Cojinetes De Superficie Plana 6x66y

UNIVERSIDAD DE COLIMA FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA INGENIERIA MECANICO ELECTRICISTA

UNIVERSIDAD DE COLIMA FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA INGENIERIA MECÁNICO ELÉCTRICISTA

ASIGNATURA: Diseño II

CATEDRÁTICO: Ing. Hilario Verduzco Figueroa

GRADO Y GRUPO: 6° “A” ALUMNOS: INTEGRANTES

CALIFICACIÓN EN PORCENTAJE

Gonzales Díaz Julio Cesar

0

Mancilla Farrera Alan

0

Manzilla Roblada Fernando

0

Santilla Flores Andrés

0

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1 0 1 0 1 0 1

2 0 2 0 2 0 2

3 0 3 0 3 0 3

4 0 4 0 4 0 4

5 0 5 0 5 0 5

6 0 6 0 6 0 6

7 0 7 0 7 0 7

8 0 8 0 8 0 8

9 0 9 0 9 0 9

10 0 10 0 10 0 10

1COJINETES DE SUPERFICIE PLANA


Urzúa Márquez Sergio

0

0 1 0

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ELABORACIÓN: 04 Febrero 2015, Manzanillo, Colima.

CONTENIDO 1. OBJETIVO DE ESTE CAPITULO 2. INTRODUCCIÓN: TAREA DE DISEÑAR UN COJINETE 3. EL PARÁMETRO µN/P DEL COJINETE 4. MATERIALES PARA COJINETES 9. COJINETES HIDROSTÁTICOS 10. TRIBOLOGÍA: FRICCIÓN, LUBRICACIÓN Y DESGASTE

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APÉNDICE Tabla 10.1 Viscosidades Básicas AGMA-ISO...................................................................20

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1. OBJETIVO DE ESTE CAPITULO El objetivo de un cojinete es soportar una carga, y al mismo tiempo permitir el movimiento relativo entre dos elementos de una máquina. En este capítulo se describen los cojinetes de superficie plana, donde las dos piezas que se mueven entre si no tienen entre ellas elementos rodantes. Se describen los cojinetes con o de rodadura en el capítulo 14. Un arreglo típico como el que se muestra la figura 16-1. El miembro interior, llamado muñón, suele ser la parte de un eje por donde se transfieren las fuerzas radiales de reacción a la base de la máquina.

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Figura 16-1

1. Describir los tres modos de operación de un cojinete de superficie plana (lubricación limite, película mixta e hidrodinámica de película completa), y describir las condiciones bajo las cuales ocurrirá cada un normalmente. 2. Describir la importación del parámetro µn/p de cojinete. 3. Listar las decisiones de debe tomar el diseñador de un cojinete para definir en forma total un sistema de cojinete de superficie plana. 4. Describir los materiales que usan con frecuencia en muñones y cojinetes, y describir sus propiedades importantes. 5. Definir el factor pV y usarlo en el diseño de cojinetes de lubricación límite. 6. Describir el funcionamiento de cojinetes lubricados hidrodinámicamente con película completa. 7. Completar el diseño de cojinetes de película completa, definiendo el tamaño del muñón y del cojinete, la holgura diametral, la longitud del cojinete, el espesor mínimo de película, el acabado superficial, el lubricante y el desempeño friccional resultante para el sistema del cojinete. 8. Describir un sistema hidrostático de cojinete, y terminar el diseño básico del mismo. 9. Definir tribología, y las características esenciales de fricción, lubricación y desgaste y aplicadas a la maquinaria. 10. Describir la naturaleza general de los aceites y grasas, y sus efectos sobre la lubricación y el desgaste.

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2. INTRODUCCIÓN: TAREA DE DISEÑAR UN COJINETE El termino cojinete de superficie se refiere al tipo de cojinete donde dos superficies se mueven entre sí sin las ventajas del o de rodadura. En consecuencia, existe o de deslizamiento. La forma real de las superficies puede ser cualquiera que permita el movimiento relativo. Las formas más comunes son superficies más comunes son planas y cilindros concéntricos. La figura 16-1 muestra la geometría de un cojinete de superficie plana cilíndrica. Un sistema determinado de cojinete puede funcionar con cualquiera de las tres clases de lubricación: La Lubricación límite: Existe o real entre las superficies solidas de las piezas móvil y estacionaria del sistema, aunque está presente una capa de lubricante. Lubricación mixta de película: Existe una zona de transición entre la lubricación limite y de película. Lubricación de película completa: Las piezas móvil y estacionaria del sistema de cojinetes están separadas por una película completa de lubricante que soporta a la carga. Con Frecuencia se usa el termina lubricación hidrodinámica para describir esta condición.

Todos estos tipos de lubricación pueden estar en un cojinete, sin que él esté sometido a presión externa. Si al cojinete se le suministra lubricante a presión, se le llama cojinete hidrostático, el cual será descrito por separado. No se recomienda tener superficies móviles en seco a menos que los materiales tengan na buena lubricidad entre sí. Algunos plásticos se usan en seco como se describirá en las secciones siguientes. El diseño de cojinetes implica tantas decisiones de diseño, que no es posible establecer un procedimiento que llegue a un solo diseño óptimo. En consecuencia, se puede proponer varios diseños factibles, y el diseñador debe formar su opinión con base en su conocimiento de la aplicación, y de los principios de funcionamiento de cojinetes, para diseñar un sistema de cojinete para todos los tipos de decisiones de diseño que se deben tomar. (Vea la Referencia 18.) En esta descripción, se supondrá que el cojinete será cilíndrico, como el que se usa para soportar un eje giratorio. Se pueden elaborar listas modificadas para superficies en deslizamiento lineal, o como alguna otra geometría.

Requisitos de Cojinete DISEÑO II



Magnitud, dirección y grado de variación de la carga radial Magnitud, dirección de la carga de empuje, si la hay Velocidad de giro de muñón (eje) Frecuencia de arranques y paros, y duración de periodos sin actividad Magnitud de la carga cuando se detiene y cuando se arranca el sistema Expectativa de duración del sistema de cojinete Ambiente donde funcionará el cojinete Decisiones de diseño Materiales para el muñón y para el cojinete Diámetros del muñón y del cojinete, con sus tolerancias Valor nominal e intervalo de holgura para el muñón en el cojinete Acabado Superficial del muñón y del cojinete Longitud del cojinete Método de fabricación del sistema del cojinete Tipo de lubricación a usar, y medios para suministrarla Temperatura de Funcionamiento del sistema del cojinete, y del lubricante Método de mantener la limpieza y la temperatura del lubricante Análisis necesarios Tipos de lubricación: limite, mixta, de película completa Coeficiente de fricción Perdía de potencia por fricción Espesor de potencia por fricción Espesor mínimo de la película Dilatación térmica Disipación térmica necesaria, y medios para obtenerla Rigidez del eje, y pendiente del eje en el cojinete.

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3. EL PARÁMETRO µN/P DEL COJINETE El funcionamiento de un cojinete varía en forma radical, dependiendo de qué tipo de lubricación tenga. Existe una disminución del coeficiente de fricción, cuando la operación cambia de límite a película completa. La creación de lubricación de película completa se favorece con cargas pequeñas, alta velocidad y la presencia de un lubricante muy viscoso suministrado copiosamente. Para un cojinete de eje rotatorio, el efecto combinado de estos tres factores, relacionado con la fricción en él, se puede evaluar al calcular el parámetro de cojinete, µn/p, la viscosidad µ, la velocidad n, y la presión p. El parámetro de rodamiento es adimensional y el efecto del parámetro de cojinete también llamado curva de stribeck se muestra a continuación:

A valores bajos de µn/p, existe lubricación límite y el coeficiente de fricción es alto. Entre la lubricación límite y la de película completa está el tipo mixto de película, que es una combinación de las otras dos. Se recomienda que eviten esa zona de película mixta, porque es imposible indicar el funcionamiento, ya que la curva es muy pendiente en esa zona. Y un pequeño cambio en cualquiera de los tres factores, produciría un gran cambio en la fricción, lo cual causa un funcionamiento errático. El valor de µn/p en el que se produce lubricación de película completa es difícil predecir. Además de los factores individuales de velocidad, presión y viscosidad, las variables que afectan la formación de la película incluyen la cantidad de lubricante suministrado, la adhesión de lubricante a las superficies, los materiales del eje y el cojinete, la rigidez estructural de eje y el cojinete y la rugosidad superficial de los dos. En general, cabe esperar que exista lubricación límite cuando el funcionamiento es a baja velocidad y también el movimiento alternativo, oscilatorio, o una combinación de un lubricante delgado y una presión alta, también producirían lubricación límite. Para lubricación de película completa se requiere una velocidad de la superficie mayor a 25 ft/min, continuamente en una dirección y con suministro adecuado de aceite con viscosidad adecuada.

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4. MATERIALES PARA COJINETES En aplicaciones con rotación, el muñón o eje es de acero, con frecuencia. El cojinete estacionario puede fabricarse con una gran cantidad de materiales, incluidos los siguientes:      

Bronce Babbitt Aluminio Zinc Metales porosos Plásticos

Las propiedades adecuadas para que los materiales se usen en cojinetes planos son únicas y con frecuencia se deben hacer compromisos. La siguiente lista describe esas propiedades. Resistencia: La función del cojinete a veces consiste en soportar la carga aplicada, y entregarla a la estructura de soporte. A veces las cargas varían y se requiere resistencia a la fatiga, además de resistencia estática. Facilidad de incrustación: Esta propiedad se relaciona con la capacidad del material para contener contaminantes en el cojinete sin causar daños a al muñón giratorio. En consecuencia, es preferible que sea suave. Resistencia a la corrosión: Se debe considerar el ambiente total del cojinete, incluyendo el material del muñón, el lubricante, la temperatura, las partículas suspendidas en el aire y los gases o vapores corrosivos. Costo: Siempre es un factor importante; incluye no solo el costo de los materiales, sino también los costos de procesamiento e instalación.

Bronce colado El nombre bronce se aplica a varias aleaciones de cobre con estaño, plomo, zinc o aluminio, solos o en combinación. Los bronces al plomo contienen de 25 a 35% de plomo, lo que les comunica una buena facilidad de incrustación y resistencia a agarrarse bajo condiciones de lubricación mixta. Sin embargo, su resistencia es relativamente baja. El bronce colado para cojinetes SAE CA932, tiene 83% de cobre, 7% de estaño, 7% de plomo y 3 % de zinc. Posee una buena combinación de propiedades para aplicaciones en bombas, maquinaria y electrodomésticos. Los bronces al estaño y al aluminio tienen mayor resistencia y dureza, pueden soportar mayores cargas, en especial en casos de impacto, pero tienen menor incrustación.

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Figura 4.1

Babbitt Los babbitt pueden ser a base de plomo o de estaño; nominalmente tienen 80% del metal principal. Diversas aleaciones compuestas de cobre y antimonio (también plomo y estaño) se pueden adaptar a las propiedades adecuadas para determinada aplicación. Por su suavidad, los babbitt tienen una facilidad de incrustación sobresaliente, así como resistencia al agarramiento, importantes propiedades donde exista lubricación límite. Sin embargo, tienen poca resistencia, y con frecuencia y con frecuencia se aplican como recubrimientos en cajas de acero o hierro colado.

Figura 4.2

Aluminio Con la máxima resistencia de los materiales de uso frecuente en los cojinetes, el aluminio es adecuado para aplicaciones rigurosas, como motores de combustión, bombas y aviones. La gran

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dureza de los cojinetes de aluminio hace que su facilidad de incrustación sea mala, y requiera lubricantes limpios.

Figura 4.3

Zinc Los cojinetes de aleación de zinc ofrecen buena protección al movimiento, sin que exista un suministro continuo de lubricante, aunque trabajan mejor si se lubrican. Las grasas normales para cojinetes se usan con frecuencia. Cuando trabajan con muñones de acero, se transfiere una película delgada del zinc, más suave y lo protege contra el desgaste y el daño. Funciona bien en la mayor parte de las condiciones atmosféricas, excepto en ambientes continuamente húmedos y en exposición al agua de mar.

Figura 4.4

Metales porosos Son producidos en la industria de los metales en polvo; los metales porosos son sinterizados de bronce, hierro y aluminio; algunos se mezclan con plomo o bronce. La sinterización deja un gran DISEÑO II



número de huecos en el material del cojinete, en los que se introduce el lubricante a fuerza. Entonces, durante el funcionamiento, el aceite migra y sale de los poros y moja el cojinete. Estos cojinetes son especialmente buenos en movimientos a baja velocidad, alternativos u oscilantes.

Figura 4.5

Plásticos En general, se llaman materiales autolubricantes; los plásticos se usan en aplicaciones de cojinetes y tienen características inherentes de fricción. Pueden funcionar en seco, pero la mayoría de ellos mejoran su funcionamiento con lubricante presente. La facilidad de incrustación suele ser buena, así como la resistencia al agarre. Pero muchos tienen baja resistencia, lo que limita su capacidad de carga. Con frecuencia se respaldan con camisas de metal, para mejorar su capacidad de carda. Las ventajas principales son su resistencia a la corrosión y, cuando trabajan secos, la eliminación de contaminación. Estas propiedades tienen especial importancia en el procesamiento de alimentos y productos químicos. Entre los refuerzos y cargas que se usan en materiales plásticos para cojinetes están las fibras de vidrio, el vidrio pulverizado, las fibras de carbón, los polvos de bronce, PTFE, PPS y algunos lubricantes sólidos como grafito o bisulfuro de molibdeno.

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9. COJINETES HIDROSTÁTICOS Recuerde que la lubricación hidrodinámica es consecuencia de la creación de una capa de aceite a presión suficiente para soportar la carga sobre el cojinete, y que la película generada se debe al movimiento del muñón dentro del cojinete. Se indicó que se requiere un movimiento relativo constante entre el muñón y el cojinete, para generar y mantener la película. En algunos equipos, las condiciones son tales que no se puede formar la película hidrodinámica. Como ejemplos, se tienen los aparatos alternativos u oscilares, o en máquinas con movimiento muy lento. Si la carga sobre el cojinete es muy alta, puede ser que no se genere una presión suficientemente alta en la película para soportar la carga. Aun en casos en que se pueda producir la lubricación hidrodinámica durante el funcionamiento de la máquina, todavía existe lubricación mixta o límite, durante los ciclos de arranque y paro. Esto no puede ser aceptable.

Considere el diseño de la montura de un telescopio o un sistema de antena en donde se requiere que la rotación de la base sea a una velocidad muy lenta, y que el movimiento sea uniforme. También se desea que la fricción sea baja, para que el sistema de impulsión sea pequeño y tenga respuesta rápida y posicionamiento exacto. La montura es, en esencia, un cojinete de empuje que sostiene el peso del sistema.

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Funcionamiento del cojinete hidrostático En aplicaciones de este tipo, es conveniente usar la lubricación hidrostática. Se suministra lubricante al cojinete a una presión de varios cientos de psi o más, y en forma literal, al actuar la presión sobre el área de carga, separa la carga del cojinete, aun cuando el equipo esté sin movimiento. F=a f A p pr

Q=q f

F h3 Ap μ

P= pr Q=H f

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(9-1)

F Ap

(9-2)

2

( )

h3 μ


(9-3)


Problema modelo 16-4 Una gran montura de antena, que pesa 12000lb, se va a soportar en tres cojinetes hidrostáticos, de tal manera que cada uno cargue 4000lb. Se usará una bomba de desplazamiento positivo para entregar aceite a una presión hasta de 500psi. Diseñe los cojinetes hidrostáticos.

Solución Seleccionar el soporte circular, para el cual se dispone de los coeficientes de funcionamiento de la figura 16-12. Los resultados del diseño indicarán las dimensiones de los soportes, la presión de aceite que se requieren en la caja de cada soporte, el tipo de aceite requerido y su temperatura, el espesor de la capa de aceite cuando los cojinetes estén soportando la caja, la tasa de flujo de aceite requerida y la potencia de bombeo requerida para el aceite. De acuerdo con la figura 16-12, se tendría la potencia mínima requerida para un cojinete de soporte circular cuando la relación Rr/R fuera de 0.50, aproximadamente. Para esa relación, el valor del coeficiente de carga es a f=0.55. La presión en la caja del cojinete será algo menor que la máxima disponible de 500psi, por la caída de presión en la restricción instalada entre el cabezal y el soporte. Diseñe para una presión en la caja de 400psi, aproximadamente. Entonces, según la ecuación (16-6). A p=

Pero

F = af pr

400 lb

(

0.55 400

lb ¿2

)

=18.2¿

2

2

A p=π D /4 . Entonces, el diámetro requerido en el soporte es

D= √4 A p / π=√ 4 (18.2 ) /π=4.81∈¿ Por conveniencia, especifique D=5in. Entonces, el área del soporte será 5∈¿ ¿ ¿2 ¿ ¿ A p=π D2 /4=π ¿ Entonces, la presión que se requiere en la caja es DISEÑO II



19.6∈¿2 ¿ ¿ 0.55 ¿ F 4000 lb pr= = ¿ af A p También 5∈¿/2=2.5∈¿ 2=¿ R=D/ ¿

2.5∈¿ ¿ Rr =0.5 R=0.5 ¿

Especifique el valor de diseño para el espesor de la película h. Se recomienda que h sea entre 0.001 y 0.01 in. Use h=0.005in. Especifique el lubricante y la temperatura de trabajo. Seleccione aceite SAE 30 y suponga que la temperatura máxima en la capa de aceite será de 120°F (50°C). Se puede consultar un método para estimar la temperatura real de la película durante el funcionamiento. De acuerdo con las curvas de viscosidad-temperatura de la figura 16-6, la viscosidad aproximada es de

8.3 X 10−6 ( lb ∙ s /¿2 ) .

Calcule el flujo de aceite en el cojinete, con la ecuación (7). El valor q f=1.4 se puede encontrar en la figura 16-12. 0.005∈¿ ¿ ¿3 ¿ ¿ F h3 4000 lb Q=q f =( 1.4 ) ¿ Ap μ 19.6 ¿2

3

Q=4.3 ¿ /s

Calcula la potencia de bombeo requerida, con la ecuación (16-8). El valor de H f=2.6 se puede encontrar en la figura 16.12: 0.005∈¿ ¿ ¿3 ¿ ¿ ¿ 2 3 2 F h 4000 P= pr Q=H =2.6 ¿ Ap μ 19.6

( )

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(

)



Por conveniencia, se convierte a caballos de fuerza: 12∈¿

1.0 hp =0.247 HP 550 lb∙ ft / s 1.0 ft 1631 lb∙∈ ¿ ¿ s P=¿

10. TRIBOLOGÍA: FRICCIÓN, LUBRICACIÓN Y DESGASTE El estudio de la fricción, lubricación y desgaste se llama tribología, y abarca muchas disciplinas, como la mecánica de sólidos, la mecánica de fluidos, la ciencia de materiales y la química. Es adecuado involucrar a varios especialistas en los equipos de diseño, cuando se elaboren diseños críticos de cojinetes, o de lubricación general. Esta sección presenta algunos principios generales de lubricación, que se pueden aplicar en una diversidad de situaciones de diseño, cuando haya movimiento relativo entre elementos acoplados de máquinas. El objetivo es ayudarle a reconocer los muchos parámetros que deben considerarse al diseñar maquinaria y analizar fallas de funcionamiento no satisfactorio de máquinas ya existentes. Gran parte de la descripción se relaciona con el hecho de minimizar o controlar la fricción, lo que en general se describe como la resistencia al movimiento paralelo de las superficies acopladas. Se usa la lubricación para minimizar la fricción, al introducir una capa de material que en forma inherente reduzca la fuerza necesaria para mover un componente, en relación con su DISEÑO II



componente acoplado. Algunos materiales tienen, por naturaleza, coeficientes de fricción bajos, y pueden trabajar en forma satisfactoria sin lubricación externa. Cuando el movimiento relativo causa o físico entre las superficies de los componentes acoplados, se puede desprender algo del material de ellas, lo que redunda en un desgaste.

Fricción No toda la fricción es perjudicial. Considere la necesidad de que las ruedas motrices usen la fricción para desarrollar fuerzas de propulsión contra pisos, rieles o carreteras. Los embragues y los frenos emplean la fricción para arrancar la máquina, acelerarla, desacelerarla, pararla o mantenerla en una posición. Las mordazas y los mandriles usan la fricción para sujetar piezas o herramientas durante operaciones de manufactura. En estas aplicaciones conviene que las fuerzas de fricción sean grandes y consistentes. La mayor parte de otras aplicaciones, donde existe o deslizante entre los componentes acoplados, requieren que la fricción se minimice para minimizar las fuerzas, pares torsionales y potencia requerida para impulsar el sistema. Los fenómenos principales que intervienen para crear fricción son la adhesión, los efectos elásticos, como la resistencia a la rodadura, los efectos viscoelásticos y la resistencia hidrodinámica. La adhesión es el pegado entre materiales distintos. La resistencia de la adhesión depende de la estructura y las propiedades químicas de los materiales en o. También contribuyen las características de las superficies, como la altura de los picos y valles máximos de rugosidad, llamados asperezas. Algunas asperezas de las partes en o se deforman o fracturan durante el movimiento relativo, mientras que en otras condiciones, el movimiento es resistido cuando las asperezas se enciman entre sí. La resistencia a la rodadura se debe a la deformación elástica del cuerpo en movimiento, o de la superficie sobre la que se mueve. La geometría de los cuerpos en o de rodadura, la magnitud de las fuerzas aplicadas y la elasticidad de los materiales en o, juegan su parte en la determinación de la cantidad de resistencia. Los efectos viscoelásticos se relacionan con las fuerzas causadas por la deformación de materiales flexibles, como los elastómeros durante el o. La resistencia hidrodinámica, llamada también efecto viscoso, se debe al movimiento relativo de las moléculas de los lubricantes fluidos, entre los componentes acoplados en movimiento. Ésta es la principal forma de resistencia entre los cojinetes lubricados hidrodinámicamente con capa completa. Todas, o muchas, de esas formas de fricción, existen al mismo tiempo en la mayor parte de las máquinas reales.

Lubricantes DISEÑO II



Algunas de las funciones importantes de los lubricantes consisten en reducir la fricción, retirar el calor de los cojinetes y demás elementos de máquina donde exista fricción, y apartar los contaminantes. Varias propiedades contribuyen a que el funcionamiento de un lubricante sea satisfactorio;        

Buena lubricidad u oleosidad que produzca baja fricción Viscosidad adecuada bajo las condiciones de funcionamiento Baja volatilidad bajo las condiciones de funcionamiento Características satisfactorias de flujo a las temperaturas que se encuentran durante el uso Conductividad y calor específico adecuados para realizar la transferencia de calor Buena estabilidad química y térmica, y la capacidad de mantener características adecuadas de flujo durante un periodo razonable de uso Compatibilidad con otros materiales en el sistema, como los cojinetes, los sellos y las partes de máquinas, en especial desde el punto de vista de la protección contra corrosión y degradación. Compatibilidad con el ambiente

Aquí se describe la naturaleza básica de los aceites, grasas y lubricantes sólidos.

Aceites. Los proveedores de aceites lubricantes ofrecen una gigantesca variedad de grados. Una clasificación general concentra dos categorías: los aceites de petróleo natural refinado, y los lubricantes sintéticos. En forma típica, los aceites naturales tienen menor costo y dan un servicio satisfactorio en lubricación de propósito general. Con frecuencia se incorporan aditivos al aceite natural para aumentar la viscosidad, mejorar el índice de viscosidad (disminuir la variación de la viscosidad con la temperatura), reducir el potencial de corrosión, retardar la oxidación y otras formas de descomposición química, o aumentar la capacidad para resistir alta presión localizada. Los lubricantes sintéticos son formulaciones químicas de diseño especial, y se pueden adaptar a aplicaciones específicas. Si bien su desempeño es mejor que el de los aceites naturales, su costo es mayor, en el caso típico. Los lubricantes se ofrecen en categorías, como aceites para motor, para engranes, compresores, turbinas, de propósito general, cadenas, cojinetes, maquinaria para alimentos, fluidos para transmisión automática, hidráulicos y para trabajo de metales. Las propiedades que pueden afectar su selección son los grados de viscosidad, el índice de viscosidad y la protección contra la corrosión. Los grados de viscosidad suelen ser reportados con el sistema de evaluación de ISO. El número de grado es la viscosidad cinemática del aceite, en centistokes a 40°C(104°F). Los grados de ISO comunes para lubricantes son 32, 46, 68, 100, 150, 220, 320, 460, 680 y 1000. Los aceites para engranes suelen tener los grados 150 a 680, dependiendo de la DISEÑO II



temperatura ambiente y de la intensidad de carga. Con frecuencia también se cita la viscosidad a 100°C (212°F) como índice de la variación de la viscosidad con la temperatura. Eso no es parte de la clasificación de ISO, y depende principalmente de la propiedad del índice de viscosidad. La American Gera Manufacturers Association (AGMA) define los números de lubricantes del 0 al 15, donde los números 3 a 8 son los que se usan con más frecuencia en la transmisión de potencia. Las viscosidades básicas de los grados AGMA 0 a 8 se correlacionan con los grados de viscosidad ISO como sigue. Tabla 10.1 Viscosidades Básicas AGMA-ISO

AGMA 0 1 2

ISO 32 46 68

AGMA 3 4 5

ISO 100 150 220

AGMA 6 7 8

ISO 320 460 680

A las designaciones de grado AGMA se agregan sufijos: EP por presión extrema y S por aceite sintético. Los grados de viscosidad SAE también se usan para indicar la viscosidad de un aceite. Se parecen a los grados que se usan en los motores de automóviles; estos aceites SAE también son buenos para lubricación en general y para transmisiones con engranes. Los grados de comunes son SAE 20, 30, 40, 50, 60, 85, 90, 140 y 250. Estos grados se deben apegar a límites de viscosidad cinemática en centistokes, medidos a 100°C (212°F). Los grados W de los aceites SAE, como el SAE 20W, deben tener viscosidades menores que los límites especificados a bajas temperaturas, los cuales van de -5°C a -55°C (23°F a -67°F). Esto garantiza que el lubricante puede llegar a las superficies críticas en ambientes fríos, en especial durante el arranque del equipo. Los aceites para engranes suelen ser SAE grados 80 a 250. El índice de viscosidad (IV) es una medida del cambio de la viscosidad de un fluido con la temperatura. El IV se determina al medir la viscosidad de una muestra de fluido a 40°C (104°F) y a 100°C (212°F), y comparar esos valores con los de ciertos fluidos de referencia a los que asignaron valores de IV de 0 a 100.

Un fluido con un IV grande tiene poco cambio de viscosidad, en función de la temperatura. Un fluido con un IV pequeño tiene mucho cambio de viscosidad, en función de la temperatura.

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Para la mayoría de los lubricantes, conviene tener IV grande porque entonces su protección sería más confiable y tendrían un funcionamiento más uniforme cuando varíe la temperatura. Los lubricantes disponibles en el comercio citan valores de IV desde aproximadamente 90 hasta 250. Los lubricantes para engranes tienen un IV aproximado de 150. Para mejorar la viscosidad y ajustar el índice de viscosidad se usan aditivos, los cuales muchas veces son polímeros orgánicos. La protección contra la corrosión de los metales se puede adaptar a aplicaciones específicas, al incorporar varios aditivos al aceite base. Son comunes los inhibidores de oxidación para materiales ferrosos, o la protección del cobre y el bronce contra la corrosión. Los inhibidores de oxidación se usan para prolongar la vida de los aceites. Los aditivos para presión extrema ayudan a evitar el desgaste abrasivo en aplicaciones con mucha carga. Los aditivos de control de espuma evitan la formación de espuma, cuando los engranes u otros elementos de máquina se bañan en aceite.

Grasas. La grasa es un lubricante en dos fases, compuesta por un espesador dispersado en un fluido base, que en forma típica es un aceite. Cuando se aplica a la interface entre componentes en movimiento, la grasa tiende a quedarse en su lugar y adherirse a las superficies. El aceite suministra lubricación en forma parecida a la descrita. Siempre que exista cantidad suficiente de grasa en la interface, se tiene una lubricación continua. Se dice que algunos mecanismos están lubricados de por vida. Sin embargo, el diseñador debe tener mucho cuidado para asegurarse de que la grasa no sea desplazada de zonas críticas donde se necesite, o para diseñar el sistema que pueda aplicar grasa en forma periódica. Algunos componentes, como los rodamientos, tienen conexiones engrasadas para completar el suministro y para descargar la grasa contaminada u oxidada. Se usan varios tipos de espesadores en combinación con los aceites naturales o sintéticos. Los espesadores son jabones que se forman por reacción de grasas animales o vegetales con sustancias alcalinas, como a base de litio, calcio, un complejo de aluminio, arcilla, poliurea y otros. El que se usa con más frecuencia es el 12-hidroxiestearato de litio. Los jabones tienen una consistencia uniforme como la mantequilla, y retienen al aceite en suspensión hasta que entra a la zona que se va a lubricar. Los aditivos dan la capacidad de resistir presiones extremas (EP), protección contra moho, estabilidad frente a la oxidación y mejor facilidad de bombeo de la grasa. El National Lubricating Grase Institute (NLGI) define nueve intervalos de consistencia, a los que se representa con 000 hasta 6, desde bloque semifluido hasta suave, medio duro, duro y rígido. El grado #2 es bueno para aplicaciones industriales en general.

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Lubricantes sólidos. En algunas aplicaciones no se pueden usar aceites o grasas, por la contaminación de otras partes del sistema, exposición a alimentos, temperaturas excesivamente altas o bajas, trabajo al vacío u otras consideraciones ambientales. En estos casos, el diseñador puede especificar materiales sólidos que posean propiedades lubricantes buenas, o agregar lubricantes sólidos sobre superficies críticas. Un lubricante sólido es una capa delgada sólida que reduce la fricción y el desgaste. Algunos se aplican como sólidos, con brocha, aspersión o inmersión, y entonces se adhieren a las superficies en o. Con frecuencia, se mezclan aglomerantes con el material base, para facilitar la aplicación y promover la adhesión. Se requiere el curado en aire o por horneado. El disulfuro de molibdeno (MoS 2) y el grafito son dos lubricantes sólidos que se usan con frecuencia. Se usan también el yoduro de plomo (PbI 2), el sulfato de plata (AgSO 4), el disulfuro de tungsteno y el ácido esteárico. Un ejemplo de su eficacia es la reducción del coeficiente de fricción dinámica del acero sobre acero, desde aproximadamente 0.50 con superficies secas y limpias, hasta el intervalo de 0.03 a 0.06.

Desgaste El desgaste es la eliminación gradual de material de una superficie deslizante. Es un proceso complicado que tiene numerosas variables. Sólo con pruebas bajo condiciones de servicio reales se puede predecir el desgaste real en determinado sistema. Puede haber varios tipos de desgaste:   



Picadura, aspereza, rayadura o escoriación, que en el caso típico se deben a grandes esfuerzos de o y a la fatiga del material superficial durante el o con rodadura o con deslizamiento. Desgaste abrasivo, rascado mecánico, corte o rayadura, como por contaminantes duros en la interface de las partes en o. Fisuramiento, que es el deslizamiento cíclico de amplitud muy pequeña, que desplaza material de la superficie. La acumulación siguiente de basura tiende a acelerar el proceso. La operación continuada produce una superficie de apariencia similar a la de la corrosión, y puede generar pequeñas grietas donde puede originarse la falla última por fatiga. Con frecuencia se presenta cuando partes de ajuste estrecho se someten a cargas oscilantes o a vibración Desgaste por choque o impacto, causado por la erosión del material debido a que materiales duros en movimiento pegan contra la superficie, quizá impulsados por aire o fluidos. Los fluidos con gran velocidad, como la descarga de lavadores a chorro de alta presión, pueden causarles ese desgaste.

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Si bien, no es posible recetar métodos específicos para reducir el desgaste, un diseñador puede intentar lo siguiente, aunque, como se ha visto, la prueba es la única forma de asegurar que la operación sea satisfactoria. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Mantenga baja la fuerza de o entre las superficies deslizantes. Mantenga baja temperatura en las superficies de o. Use superficies de o duras. Produzca superficies lisas en o. Mantenga una lubricación continua para reducir la fricción. Mantenga baja la velocidad entre las superficies en o. Especifique materiales que tengan buenas propiedades contra desgaste.

Muchos proveedores de materiales informan las propiedades de sus productos respecto al desgaste, cuando trabajan contra un material igual o distinto. Esos datos se adquieren con pruebas bajo condiciones controladas con cuidado en laboratorios. El caso típico es el de una parte de un par de materiales que se mueve a una velocidad conocida, por ejemplo, en rotación. El material acoplado se mantiene estacionario, bajo una carga conocida. Se hacen mediciones cuidadosas del peso y dimensiones originales de los especímenes de los materiales en o. Después de un tiempo apreciable de operación, los especímenes se vuelven a pesar y medir, para determinar el material que ha desaparecido. Los resultados se presentan como desgaste, calculado con una ecuación como la siguiente: K=W/FVT

(10-1)

Donde K=factor de desgaste para los materiales W=desgaste medido en pérdida de peso o volumen F=carga aplicada V=velocidad lineal entre las partes que se deslizan T=tiempo de operación. Al comparar los factores K de una diversidad de materiales, el diseñador puede ayudarse a seleccionar sus materiales.

DISEÑO II


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