TRIBOLOGÍA: Desgaste

Es consecuencia directa del rozamiento metal-metal entre dos superficies y se define como el deterioro sufrido por ellas a causa de la intensidad de la interacción de sus rugosidades superficiales. El desgaste puede llegar a ser crítico, haciendo que las piezas de una máquina pierdan su telerancia y queden inservibles, causando costosos daños y elevadas pérdidas de producción.

Una de las funciones básicas que debe tener toda sustancia que se emplee como lubricante es la de reducir la fricción sólida y por tanto, el desgaste a los valores más bajos posibles.

TIPOS DE DESGASTE.

Una superficie lubricada se puede gastar por factores que pueden ser intrínsecos al tipo de lubricante utilizado, a su tiempo de servicio o debido a contaminantes externos.
En algunos pocos casos se presenta como resultado de la selección incorrecta del equipo, de un mal diseño, o del empleo de materiales inadecuados para las condiciones de operación de los mecanismos.
En las superficies lubricadas el proceso de desgaste es leve y genera partículas del órden de 1µm a 2µm.

Los tipos de desgaste más importantes son:

* Adhesivo. O por contacto metal-metal. Se presenta en todos los mecanismos lubricados o no, cuando las superficies no están separadas completamente por una película de aceite (lubricación límite)(Lubricación límite: La capa de fluido siempre se mantiene de menor espesor que la altura de las irregularidades, el contacto de ellas es constante, la mayor parte de la carga es soportada por las irregularidades).

Este tipo de desgaste se presenta cuando un mecanismo para o arranca y hay escasez de la película límite como resultado del agotamiento de los aditivos antidesgaste del aceite, ya sea porque se está utilizaando un aceite inadecuado o porque el tiempo de servicio del aceite ha soprepasado el máximo permisible. En este momento las irregularidades de ambas superficies están prácticamente en contacto mutuo, hay transferencia metálica y formación de partículas o fragmentos metálicos de desgaste.

Las irregularidades mas sobresalientes chocan y se adhieren. Las saliente más débil se rompe y es arrastrada por la otra. La partícula metálica es arrstrada y puede quedar adherida a la saliente o permanecer en suspensión.


Es un tipo de desgaste que no se puede eliminar, pero sí se puede reducir considerablemente mediantes la utilización de lubricantes con óptimas propiedades de película límite, como los que contienen aditivos antidesgaste, ácidos grasos, aditivos EP (Extrema Presión), bisulfuro de molibdeno o grafito.

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Grasa de Bisulfuro de Molibdeno

En algunos equipos el desgaste adhesivo prácticamente se puede eliminar cuando se utiliza la lubricación hidrostática.
La principal virtud de la lubricación hidrostática es que puede soportar cargas pesadas a velocidades bajas, ya que no depende de movimiento con respecto a mantener la película lubricante. En cambio, el lubricante se suministra de una bomba especial y líneas de alimentación a la asunción. El aceite se alimenta a través de restrictores de flujo, que generalmente son estacionarias. Los restrictores de flujo de ajustar automáticamente el flujo de aceite para la carga aplicada. Otra ventaja de este sistema de lubricación es la desviación de baja en ciertos rangos de carga, por lo que es preferido para muchas máquinas herramientas de alta precisión. La desventaja de la lubricación hidrostática es su alto costo y complejidad.


Lubricación Hidrostática

Si se eliminara este tipo de desgaste, la vida útil de los mecanismos dependería de otros factores diferentes a la lubricación y se podría decir que el desgaste sería controlable casi en un 100%.

En la práctica el desgaste adhesivo se puede presentar como consecuencia de un alto o bajo nivel de aceite, alta o baja viscosidad, y alta y baja presión. En el caso de un alto nivel de aceite, alta viscosidad y alta presión, el exceso de fricción fluida en el aceite incrementa la temperatura de operación, haciendo que las superficies metálicas se dilaten y rocen, rompiendo en un momento dado la película límite y dando lugar finalmente al desgaste adhesivo.

*Abrasivo.Ocasiona el desgaste del mecanismo como resultado de la presencia entre las superficies en movimiento relativo de partículas extrañas de igual o mayor dureza a la de los materiales que los conforman. Las partículas abrasivas se incrustan ellas mismas en una de las superficies y actúan como una herramienta de corte, removiendo material de la otra superficie.



Estas partículas pueden proceder del medio ambiente donde funciona la máquina, o del medio ambiente al interior de la misma, como consecuencia del desgaste adhesivo y/o corrsivo. El desgaste es mayor en la superficie más blanda. Se ha demostrado que la abrasión es más pronunciada cuando el tamaño de la partícula es igual o ligeramente mayor que el juego dinámico (equivalente al espesor mínimo de la película lubricante) del mecanismo lubricado; la forma de la partícula también incide en la gravedad del desgaste. La abrasión es posible controlarla si se remueven del aceite las partículas abrasivas, cuyo tamaño sí se encuentra dentro del rango del juego dinámico; esto se puede lograr cambiando el aceite con más frecuencia si el sistema de lubricación es por salpique o implementando sistemas de filtración eficientes (micronaje adecuado y altas relaciones de filtración)cuando la lubricación es por circulación.
El desgaste abrasivo también se puede presentar aun cuando el tamaño de la partícula sea menor que el juego dinámico, como resultado de incrementos en la carga que actúa sobre el mecanismo o por disminución en la viscosidad del aceite, que hacen que el juego dinámico disminuya, quedando su valor igual o ligeramente menor que el tamaño de la partícula.



*Corrosivo (por corrosión o herrumbre). Es consecuencia de un aceite oxidado o de la contaminación de éste con agua o con ácidos del proceso o del medio ambiente.
La herrumbre (en materiales ferrosos) y la corrosiva ácida (en materiales blandos, como el Babbitt) pueden constituir un problema serio en una turbina de vapor, un motor de combustión interna o en cualquier máquina expuesta a la humedad.
En los equipos industriales se puede presentar por dejar el aceite más del tiempo previsto. Esto permite que el TAN (Número Acido Total) o NN (Número de neutralización) supere el valor máximo permisible para una aplicación dada, dando lugar a que los ácidos fuertes (del tipo mineral) y los débiles (de tipo orgánico) ataquen las superficies metálicas y vayan causando el desprendimiento de partículas que orinan pequeños cráteres que, al unirse, forman grietas que producen el rompimiento de la pieza. Por otro lado, las partículas desprendidas ocasionan desgaste abrasivo.

http://www.trabeco.net/Prensa/empresarios/El_Aceite/el_aceite.html
http://www.spectroinc.com/analytical-tests-yan-total-acid-number.htm
http://www.foro-industrial.com/foros/viewtopic.php?t=473


http://www.kittiwake.com/total_acid_number_tan.htm



http://www.engineersedge.com/lubrication/acid_number_neutralization_number.htm
http://www.britannica.com/EBchecked/topic/350437/lubrication/4347/Neutralization-number






En los aceites para motores de combustión interna se puede presentar por dejar acabar la reserva alcalina del aceite; por el uso de éste más allá del kilometraje previsto. Esto se refleja mediante el análisis del TBN (Número Básico Total).

http://www.predic.com/mediawiki/index.php/Total_Basic_Number



La herrumbre en un motor de combustión interna resulta casi enteramente del agua y los ácidos provenientes de la cámara de combustión. En los motores Diesel la combustión de los compuestos de azufre produce ácido sulfúrico que ataca los anillos y las paredes del cilindro. De manera similar, el ataque de las partes ferrosas de un motor de gasolina se debe a los ácidos orgánicos y al ácido clorhídrico y bromhídrico, éstos últimos procedentes de los haluros orgánicos (dicloruro y dibromuro de etileno) usados junto con el compuesto antidetonante, con el fín de eliminar los residuos de plomo dejados al quermarse el combustible.

Dentro de las principales causas que originan el desgaste corrosivo en un motor de combustión interna, se tiene el funcionamiento a bajas temperaturas, lo cual ocasiona:

-Contaminación del aceite con los gases de la combustión y con el agua de condensación, dando lugar a la formación de lodos y gomas, y la dilución del aceite por el combustible.

-Incremento en la herrumbre y en la corrosión de las superficies metálicas, propiciando la acumulación de focos de humedad y de agua, los cuales originan un desgaste pronunciado de los pistones, anillos, cilindros, cojinetes del cigueñal, etc., producción de carbones duros (de tipo parafínico) al pasar aceite a la cámara de combustión, pegamiento de anillos y mayor consumo de combustible, porque una gran parte de éste pasa ala cárter sin quemarse y otra se emplea en vencer el aumento en la fricción.

Actulmente el problema de desgaste corrosivo en los motores de combustión interna se ha controlado considerablemente con las nuevas especeficaciones API SG (para motores a gasolina)y CF (para motores Diesel).
Se ha demostrado que mientras que las paredes del cilindro se mantenga por encima de 180°F, el desgaste corrosivo aumenta marcadamente, debido a la condensación de agua ácida. Por lo tanto, un motor se debe dejar funcionando en vacío durante el tiempo necesario, para que alcance la temperatura normal de operación, de lo contrario, en unos pocos minutos puede ocurrir un considerable desgaste corrosivo.
Los ácidos débiles se forman a medida que el aceite se degrada y éste es un fenómeno normal, mientras que los fuertes son ocasionados por una descomposición a altas temperaturas. Esta última situación es la que necesita máximo control (en el caso de los aceites industriales)para evitar desgaste corrosivo. El desgaste corrosivo en un motor de combustión interna se puede controlar mediante aditivos alcalinos, tales como fenatos y sulfonatos básicos. Se ha encontrado que en un motor Diesel se puede inhibir la corrosión debido al ácido sulfúrico si el pH (acidez) del aceite se mantiene por encima de 4,5. En motores de gasolina que operan a baja temperatura (unos 900 °F), el desgaste de los anillos y el cilindro aumenta rápidamente si el pH del aceite baja de 6.

Otro tipo de desgaste no menos peligroso es el corrosivo por vibración,en el cual el desprendimiento de material es causado por una carga cíclica que rompe la película lubricante.



Si ésta situación es inherente al funcionamiento del equipo (zarandas, molinos de bolas, molinos de mandíbulas, troqueladoras, etc.) este tipo de desgaste se puede evitar mediante el empleo de aditivos de Extrema Presión (EP) o con lubricantes de pelicula sólida.


Zaranda Vibratoria


Molino de bolas


Molino de mandíbulas


Troqueladora

*Desgaste Erosivo. Es causado por un fluido a alta presión y con partículas sólidas en suspensión, las cuales al impactar sobre las superficies arrancan material de ellas debido a los efectos del momentum de las partículas. La pérdida de material puede ser significativa, provocando roturas por fatiga. También se puede presentar como consecuencia del empleo de un aceite de viscosidad mayor que la requerida. El exceso de viscosidad hace que el aceite al circular entre dos superficies, entre las cuales hay una tolerancia específica, trate de "pulir" o emparejar las irregularidades más sobresalientes.


Este es el tipo de desgaste que se presenta cuando en el periodo inicial de la puesta en marcha de un equipo nuevo se utiliza un aceite de una viscosidad mayor que la requerida para una operación normal. En estas circunstancias, esta situación es completamente normal.


*Desgaste por fatiga superficial.Se presenta como consecuencia de los esfuerzos cíclicos de tensión, comprensión y esfuerzo cortante subre una superficie, los cuales dan como resultado grietas profundas de fatiga que causan finalmente la aparición de picaduras y escamas. Se presenta principalmente en los mecanismos en donde intervienen el movimiento por rodadura, como es el caso de las pistas de los rodamientos, flanco de los dientes de los engranajes y las superficies de las levas, entre otros. Este tipo de desgaste se presenta inexorablemente con el tiempo.






El desgaste por fatiga se puede acelerar cuando hay presencia en el aceite de partículas sólidas del mismo tamaño o ligeramente más grandes que el juego dinámico y que no se adhieren a ninguna de las superficies en movimiento. La partícula es atrapada instantánemente entre las superficies y origina hendiduras en ellas, debido a que las superficies se deflectan a lado y lado de la partícula como consecuencia de la carga que soportan, iniciándose el agrietamiento. La partícula es alojada por el mismo movimiento de las superficies y después de n ciclos de fatiga las grietas se esparcen por la superficie hasta que se produce el descascarrillado de la misma.

*Por Cavitación.Cuando el aceite fluye a través de un fluido donde la presión de vapor, hierve y forma burbujas de vapor. Estas burbjas de son transportadas por el aceite hasta llegar a una región de mayor presión, donde el vapor regresa al estado líquido en forma súbita, "aplastándosen" bruscamente las burbujas. Este fenómeno se llama cavitación. Si las burbujas de vapor se encuentra cerca o en contacto con una superficie sólida cuando cambian de estado las fuerzas ejercidas por el aceite al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, que ocasionan picaduras en dicha superficie. La cavitación generalmente va acompañada de ruido y vibraciones.
Cuando los aceites, se evaporan, las moléculas que escapan de su superficie ejercen una presión parcial en el espacio conocida como presión de vapor. Este fenómeno depende de la actividad molecular y esta a su vez es función de la temperatura y aumenta con ella. Cuando la presión que actúa sobre un aceite es igual a su presión de vapor se presenta la ebullición. La cavitación se puede evitar incrementando la presión en el sistema o utilizando aceites con presiones de vapor bajas a altas temperaturas.

De Wikipedia:

La cavitación o aspiración en vacío es un efecto hidrodinámico que se produce cuando el agua o cualquier otro fluido en estado líquido pasa a gran velocidad por una arista afilada, produciendo una descompresión del fluido debido a la conservación de la constante de Bernoulli (Principio de Bernoulli). Puede ocurrir que se alcance la presión de vapor del líquido de tal forma que las moléculas que lo componen cambian inmediatamente a estado de vapor, formándose burbujas o, más correctamente, cavidades. Las burbujas formadas viajan a zonas de mayor presión e implotan (el vapor regresa al estado líquido de manera súbita, «aplastándose» bruscamente las burbujas) produciendo una estela de gas y un arranque de metal de la superficie en la que origina este fenómeno.

La implosión causa ondas de presión que viajan en el líquido. Estas pueden disiparse en la corriente del líquido o pueden chocar con una superficie. Si la zona donde chocan las ondas de presión es la misma, el material tiende a debilitarse metalúrgicamente y se inicia una erosión que, además de dañar la superficie, provoca que ésta se convierta en una zona de mayor pérdida de presión y por ende de mayor foco de formación de burbujas de vapor. Si las burbujas de vapor se encuentran cerca o en contacto con una pared sólida cuando implosionan, las fuerzas ejercidas por el líquido al aplastar la cavidad dejada por el vapor dan lugar a presiones localizadas muy altas, ocasionando picaduras sobre la superficie sólida.

El fenómeno generalmente va acompañado de ruido y vibraciones, dando la impresión de que se tratara de grava que golpea en las diferentes partes de la máquina.

Se puede presentar también cavitación en otros procesos como, por ejemplo, en hélices de barcos y aviones, bombas y tejidos vascularizados de algunas plantas.

Se suele llamar corrosión por cavitación al fenómeno por el que la cavitación arranca la capa de óxido (resultado de la pasivación) que cubre el metal y lo protege, de tal forma que entre esta zona (ánodo) y la que permanece pasivada (cubierta por óxido) se forma un par galvánico en el que el ánodo (el que se corroe) que es la zona que ha perdido su capa de óxido y la que lo mantiene (cátodo).


Modelo de propulsor cavitando en un túnel de agua.
http://es.wikipedia.org/wiki/Cavitaci%C3%B3n


Problemas

La cavitación es, en la mayoría de los casos, un suceso indeseable. En dispositivos como hélices y bombas, la cavitación puede causar mucho ruido, daño en los componentes y una pérdida de rendimiento.

Este fenómeno es muy estudiado en ingeniería naval durante el diseño de todo tipo de barcos debido a que acorta la vida útil de algunas partes tales como las hélices y los timones.

En el caso de los submarinos este efecto es todavía más estudiado, evitado e indeseado, puesto que imposibilita a estos navíos de guerra mantener sus características operativas de silencio e indetectabilidad por las vibraciones y ruidos que la cavitación provoca en el casco y las hélices.

El colapso de las cavidades supone la presencia de gran cantidad de energía que puede causar enorme daño. La cavitación puede dañar casi cualquier material. Las picaduras causadas por el colapso de las cavidades producen un enorme desgaste en los diferentes componentes y pueden acortar enormemente la vida de la bombas o hélices.

Además de todo lo anterior, la creación y posterior colapso de las burbujas crea fricción y turbulencias en el líquido. Esto contribuye a una pérdida adicional de rendimiento en los dispositivos sometidos a cavitación.

La cavitación se presenta también en el fondo de los ríos donde se genera a partir de irregularidades del lecho disociando el agua y el aire. Ambos son sometidos a presiones, dando lugar, este último, a burbujas que, con la fuerza del agua, se descomponen en tamaños microscópicos, saliendo disparadas a gran velocidad. Esto provoca un fuerte impacto en el lecho que puede ser de hasta 60 t/m². Su importancia radica en la constancia y repetición del fenómeno, lo que favorece su actuación. La cavitación es un proceso erosivo frecuente en los pilares de los puentes.

Aunque la cavitación es un fenómeno indeseable en la mayoría de las circunstancias, esto no siempre es así. Por ejemplo, la supercavitación tiene aplicaciones militares como por ejemplo en los torpedos de supercavitación en los cuales una burbuja rodea al torpedo eliminando de esta manera toda fricción con el agua. Estos torpedos se pueden desplazar a altas velocidades bajo el agua, incluso hasta a velocidades supersónicas. La cavitación puede ser también un fenómeno positivo en los dispositivos de limpieza ultrasónica. Estos dispositivos hacen uso de ondas sonoras ultrasónicas y se aprovechan del colapso de las burbujas durante la cavitación para la limpieza de las superficies.




Daño por cavitación de una turbina Francis.








Cavitación

Esta es una forma especial de erosión en la cual burbujas de vapor formadas en el fluido en las regiones de baja presión, colapsan (implotan) cuando entran en las zonas de alta presión en los sistemas de lubricación. La implosión puede ser tan poderosa que puede crear huecos o picaduras, aun en metales endurecidos si esta implosión ocurre sobre la superficie del metal. Este tipo de desgaste en muy común en bombas hidráulicas, especialmente aquellas en las cuales existen restricciones en la entrada del fluido o están operando en alturas elevadas.

Restringiendo la entrada de aceite en la succión de la bomba se disminuye la presión sobre el aceite generando así una mayor formación de burbujas de vapor. La cavitación también puede ocurrir en chumaceras, donde la presión del fluido se incrementa en la zona de carga del cojinete. No se necesita que exista un contacto metal-metal pata que se presente cavitación.

Para estar claros, picadura es un término general usado en análisis de fallas para describir casi cualquier hoyo circular o fondo áspero, por pequeño, ubicado en la superficie del metal. Las picaduras pueden ser causadas por efecto mecánico (fatiga o cavitación), por efecto químico (corrosión) o por efecto eléctrico (arco o chispa), los cuales fueron descritos anteriormente.
El análisis de falla se usa para asignar un mecanismo de desgaste a una falla específica. Si se llega a determinar el mecanismo de desgate, entonces se pueden tomar acciones correctivas que pueden ser implementadas para prevenir la recurrencia de dichas fallas. A menudo, es útil en el proceso de eliminación para determinar cual mecanismo de desgaste no se ha producido y así reducir el número de los posibles mecanismos. Desafortunadamente, existen combinaciones de mecanismos de desgaste en la mayoría de las situaciones, complicando de esta manera la selección del mejor sistema para la resistencia contra el desgaste.

http://www.machinerylubrication.com/sp/mecanismos-basicos_de_desgaste.asp



*Desgaste por Corrientes Eléctricas. Se presenta como consecuencia del paso de corriente eléctrica a través de los elemento de una máquina, como el caso de los rodamientos de un motor eléctrico, cuando la toma a tierra es defectuosa, o por corrientes parásitas en equipos rotatorios, como turbinas de vapor, de gas, hidráulicas y en compresores centrífugos.


Turbina de Vapor



Turbina de Gas



Turbina Hidráulica



Compresor Centrífugo



Problemas Ocasionados por el desgaste

-Mayor consumo de repuestos por aumento en las reparaciones y en el mantenimiento
-Reducción en la producción por paros de maquinaria.
-Vida útil más corta de la maquinaria.
-En motores de combustión interna da lugar a pérdida de potencia, mayor consumo de combustible, etc.
-Posibilidades de accidentes ante el peligro de rotura de piezas al sobrepasar los límites permisible de diseño.


Formas de reducir el desgaste

-Utilizando los lubricantes más apropiados para las diferentes condiciones de operación.
-Frecuencia de lubricación adecuada, con el fin de determinar los cambios de aceite y los reengrases correctos.
-Buenos programas de mantenimiento preventivo, incluyendo principalmente la limpieza y/o el cambio de los filtros de aire y aceite.
-No sometiendo los equipos a condiciones diferentes a las de diseño.