Tipos de desgaste y regímenes de lubricación

El propósito principal de un lubricante es proteger los componentes de la máquina contra la fatiga y el desgaste de la superficie. Idealmente, el aceite base separa las superficies de manera que haya un desgaste mínimo; en ocasiones esto no es posible, y el paquete de aditivos ayudará a minimizar el desgaste.

Hay seis categorías significativas de desgaste: fatiga, desgaste, corrosión, erosión eléctrica, deformación plástica y fractura. Los lubricantes juegan un papel crucial en la reducción o eliminación de los tres siguientes:

• Desgaste abrasivo: Ocurre cuando las asperezas (picos de rugosidad de la superficie) de una superficie cortan la superficie opuesta. A medida que se deslizan unos contra otros, los elementos más duros de una superficie se clavan y deforman el metal más blando de la superficie opuesta. El desgaste abrasivo debe reducirse con el tiempo porque las superficies resultantes se adaptarán después de un período de asentamiento inicial.

• Desgaste adhesivo: Ocurre cuando las asperezas más pronunciadas entran en contacto entre sí y provocan fricción. A medida que las superficies se deslizan entre sí bajo carga, la fricción y el calor generados hacen que las asperezas se suelden, se rasguen y se rompan. Este proceso desgasta las superficies metálicas y contamina el lubricante con partículas metálicas que circulan por el sistema y provocan un desgaste abrasivo de tres cuerpos. El desgaste adhesivo es muy indeseable porque el deterioro de la calidad de la superficie altera aún más la película lubricante, acelerando el modo de falla.

• Fatiga iniciada en la superficie: Resulta de una película lubricante insuficiente. Al igual que con el desgaste adhesivo, los puntos altos de aspereza entran en contacto entre sí. Sin embargo, a diferencia de la adhesión, no hay evento de soldadura. La carga cíclica provoca microfisuras en las asperezas, que eventualmente crecen hasta que parte del material se desprende de la superficie. Este tipo de daño es típico de los contactos rodantes que se encuentran en rodamientos, levas y engranajes en la línea de paso.

Los beneficios de un lubricante.

Casi todas las aplicaciones de hardware modernas requieren un lubricante. Cualquier movimiento relativo de las superficies resultará en fricción, desgaste y eventual falla de los componentes; el lubricante es la principal defensa contra todos estos resultados adversos. Lubricantes:

• Reducir la fricción, aumentando la eficiencia del equipo.
• Separe las superficies de los equipos, reduciendo el desgaste de los componentes.
• Disipe el calor, lo que enfría los componentes y reduce las fallas relacionadas con el calor.
• Suspenda y elimine los contaminantes, reduciendo la abrasión y la acumulación de lodos, barnices y depósitos.
• Evita el óxido y la corrosión formando una barrera protectora.

Regímenes de Lubricación

Los tribólogos (aquellos que estudian la fricción y la lubricación) y los ingenieros de lubricación definen tres "regímenes" de lubricación diferentes. Si bien son arbitrarios, ayudan a definir diferentes tipos de contacto con la superficie que se producen en diversas condiciones de funcionamiento. Según el régimen de lubricación probable, podemos seleccionar un lubricante apropiado.

Lubricación límite: Ocurre cuando una película lubricante no puede evitar que las asperezas de dos superficies hagan contacto completo. Esto podría deberse a que no hay lubricante en la superficie de contacto (como en el arranque), la viscosidad es demasiado baja (debido a una selección incorrecta del lubricante) o la velocidad es demasiado baja (como con los pasadores en un cucharón de excavadora). Durante la lubricación límite, la fricción puede disminuir a medida que disminuye la carga y aumentan la viscosidad y la velocidad. Los componentes experimentan condiciones límite de lubricación en el arranque y la parada, con los niveles más altos de fricción y desgaste resultante.

Lubricación de película mixta: Ocurre cuando los componentes hacen la transición entre la lubricación límite y la hidrodinámica. Una película delgada de lubricante entre dos superficies conduce a un contacto parcial entre las asperezas. La carga es compartida tanto por el lubricante como por los contactos superficiales. A medida que aumenta la velocidad o disminuye la carga, las superficies comienzan a separarse y se forma una película fluida. Inicialmente, la película es muy delgada, pero a medida que las superficies continúan separándose, una película lubricante hidrodinámica completa soporta más carga, sin contacto con la superficie y una fuerte caída en la fricción.

Lubricación de película completa: La lubricación de película completa, también comúnmente llamada lubricación hidrodinámica, ocurre cuando una película lubricante robusta separa por completo las asperezas de dos superficies. Durante la lubricación de película completa, la fricción aumenta lentamente a medida que disminuye la carga y aumenta la velocidad. Debido a que la lubricación hidrodinámica está asociada con la menor cantidad de desgaste, es el régimen de lubricación más deseable. Sin embargo, cuando las superficies cargadas se separan por completo, la viscosidad del lubricante se convierte en un factor más importante, lo que provoca el arrastre del fluido. 

Arrastre fluido: Se necesita energía para mover un fluido. Se necesita más energía para mover más fluido y aún más para mover un fluido con alta viscosidad. Este es el concepto de arrastre fluido. En la lubricación de película límite y mixta, domina la fricción de la superficie: una vez que las superficies se separan en la lubricación de película completa, la fricción está determinada por el arrastre del fluido y la fricción entre la superficie metálica y el fluido.

Como resultado, una vez que se logra la lubricación de película completa, cualquier separación adicional de superficies se ve penalizada por una mayor fricción. Esta separación podría deberse a una mayor velocidad (aumentando la fricción entre la superficie metálica y el fluido) o una mayor viscosidad (aumentando la energía requerida para mover el fluido).  

La curva de Stribeck: La curva de Stribeck proporciona una descripción general de cómo cambia la fricción con diferentes escenarios de lubricación. Toma los tres regímenes de lubricación descritos anteriormente y recopila toda la información en un solo gráfico.

Un eje de la curva de Stribeck traza el coeficiente de fricción, mientras que el otro traza el producto de la viscosidad y la velocidad dividido por la carga. La viscosidad y la velocidad tienen una relación inversa con la carga. Esto significa que si la viscosidad y la velocidad aumentan, la carga disminuye y viceversa.

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