil de lo-grar. Además es obviamente importante desde elpunto de vista comercial minimizar los costos delproceso de formulación y del producto final.
Una vez una formulación ha sido desarrollada, esesencial, averiguar si trabajará bien y seguramen-te en la aplicación para la cual fue diseñada. Medi-das de las propiedades físicas (tales como al vis-cosidad y el índice de viscosidad) y de las propie-dades químicas (tales como acidez y la estabili-dad térmica) pueden dar una guía sobre esto. Sinembargo, si el lubricante o la aplicación a la cualse dirige, es totalmente inusual, es necesario rea-lizar una prueba de desempeño.
En una prueba de desempeño, se simulan las con-diciones bajo las cuales el lubricante se esperaque opere. La prueba puede usar el equipo de ser-vicio bajo condiciones reales o mas probablemen-te, llevarse acabo en diseños especiales de labo-
ratorio. Cualquiera que sea el método usado, laevaluación de los resultados deberá involucrar eldesarme del equipo y examinar de cerca las pie-zas al igual que un análisis detallado de las condi-ciones del lubricante durante y después de la prue-ba. Algunas de las investigaciones que se han lle-vado acabo más comúnmente son descritas en lasiguiente sección.
FormulaciónFormulación -- algunas preguntasalgunas preguntasdeben ser contestadasdeben ser contestadasDesempeñoQue tan bueno, es suficientemente bueno ?Es este producto para uso general ?Hay requerimientos especiales ?Que compromisos pueden ser hechos ?
CompatibilidadLas propiedades de cualquier aditivo: Aumentan unas con otras ?Se anulan entre si ?
Es la formación estable ?En uso ? En almacenaje ?
Costos:Cuanto costará la formulación:En desarrollarla ? En probarla ? En hacerla ?Cuanto pagará el usuario:Por un producto adecuado ?Por un producto que excede especificaciones ?
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El desarrollo de una formulación de un lubricantetípico puede requerir un número de pruebas dife-rentes, cualquiera de las cuales pude sugerir lanecesidad de reformular el producto y llevar acabomás pruebas. Un proyecto de formulación comple-
ta puede tomar un año o más y los costos puedensubir de un cuarto de millón de libras esterlinas.No hay muchas compañías que tengan la habili-dad y los recursos necesarios para llevar acaboeste tipo de programas. Cada lubricante con mar-ca "Internacional Shell" tiene una formulación queha sido desarrollada y probada de esta forma. Nues-tros clientes pueden estar seguros que nuestrosproductos harán el trabajo para el que fueron dise-ñados, eficiente, rentable y confiablemente.
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Sección Cuatro
EL LUBRICANTE ADECUADO PARA EL TRABA JO
La sección final de este módulo estudia dos te-mas importantes. Primero examinaremos los prin-cipios involucrados en la escogencia de el lubri-cante adecuado para una aplicación en particular.Luego miramos las pruebas que deben realizarsepara evaluar el desempeño de un lubricante y ase-gurar que continúa haciendo el trabajo esperado.
Cuando usted haya estudiado la información clavede esta sección será capaz de:
Enumerar las preguntas más importantes a ser resueltas cuando se selecciona un lubricantey explicar su significado.
Resumir los pasos a seguir en la práctica cuan-do se recomienda un lubricante Shell, cuandose conoce dónde se va a utilizar, ó cuando esuna alternativa a un producto existente.
Mencionar ocho pruebas utilizadas paramonitorear el desempeño de un lubricante yresumir su relevancia.
Si estudia la información complementaria ustedserá capaz de:
Indicar los rangos de viscosidad de los aceitesusados en aplicaciones típicas.
Explicar como se selecciona en la práctica laviscosidad óptima y el grado de viscosidad deun aceite.
Revisar las propiedades y la composición re-querida de los lubricantes usados para cojine-tes, engranajes, sistemas hidráulicos y moto-res de combustión interna.
Describir los principios detrás de las pruebasusadas para monitorear un lubricante.
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LA SELECCION DE LOS LUBRICANTES
Principios
Varios factores deben ser tenidos en cuenta cuan-do se escoge un lubricante. Los más importantesson la aplicación específica, las condiciones deoperación y los costos. Con estos factores enmente, el lubricante adecuado puede, en princi-pio, ser escogido con la siguiente ayuda de la si-guiente lista de chequeo:
1. Cuál es la viscosidad más adecuada a latemperatura de operación?
Hasta donde concierne a la lubricación actualla propiedad más importante de un lubricantees la viscosidad (o, en el caso de una grasa,su consistencia). La mejor viscosidad para unaaplicación en particular puede ser determina-da mediante cálculos, pero la experienciapráctica algunas veces proporciona unaguía útil. Muchos parámetros de diseño influ-yen en la escogencia final, pero el objetivo usuales seleccionar un lubricante con la mínima vis-
cosidad capaz de soportar la carga aplicada,minimizando así el consumo de energía.
Es importante recordar qué es la viscosidad ala temperatura de operación. Por ejemplo, su-ponga que la lubricación más eficiente de uncojinete simple requiere de un aceite con unaviscosidad de 10 cSt. Si el cojinete va a traba- jar a 100°C, el aceite debe tener una viscosi-dad de 10 cSt a 100°C. Si por otro lado, el
cojinete va a trabajar a -30°C, el aceite debe
tener una viscosidad de 10 cSt a -30°C. Dosaceites muy diferentes son requeridos. Susviscosidades a temperatura ambiente sería cer-ca de 300 cSt y 2 cSt respectivamente.
2. Cúal es el índice de viscosidad necesario?Es esencial seleccionar un aceite con adecua-do índice de viscosidad. Aunque la viscosidada la temperatura normal de trabajo escríticamente importante, el lubricante tambiéndebe ser capaz de hacer su trabajo sobre unrango de temperatura que oscile entre la tem-peratura fría inicial hasta la temperatura máscaliente de operación. No debe ser tan espeso
a bajas temperaturas que la máquina no pue-da ser arrancada, ni tan delgado a alta tempe-ratura que sea incapaz de proveer una películade lubricación adecuada.
3. Qué grado SAE o ISO de viscosidad de acei-te es requerida?
Habiendo decidido sobre la viscosidad y el ín-dice de viscosidad, se determina el grado de
viscosidad del lubricante requerido. Esto im-plica, llevar a una temperatura estándar de re-ferencia la viscosidad que se tiene a la tempe-ratura de operación y se puede realizar usan-do las tablas y gráficas disponibles. El gradode viscosidad SAE o ISO puede ser entoncesseleccionado.
Algunas máquinas contienen diferentes com-ponentes a lubricar, por ejemplo, las cajas de
engranajes contienen engranajes y cojinetes.
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EL TUTOR DE L