Comprender las necesidades de lubricación de los acoplamientos

En un mundo ideal, se podrían producir múltiples componentes en una sola pieza, o acoplarse e instalarse en perfecta alineación. Sin embargo, en el mundo real, los componentes separados deben juntarse y conectarse in situ.

Se requieren acoplamientos para transmitir fuerzas de rotación (par) entre dos longitudes de eje y, a pesar de los intentos más rigurosos, la alineación nunca es perfecta. Para maximizar la vida útil de componentes como cojinetes y ejes, se debe incorporar flexibilidad para absorber la desalineación residual que queda después de realizar todos los ajustes posibles. La lubricación adecuada de los acoplamientos es fundamental para su desempeño.

Figura 1. Tipos de desalineación

DESALINEACIÓN
La desalineación puede ocurrir como un desplazamiento o un desplazamiento angular en dos de los tres ejes posibles (Figura 1). El tercer eje, en la dirección longitudinal, no se mide comúnmente, aunque los errores en esta dirección pueden resultar en cargas de empuje excesivas en un sistema. Para instalaciones importantes, como compresores grandes, se utilizan métodos de alineación de cables. Las aplicaciones más pequeñas han utilizado tradicionalmente las lecturas del indicador de carátula del borde y la cara para cuantificar y corregir la desalineación, aunque los indicadores láser ópticos han ganado popularidad debido a su facilidad de uso y precisión.

En las organizaciones de mantenimiento que marcan el ritmo, también se realizan esfuerzos para compensar el crecimiento térmico que se produce en el equipo durante la operación. Todos los materiales (excepto el agua) se expanden una pequeña cantidad cuando se calientan; la cantidad por la que lo hacen se rige por el coeficiente de expansión térmica del material y el grado en que se calienta. Una máquina que se alinea a temperatura ambiente se deslizará a una posición de desalineación a medida que los materiales de la maquinaria suben o bajan a la temperatura de funcionamiento.

Se intenta precalentar o enfriar el equipo a las condiciones normales de funcionamiento antes de realizar las comprobaciones de alineación. Alternativamente, los cálculos de crecimiento térmico anticipado pueden usarse para desalinear intencionalmente el tren de transmisión a temperatura ambiente para que pueda crecer en alineación. Independientemente de las precauciones que se tomen para que las alineaciones sean lo más precisas posible, inevitablemente quedará una cierta cantidad de desalineación residual. La desalineación obliga a que los componentes rígidos de la máquina, como los ejes, se desvíen para alinearse eficazmente. Esta deflexión tensiona los componentes, provoca vibraciones y distribuye cargas más elevadas y desiguales en las estructuras que soportan estos elementos, como los cojinetes. Estos acentúan el desperdicio de energía y pueden reducir drásticamente la vida útil y la confiabilidad del equipo.

Diseñados correctamente, los acoplamientos pueden absorber las fuerzas de desalineación para ahorrar componentes más costosos, críticos y sensibles. Si bien los ejes giratorios parecen robustos, los rodamientos que los sostienen son algunos de los componentes de precisión más sensibles en el tren de transmisión.

Figura 2. Acoplamientos de engranajes

TIPOS DE ACOPLAMIENTOS
Los diseños de acoplamientos pueden dividirse en cuatro categorías principales, cada una de las cuales tiene varios diseños específicos. Los acoplamientos sólidos y magnéticos no requieren lubricación, pero se incluyen aquí para que estén completos. Los acoplamientos sólidos son estructuras fundamentalmente rígidas que no compensan la desalineación, pero permiten la unión de dos ejes con el fin de transmitir el par. Los cubos atornillados enchavetados en ejes son un ejemplo de una máquina con acoplamientos magnéticos. Los acoplamientos magnéticos permiten accionar juntos ejes que no están en contacto directo mediante potentes imanes permanentes o eléctricos. Una bomba de accionamiento magnético sin sello es un ejemplo común.

Otros tipos de acoplamientos son acoplamientos flexibles y acoplamientos hidráulicos. Muchos acoplamientos flexibles utilizan elementos metálicos, de goma o de plástico flexibles de posición fija, como discos o bujes, que giran con los ejes y absorben la desalineación. Los diseños de este tipo no requieren lubricación. Otras, como las de engranajes, cadenas, rejillas y uniones universales, requieren lubricación para su rendimiento y longevidad. Los acoplamientos hidráulicos incluyen convertidores de par y multiplicadores de par. Estos acoplamientos están llenos de fluidos lubricantes que dependen del fluido para transmitir el par.

Figura 3. Acoplamientos de cadena

ACOPLAMIENTOS FLEXIBLES
Los acoplamientos de engranajes (Figura 2) compensan la desalineación mediante la holgura entre los dientes de los engranajes. Los dientes del engranaje externo montados en el eje en ambos ejes se acoplan con los dientes del engranaje interno en una carcasa que contiene un lubricante. Otros diseños montan dientes externos en un solo eje, coincidiendo con los dientes internos montados en el otro eje. La aceleración o desaceleración puede resultar en impactos entre los dientes de los engranajes debido al juego de la holgura que se toma en los lados opuestos de los dientes de los engranajes. La desalineación resultará en un movimiento relativo de deslizamiento a través de los dientes acoplados a medida que pasan por cada revolución.

Los acoplamientos de cadena (Figura 3) funcionan de manera similar a los acoplamientos de engranajes. Los piñones en cada extremo del eje están conectados por una cadena de rodillos. La holgura entre los componentes y la holgura al acoplar la cadena a las ruedas dentadas compensan la desalineación. La carga es similar a la de los acoplamientos de engranajes.

Los acoplamientos de rejilla externa (Figura 4) utilizan una rejilla de acero corrugado que se dobla para compensar la carga inducida por la desalineación. Los discos ranurados unidos a los extremos de cada eje albergan la rejilla, que transmite el par entre ellos. Se desarrolla un movimiento deslizante de baja amplitud entre la rejilla y las ranuras a medida que la rejilla se deforma bajo carga, ensanchándose en algunos lugares y estrechándose en otros con cada revolución.

Las juntas universales se utilizan para una desalineación máxima permitida de hasta 20 a 30 grados, según el diseño. Se utilizan ampliamente para los ejes de transmisión de los vehículos para permitir que las ruedas se muevan con el sistema de suspensión. Las juntas universales utilizan un componente de cuatro ejes llamado araña para conectar dos ejes que terminan en yugos o nudillos en ángulos rectos (Figura 5). Cada uno de los cuatro muñones de la araña está soportado por un cojinete o buje contenido en uno de los nudillos, que permiten la articulación.

Figura 4. Acoplamiento de rejilla

LUBRICANTES DE ACOPLAMIENTO FLEXIBLES
Se pueden seleccionar tanto aceites lubricantes como grasas para lubricar acoplamientos flexibles. A menos que lo indique específicamente el diseñador de acoplamientos, los acoplamientos para la mayoría de los componentes industriales se lubrican con grasa. Los componentes del acoplamiento están protegidos principalmente por una película de aceite que sangra del espesante de grasa y se filtra a la zona de carga.

Los acoplamientos flexibles lubricados requieren protección contra el movimiento relativo de baja amplitud que se desarrolla entre los componentes. Otras preocupaciones incluyen la tensión centrífuga en el lubricante (particularmente la grasa), que causa una separación prematura del aceite del espesante, mala distribución del aceite dentro de la carcasa y fugas de aceite de la carcasa.

La baja amplitud del movimiento, la velocidad de articulación y la tendencia hacia una acción de deslizamiento en lugar de rodar inhibe el desarrollo de la lubricación hidrodinámica (película completa). Se recomiendan grasas elaboradas con aceites base de alta viscosidad, agentes anti-rayado (EP) y humectantes de metales para superar las condiciones límite (película mixta) que a menudo existen en los acoplamientos flexibles. La alta viscosidad del aceite también ralentiza las tasas de fuga.

Las fuerzas centrífugas en los acoplamientos flexibles pueden ser extremas, aumentando con una mayor distancia desde el eje de rotación. Incluso los acoplamientos de tamaño moderado pueden generar fuerzas miles de veces mayores que la gravedad (denominadas Gs). Los fabricantes de grasas dan una alta prioridad a las formulaciones que resisten la separación prematura del aceite y el espesante debido a las altas fuerzas G.

Figura 5. Junta universal

ACOPLAMIENTOS FLUIDOS
Los acoplamientos de fluido transfieren el impulso desde el eje de entrada a un fluido y luego al eje de salida cuando transmiten el par. La desalineación se soluciona únicamente mediante los espacios entre las partes móviles. Los pequeños espacios libres no proporcionan mucho margen de error en la alineación. Sin embargo, es posible compensar eficazmente las cargas de impacto y las cargas de arranque de alto par, ya que no existe una conexión sólida entre los ejes de entrada y salida.

En los acoplamientos de fluido, un impulsor unido al eje de entrada acelera el fluido dentro del acoplamiento a medida que gira, al igual que en una bomba centrífuga. Este fluido luego golpea las paletas del corredor del eje de salida, transfiriendo su impulso a medida que el corredor acelera. Acelerará hasta que se acerque a la velocidad del eje de entrada, pero nunca la alcanzará realmente. La diferencia de velocidad entre los ejes de entrada y salida se conoce como deslizamiento. Por supuesto, se debe superar la fricción y el arrastre viscoso antes de que el eje de salida pueda girar. La velocidad de entrada mínima requerida para esta condición se conoce como velocidad de pérdida. Los equipos con grandes cargas estáticas, como una turbina de vapor o de gas, utilizarían un acoplamiento de fluido para minimizar la tensión inicial en el eje impulsor.

Las cargas de choque en el lado de entrada, como el par de arranque, nunca se crean. La velocidad del eje de entrada nunca está restringida. Cuando se excede la velocidad de pérdida, el eje de salida comenzará a acelerar, pero lo hará a una velocidad limitada debido a su momento de inercia (resistencia a la aceleración angular). El deslizamiento se crea cuando el corredor acelera a la velocidad de la entrada, disipando el exceso de energía a través de la generación de calor viscoso en el fluido. Las cargas de choque del lado de salida se disiparán de manera similar, incluso si el eje de salida se cala por completo.

Los convertidores y multiplicadores de par son aplicaciones especiales de acoplamientos de fluido que permiten modificar el par de entrada antes de la transmisión. Estos diseños operan fundamentalmente según los mismos principios, pero mecánicamente son mucho más complejos.

LUBRICANTES DE ACOPLAMIENTO DE FLUIDO
La disipación de energía que hace que los acoplamientos hidráulicos sean tan tolerantes a las cargas de choque crea el potencial de aumentos rápidos y extremos en la temperatura del fluido. La energía disipada durante la pérdida y el deslizamiento se convierte en calor a través del cizallamiento viscoso del fluido (fricción interna del fluido). En aplicaciones extremas, la temperatura del fluido puede elevarse por encima de la temperatura operativa normal de 200 grados Fahrenheit en menos de un minuto.

La resistencia a la oxidación y la degradación térmica son cualidades importantes del aceite utilizado para acoplamientos de fluido debido al potencial de aumentos drásticos de temperatura. De manera similar, un índice de viscosidad alto (VI) también es útil para evitar disminuciones severas en la viscosidad operativa en picos de temperatura y una viscosidad operativa excesivamente alta en condiciones de baja temperatura.

Los fluidos de baja viscosidad se utilizan normalmente en estas aplicaciones para reducir la potencia perdida por calor debido a la fricción del fluido. Las viscosidades de los acoplamientos fluidos pueden caer entre 2,5 y 72 centistokes (cSt) a 40 grados Celsius. Para los acoplamientos de fluido diseñados para operar a altas temperaturas, los límites de viscosidad se pueden dar a 100 ° C.

Estos fluidos también deben resistir la formación de espuma debido a la fuerte agitación causada por el movimiento del impulsor y su impacto sobre las paletas del rodete. Las propiedades de protección contra la oxidación ayudan a preservar los componentes metálicos del acoplamiento. Los fluidos a base de hidrocarburos son superiores en este aspecto a otros fluidos, pero su rendimiento puede mejorarse mediante aditivos inhibidores de la oxidación. La compatibilidad del sello también es importante para una larga vida útil.

Recomendaciones
Se puede esperar una vida útil aceptable de cualquiera de estos dispositivos solo si se realiza el mantenimiento adecuado. Los niveles y la calidad del lubricante deben verificarse mediante controles periódicos. Es posible que se necesite lubricante adicional para compensar las fugas. Enjuague y cambie periódicamente el lubricante para eliminar los subproductos dañinos de la descomposición del lubricante, para reemplazar la grasa agotada o para refrescar la población de aditivos. Los acoplamientos de engranajes requieren quizás el mayor mantenimiento. Los intervalos de relubricación típicos son de seis meses a un año, según la gravedad de la aplicación y la experiencia.

Todas las tareas de mantenimiento deben realizarse prestando atención al control de la contaminación. El contacto deslizante que sufren muchos acoplamientos indica que el desgaste abrasivo de tres cuerpos causado por la contaminación de partículas podría ser particularmente dañino. La eliminación inadecuada de los disolventes utilizados para limpiar los acoplamientos durante las inspecciones y las operaciones de lavado puede provocar un adelgazamiento viscoso significativo del lubricante en funcionamiento o reacciones perjudiciales con los materiales espesantes de la grasa.

Los acoplamientos perdurarán cuando se reduzcan las exigencias que se les imponen. Considere que la primera línea de defensa es la minimización de la carga de impacto, incluidos los arranques bruscos y los cambios bruscos de carga. A veces, las demandas operativas lo hacen imposible. Sin embargo, la principal fuente de carga en los sistemas de acoplamiento se puede controlar en gran medida. La alineación adecuada se considera una función de mantenimiento de precisión de alta prioridad. Utilice el análisis de vibraciones o la termografía durante la operación para identificar los acoplamientos que no están alineados, ya que incluso los cimientos más resistentes cambian con el tiempo. Ciertamente, verifique la alineación adecuada siempre que se realicen reparaciones o mantenimiento intrusivo en los componentes acoplados.