Prolongación de la vida útil del rodamiento gracias a una eficaz lubricación con grasa

Los esfuerzos de investigación y desarrollo de SKF están dirigidos a respaldar el desarrollo de productos en rodamientos y sellos para los cuales el conocimiento de la lubricación con grasa es crucial, ya que la mayoría de las fallas de los rodamientos son causadas por una lubricación inadecuada.

SKF tiene competencia interna para analizar lubricantes y el impacto de la lubricación en el rendimiento de los rodamientos mediante una amplia gama de sofisticados equipos químicos, de medición y de prueba.

El lubricante y el sistema de lubricación a menudo se integra en el sistema de cojinetes donde se eligen grasas específicas, dedicadas a la aplicación. SKF no fabrica grasas pero, en asociación con proveedores preferidos, ha desarrollado una gama de grasas, tanto para el llenado inicial como para el mercado secundario.

El conocimiento de la lubricación también se extiende a los lubricadores automáticos, lubricadores multipunto y de un solo punto, sistemas de lubricación centralizada y sistemas de lubricación centralizada de circulación y pérdida total.

SKF también ofrece formación en selección de lubricantes, manipulación de lubricantes, inspección, eliminación y mantenimiento de la fiabilidad. Una unidad de negocio separada de SKF, Servicios de consultoría e ingeniería, ayuda a desarrollar productos relacionados con ejes giratorios o aplicaciones de rodamientos. Obviamente, la lubricación (especialmente la lubricación con grasa) es muy importante aquí. La ingeniería de aplicaciones, los servicios de consultoría, la formación, la gestión de la lubricación, el control del estado, el mantenimiento de la fiabilidad, el soporte técnico, las herramientas, los productos y los sistemas forman la solución de lubricación completa de SKF.

Lubricación con grasa para aplicaciones de rodamientos
El rodamiento perfecto estaría libre de lubricante. Sin embargo, se necesita lubricante para separar los elementos rodantes de las pistas de rodadura para evitar daños debidos a (micro) deslizamientos. El medio de separación ideal es el líquido, que puede adaptarse al cizallamiento con bajas pérdidas por fricción y puede rellenar las superficies de los cojinetes (acción de autocuración).

La grasa lubricante es muy utilizada por su consistencia, lo que la hace fácil de usar; no se escapará fácilmente y proporciona cierta acción de sellado. La grasa protege contra la corrosión y reduce los valores de fricción, en comparación con la lubricación con aceite, siempre que se aplique grasa de buena calidad y tasa de llenado.

Una grasa lubricante tiene una vida útil finita [2,3], que generalmente es más corta que la vida útil a la fatiga del cojinete [1]. Existen modelos avanzados de vida útil de los rodamientos y, dado que la vida útil de la grasa a menudo domina la vida útil de los rodamientos, es muy deseable un modelo de vida útil de la grasa. Desafortunadamente, la complejidad de la lubricación con grasa [2] significa que en la actualidad no se dispone de modelos físicos para la predicción de la vida útil de la grasa. SKF ha desarrollado un modelo empírico en el que se puede calcular la vida útil de la grasa (o el intervalo de relubricación) para una "grasa de buena calidad".

Figura 1.

Para los rodamientos rígidos de bolas, SKF ha desarrollado el concepto Grease Performance Factor (GPF) [3] (fig.1) para predecir la vida útil de grasas conocidas para las que se dispone de datos. Un GPF =1 corresponde al rendimiento de una "grasa de buena calidad". Muchos tipos de grasa superan el estándar de "buena calidad" y tendrán un GPF mayor que 1. La Figura 1 muestra la vida útil de la grasa en función de la temperatura, la velocidad (n dm) y la calidad de la grasa [3].

SKF recomienda límites de rendimiento de temperatura dentro de los límites de temperatura estandarizados (Figura 2). Entre los límites de rendimiento recomendados, la "zona verde" del concepto de semáforo SKF, la grasa funcionará de manera confiable y se puede determinar la vida útil de la grasa (y el intervalo de relubricación) [8].

Figura 2.

Las temperaturas en la zona ámbar a ambos lados de la zona verde deben ocurrir solo por períodos muy cortos. Con el tiempo, la temperatura, el trabajo mecánico, el envejecimiento y la posible entrada de contaminantes, la grasa de un rodamiento se deteriora y pierde sus propiedades lubricantes. Después del llenado inicial de grasa durante la instalación, la relubricación adicional con grasa puede lograr la vida útil deseada. Tres factores para la relubricación son importantes para lograr la confiabilidad:tipo de grasa, cantidad de grasa y frecuencia de aplicación. La cantidad suministrada y la frecuencia del engrase depende de las condiciones de funcionamiento y del método de suministro:manual, o mediante un lubricador automático o sistema de lubricación. Este conocimiento se materializa en sistemas expertos:LubeSelect, LuBase y DialSet, disponibles a través de Internet.

Física de la lubricación con grasa
Comprender la física y la química de la lubricación con grasa es fundamental para predecir el rendimiento de la grasa en un rodamiento. La prueba de vida útil de la grasa en condiciones de aplicación suele ser imposible, ya que una aplicación se diseñará para una resistencia muy larga, lo que daría lugar a tiempos de prueba inaceptablemente largos. En la práctica, las condiciones de prueba se eligen para que sean más severas (por ejemplo, temperatura más alta y / o velocidades más altas) que en la aplicación. Además, los equipos de prueba de vida útil de la grasa a veces se operan con rodamientos estandarizados, que difieren de la aplicación.

El rendimiento de la grasa lubricante depende no solo de las propiedades de la grasa, sino también de la geometría interna del tipo de rodamiento en particular. Incluso dentro de los tipos de rodamientos, el rendimiento depende de la geometría interna, donde las dimensiones internas, la solución de sellado, la configuración de la jaula y el material de la jaula son más importantes.

Al conocer la física y la química de las grasas lubricantes, los resultados de las pruebas se pueden "extrapolar" a condiciones para las que no se dispone de datos de prueba. Además, los datos de las pruebas de vida útil de la grasa se utilizan para validar los modelos físicos desarrollados para la lubricación con grasa. El Centro de Ingeniería e Investigación de SKF ha desarrollado conocimientos y modelos de vanguardia en tribología / lubricación y física / química, que respaldan la comprensión de la lubricación con grasa. Las áreas científicas que apoyan el desarrollo de modelos de predicción de grasas incluyen reología, dinámica de fluidos, química, lubricación elastohidrodinámica y estadística.

En la etapa inicial de funcionamiento del rodamiento, fluirá grasa. La mayor parte de la grasa termina adyacente a las pistas de rodadura y parte permanece dentro del "área barrida". La distribución interna de la grasa dentro del rodamiento durante y después de esta fase requiere la comprensión de la dinámica de fluidos y las propiedades reológicas de la grasa. Aplicar la teoría de la dinámica de fluidos al flujo de grasa no es sencillo; después de todo, una grasa lubricante no es realmente un fluido. La grasa envejece por trabajo mecánico y térmico, que es severo en un rodamiento, lo que agrega complejidad al problema. La teoría de la dinámica de fluidos / reología también se utiliza para predecir las propiedades de purga de aceite de la grasa. Es importante comprender la química de la lubricación con grasa para predecir la oxidación del aceite base y el espesante [4]. Además, la química de la grasa determina las propiedades de lubricación límite.

Se supone que la grasa lubricante desarrolla una película de separación, que puede ser una película límite o puede formarse por acción hidrodinámica. En los rodamientos, la deformación elástica de los cuerpos en contacto generará una geometría de entrada favorable para la formación de películas, fenómeno que se denomina “lubricación elastohidrodinámica” (EHL). Esta teoría está bien desarrollada para la lubricación con aceite, pero aún no para la lubricación con grasa, donde el espesor de la película está dominado por la disponibilidad de lubricante en las pistas de carrera (generalmente conocido como "EHL hambriento" [5]) y por "partículas" espesantes. La Figura 3 muestra una imagen de interferometría de un contacto lubricado con grasa. La película no es lisa debido a las partículas de espesante que entran al contacto.

Finalmente, el proceso de lubricación con grasa no es determinista. Existe una distribución estadística en las fallas, lo que complica aún más la predicción. SKF ha desarrollado un conocimiento sólido de las estadísticas de Weibull, que se utiliza para evaluar la vida útil de los rodamientos y los datos de las pruebas de vida útil de la grasa [6].

Prueba de grasa
Para predecir la vida útil de la grasa lubricante en un rodamiento, SKF ha desarrollado máquinas de prueba que se utilizan en toda la industria. Tradicionalmente, estos eran los equipos de prueba R0F (rodamientos de bolas) y R2F (rodamiento de rodillos esféricos). Los bancos de pruebas R0F se han actualizado (R0F +), lo que los hace muy flexibles en términos de velocidad, carga y temperatura. Se puede encontrar una gran cantidad de R0F y R0F + en el Centro de Ingeniería e Investigación de SKF, lo que permite realizar 140 pruebas simultáneamente (Figura 4).

Figura 4.

Además de las pruebas de duración de la grasa, se realizan pruebas funcionales de par de arranque, fricción, resistencia a la corrosión, vibraciones (V2F), ruido de la grasa (BeQuiet +), etc. Un laboratorio químico bien equipado respalda la evaluación de los resultados de la prueba.

Desarrollo de productos y lubricación con grasa
Varios ejemplos demuestran cómo la comprensión de la lubricación con grasa ha influido en el desarrollo de nuevos productos, incluida una nueva generación de rodamientos SKF energéticamente eficientes. La Figura 5 muestra un rodamiento rígido de bolas SKF energéticamente eficiente (E2). Los rodamientos rígidos de bolas SKF E2 tienen pérdidas por fricción que son al menos un 30 por ciento más bajas en comparación con los rodamientos SKF estándar del mismo tamaño. Desarrollados para aplicaciones lubricadas con grasa, los rodamientos SKF E2 también consumen menos lubricante.

Figura 5.

La comparación entre la vida útil de la grasa en un rodamiento rígido de bolas estándar y SKF E2 (Figura 6) muestra que la vida útil de la grasa se duplica, duplicando efectivamente la vida útil del rodamiento. La reducción de la fricción se puede atribuir a una lubricación con grasa mejorada, es decir, una grasa única en combinación con una geometría interna mejorada y un nuevo diseño de jaula. Este es un buen ejemplo de cómo se ha integrado el desarrollo de grasas en el diseño de los rodamientos.

Figura 6.

Cuando SKF desarrolló su propio banco de pruebas y un método para el falso ensanchado, surgió una nueva grasa con excelentes propiedades anti-falsa formación de salmuera para las palas de turbinas eólicas y los rodamientos de guiñada. La Figura 7 traza los resultados de la prueba con una grasa estándar y la nueva grasa para cojinetes de guiñada y hoja, donde la fricción se monitorea en función del número de oscilaciones. Si la fricción aumenta continuamente con el tiempo, entonces está a punto de ocurrir una falla. Las líneas azules representan las medidas de la grasa comercial. Las líneas verdes son las mediciones con la grasa SKF LGBB 2, que forma una tribocapa protectora y muestra valores de fricción muy bajos durante muchos ciclos y dará lugar a una larga vida útil de los rodamientos.

Figura 7.

La Figura 8 muestra la ventana de operación para varias grasas en condiciones similares a las de los cojinetes de cuchillas. En caso de deslizamiento parcial, la oscilación es tan pequeña que el centro del contacto hertziano se pegará y el deslizamiento solo se produce en los bordes del contacto. El deslizamiento brusco tiene lugar cuando las oscilaciones son tan severas que incluso el centro del contacto se deslizará. La fricción ocurre típicamente entre las superficies que se pretenden fijar, sin embargo, están sujetas a pequeñas oscilaciones y se caracterizan por la generación de residuos de desgaste que permanecen atrapados dentro del área de contacto. La grasa SKF LGBB 2 tiene excelentes propiedades antidesgaste y también se puede utilizar para grandes oscilaciones. La grasa se comporta bien a bajas temperaturas y tiene buenas propiedades anticorrosión, lo que la hace muy adecuada para aplicaciones de palas de turbinas eólicas y cojinetes de guiñada.

Figura 8.

Para las aplicaciones de las fábricas de papel, SKF ha desarrollado el “lubricante espesado con polímero SKF”, o grasa polimérica, que reemplaza el espesante de jabón tradicional por un polímero [7]. El polímero no es polar, es decir, el jabón no compite con la superficie del metal para atraer los aditivos. La grasa convencional contiene de un 10 a un 20 por ciento de espesante de jabón a base de metal (polar) y de un 80 a un 90 por ciento de aceite base, incluido el paquete de aditivos. El lubricante espesado con polímero contiene de un 10 a un 13 por ciento de polipropileno (PP), un material no polar, y de un 87 a un 90 por ciento de aceite, incluido el paquete de aditivos. El proceso único para la formación de grasa espesada con polímero es la operación innovadora de calentamiento y enfriamiento del polímero, que se disuelve en aceite. Esto da como resultado una estructura de red tridimensional, que funciona como una grasa "normal" espesada con jabón metálico. La grasa proporciona una larga vida útil en el banco de pruebas R0F, incluso en ausencia de aditivos, lo que la hace más respetuosa con el medio ambiente con intervalos de relubricación prolongados. Esto conducirá a una reducción del consumo de grasa. La nueva grasa polimérica tiene un excelente rendimiento a bajas temperaturas y se requiere menos energía en su producción.

Los requisitos de grasa para los cojinetes del eje principal en las turbinas eólicas se relacionan con el entorno hostil en el que la grasa debe lograr una alta confiabilidad bajo cargas de contacto pesadas, bajas velocidades y condiciones de oscilación y parada. Surgen desafíos adicionales para las turbinas eólicas instaladas en alta mar y climas fríos. SKF ha desarrollado tres grasas diferentes para aplicaciones de eje principal de turbinas eólicas. La tabla 1 muestra las propiedades de las grasas. Las tres grasas son ampliamente utilizadas y aprobadas por varios fabricantes de equipos originales de turbinas eólicas. La elección de la grasa depende del tipo de sellado, las condiciones de funcionamiento y el entorno.

Tabla 1.

SKF ofrece a los clientes soluciones completas para aplicaciones de ejes principales que abarcan grasas, carcasas, sellos, configuraciones de rodamientos, sistemas de lubricación, tuercas de seguridad, servicios de montaje, lubricantes y análisis y monitoreo de condiciones.

Conclusiones
SKF está contribuyendo a la sostenibilidad y apoyando soluciones respetuosas con el medio ambiente mediante un mayor desarrollo y aplicación de sus conocimientos en lubricación con grasa, prolongando así la vida útil de los sistemas de rodamientos y reduciendo la fricción, lo que lleva a un menor consumo de energía. La vida útil prolongada y los intervalos de relubricación reducen la necesidad de mantenimiento y reducen los residuos. Esto se logra utilizando el conocimiento obtenido de la I + D fundamental y el desarrollo de modelos en combinación con el desarrollo de productos.

Referencias

[1] E. Ioannides, G. Bergling y A. Gabelli. Una formulación analítica para la vida útil de los rodamientos. Acta Polytechnica Scandinavia, Serie de Ingeniería Mecánica, Academia de Tecnología de Finlandia, (137), 1999.

[2] P.M. Lugt. Una revisión sobre la lubricación con grasa en rodamientos. Tribology Transactions, 52 (4):470-480, 2009.

[3] B. Huiskamp. Engrase de por vida los rodamientos rígidos de bolas lubricados de por vida. Evolution, 2:26-28, 2004.

[4] A. van den Kommer y J. Ameye. Predicción de la vida útil restante de la grasa:un nuevo enfoque y método mediante voltamperometría de barrido lineal. Proceedings Esslingen Conference, páginas 891–896, 2001.

[5] M.T. van Zoelen, C.H. Venner y P.M. Lugt. Predicción de la caída del espesor de la película en contactos lubricados elastohidrodinámicamente con hambre utilizando un modelo de capa de película delgada. Actas de la Institución de Ingenieros Mecánicos. Parte J, Revista de tribología de ingeniería, 223 (3):541-552, 2009.

[6] T. Andersson. Pruebas de resistencia en teoría. Ball Bearing Journal, 217:14-23, 1983.

[7] D. Meijer, D. Grasa lubricante espesada con polímero. Solicitud de patente europea (EP 0 700 986 A3), 1996.

[8] Catálogo general de SKF, 6000 / I (2008)