Optimización de la lubricación de acoplamientos para fiabilidad y longevidad

En un mundo ideal, un solo componente abarcaría todas las características necesarias, pero la realidad nos obliga a ensamblar múltiples piezas in situ. Cuando estas piezas se unen, la alineación nunca es perfecta.

Los acoplamientos transmiten par entre secciones de ejes. Incluso con un ajuste meticuloso, permanece una desalineación residual, y la flexibilidad es esencial para proteger rodamientos y ejes del desgaste prematuro. La lubricación adecuada es la clave para el rendimiento y la durabilidad del acoplamiento.

Figura 1. Tipos de desalineación

La desalineación se manifiesta como desplazamiento angular u offset a lo largo de dos de los tres ejes principales (Figura 1). El eje longitudinal rara vez se mide, sin embargo, los errores aquí pueden causar cargas de empuje excesivas. Las instalaciones grandes, como compresores de alta capacidad, emplean alineación basada en hilo, mientras que configuraciones más pequeñas tradicionalmente usan indicadores de dial de cara y borde. Los indicadores ópticos láser son cada vez más favorecidos por su precisión y facilidad de uso.

Expansión térmica

Los equipos de mantenimiento de alto rendimiento también tienen en cuenta la expansión térmica. Todos los sólidos, excepto el agua, se expanden con la temperatura según su coeficiente de expansión térmica. Un eje alineado a temperatura ambiente se desviará a medida que aumenten las temperaturas de operación. El precalentamiento o preenfriamiento de equipos, o la desalineación intencional a temperatura ambiente, pueden mitigar esta deriva, pero un offset residual es inevitable. Esta desalineación obliga a los ejes a deflectar, induciendo vibración y cargas desiguales en los rodamientos, lo que a su vez acorta la vida útil del equipo.

Cuando los acoplamientos están correctamente diseñados, absorben las fuerzas de desalineación, protegiendo componentes costosos y sensibles como los rodamientos —a menudo los elementos más delicados en un tren de transmisión— de tensiones excesivas.

Figura 2. Acoplamientos de engranajes

Tipos de acoplamientos

Los acoplamientos se clasifican ampliamente en cuatro categorías, cada una con varios diseños específicos. Los acoplamientos sólidos y magnéticos no requieren lubricación, pero se incluyen por completitud. Los acoplamientos sólidos son rígidos y no compensan la desalineación; simplemente unen ejes para transmitir par. Los acoplamientos magnéticos impulsan ejes sin contacto mediante imanes permanentes o electromagnetas —comunes en bombas de accionamiento magnético sin sello.

Los acoplamientos flexibles emplean elementos flexibles fijos —discos o bujes de metal, caucho o plástico— que giran con los ejes y absorben la desalineación sin lubricación. Sin embargo, los acoplamientos de engranajes, cadena, rejilla y juntas universales dependen de la lubricación para un rendimiento y longevidad óptimos. Los acoplamientos fluidos (convertidores y multiplicadores de par) usan fluido lubricante para transmitir par.

Figura 3. Acoplamientos de cadena

Acoplamientos flexibles

Los acoplamientos de engranajes (Figura 2) manejan la desalineación a través del juego entre los dientes de los engranajes. Dientes externos en ambos ejes engranan con dientes internos en una carcasa que contiene lubricante. Existen variantes con dientes en solo un eje, engranando con dientes internos en el otro. La aceleración o desaceleración pueden causar impactos debido al juego, y la desalineación provoca movimiento de deslizamiento en cada revolución.

Los acoplamientos de cadena (Figura 3) operan con el mismo principio. Piñones en cada eje están unidos por una cadena de rodillos; el juego en el ensamblaje de cadena y piñones acomoda la desalineación. Los patrones de carga reflejan los de los acoplamientos de engranajes.

Los acoplamientos de rejilla externa (Figura 4) usan una rejilla de acero corrugado que se flexiona bajo carga. Discos ranurados en cada eje albergan la rejilla, transmitiendo par. Se desarrolla movimiento de deslizamiento entre la rejilla y las ranuras a medida que la rejilla se deforma, ensanchándose y estrechándose en cada revolución.

Las juntas universales admiten 20-30° de desalineación, según el diseño. Son ubicuas en los árboles de transmisión de vehículos, permitiendo el movimiento de las ruedas con el recorrido de la suspensión. La araña de cuatro espigas conecta dos ejes que terminan en horquillas o nudillos en ángulo recto; cada muñón de la araña está soportado por un cojinete o buje dentro de un nudillo, permitiendo la articulación.

Figura 4. Acoplamiento de rejilla

Lubricantes para acoplamientos flexibles

Tanto aceites como grasas pueden lubricar acoplamientos flexibles. La mayoría de los acoplamientos industriales se lubrican con grasa a menos que se especifique lo contrario. La grasa proporciona una película de aceite que sangra del espesante hacia la zona de carga, protegiendo los componentes.

Los acoplamientos flexibles lubricados deben resistir movimiento relativo de baja amplitud, fuerzas centrífugas sobre el lubricante y distribución desigual del aceite. Los pequeños movimientos de deslizamiento inhiben la lubricación hidrodinámica de película completa, por lo que se recomiendan aceites base de alta viscosidad, aditivos EP y agentes humectantes de metal para mantener condiciones de película límite o mixta. La alta viscosidad también reduce las fugas.

Las fuerzas centrífugas en los acoplamientos pueden alcanzar miles de veces la gravedad (Gs). Las formulaciones de grasa están diseñadas para evitar la separación prematura de aceite y espesante bajo tales fuerzas.

Figura 5. Junta universal

Acoplamientos fluidos

Los acoplamientos fluidos transmiten par mediante el movimiento del fluido. La desalineación solo se acomoda por los pequeños juegos entre las partes móviles, dejando poco margen de error. No obstante, los acoplamientos fluidos absorben eficazmente cargas de choque y pares de arranque elevados porque no hay enlace mecánico directo entre el eje de entrada y el de salida.

Dentro de un acoplamiento fluido, un impulsor en el eje de entrada acelera el fluido de manera similar a una bomba centrífuga. El fluido luego incide sobre las paletas del rotor del eje de salida, transfiriendo momento. El rotor acelera hacia la velocidad de entrada pero nunca la alcanza del todo, resultando en deslizamiento. La velocidad mínima de entrada requerida para que el rotor de salida gire se llama velocidad de bloqueo. Los acoplamientos fluidos son ideales para equipos con cargas estáticas altas, como turbinas de vapor o gas, donde el estrés inicial en el eje de accionamiento debe minimizarse.

Las cargas de choque en el lado de entrada nunca se transmiten; la velocidad del eje de entrada permanece sin restricciones. Cuando se supera la velocidad de bloqueo, el eje de salida acelera a una tasa limitada por su inercia, y cualquier energía excedente se disipa como calor viscoso. Los convertidores y multiplicadores de par son acoplamientos fluidos especializados que modifican el par de entrada antes de la transmisión.

Lubricantes para acoplamientos fluidos

La disipación de energía en los acoplamientos fluidos puede elevar la temperatura del fluido rápidamente, a veces superando los 200 °F en un minuto. El aceite debe resistir la oxidación, la degradación térmica y mantener un alto índice de viscosidad para evitar cambios drásticos de viscosidad en picos de temperatura.

Las viscosidades típicas oscilan entre 2,5 y 72 cSt a 40 °C. Para aplicaciones de alta temperatura, los límites de viscosidad pueden especificarse a 100 °C. Los aceites de baja viscosidad reducen la potencia perdida por fricción, pero deben resistir la formación de espuma por la agitación intensa y proporcionar protección contra la corrosión. Los fluidos a base de hidrocarburos, mejorados con aditivos inhibidores de óxido, ofrecen un rendimiento superior y compatibilidad con sellos.

Recomendaciones

El mantenimiento adecuado es esencial para la vida útil de cualquier acoplamiento. Verifique regularmente los niveles y la calidad del lubricante, y añada lubricante para compensar fugas. Periódicamente, purgue y reemplace el lubricante para eliminar productos de degradación y reponer aditivos. Los acoplamientos de engranajes a menudo requieren relubricación cada seis meses a un año, dependiendo de la severidad de la aplicación y la experiencia del operador.

Todo el mantenimiento debe enfatizar el control de contaminación. La contaminación por partículas puede causar desgaste abrasivo en contactos de deslizamiento. Los solventes residuales de la limpieza pueden diluir lubricantes o reaccionar con espesantes de grasa, comprometiendo el rendimiento.

Los acoplamientos duran más cuando las demandas operativas se moderan. Reducir la carga de choque —arranques bruscos e inversiones repentinas de carga— es la primera línea de defensa. La alineación, una función de precisión de alta prioridad, puede verificarse usando análisis de vibración o termografía durante la operación, y debe revisarse siempre que ocurran mantenimientos o reparaciones.