Implantar un programa "Top" de Lubricación (I)

 Mejorar el proceso de lubricación es clave para aumentar la fiabilidad y la vida útil de los activos, esto se debe a que son procesos de relativamente bajo coste pero que tienen un alto impacto en la vida útil de estos.

 En este post y los siguientes se van a proponer unas medidas que pretenden ser los pilares de un programa de lubricación que podríamos definir como "TOP".

1. Formación, es la medida más barata de implantar pero a la vez la de mayor impacto, un buen programa de lubricación requiere proporcionar formación a todos los niveles de la organización, ya sean operarios, técnicos, supervisores e ingenieros; y con diferentes grados de profundidad debe incluir los siguientes temas:

• Tribología que incluya conocimientos sobre fricción (Leyes de Amonton), desgaste (ISO 15243:2004) y lubricación (formulaciones, propiedades y curva de Stribeck).

• Limpieza que incluya conocimientos de los códigos de limpieza (ISO 4406:1999), filtración, flusing, almacenamiento y manipulación de lubricantes. 

• Aplicaciones concretas en la instalación como pueden ser fluidos hidráulicos, lubricantes para reductores, aceites de circulación, lubricantes para motores... incluyendo nociones de cálculo de viscosidad y cantidades de rellenos, nórmas aplicables (como NSF o biodegradabilidad si procede), compatibilidades entre productos y de estos con otros componentes, como juntas o recubrimientos; y análisis de fallos.

• Análisis de lubricantes tanto en los referente a la toma de muestras como a la interpretación básica de los resultados, ya sea de análisis cuantitativos como análisis cualitativos de campo.

• Seguridad y salud en la manipulación de lubricantes, destacando la interpretación de las fichas de seguridad MSSD.

 Un ejemplo de curso podría ser este impartido en la Universidad Europea.

2. Almacenamiento y manipulación, un almacenamiento y una manipulación correcta asegura la larga duración del lubricante, evita tanto contaminaciones como errores de aplicación y aumenta la vida útil de los equipos en los que esta se aplica. Un buen plan de almacenamiento y manipulación debe incluir los siguientes aspectos:

• Almacén de lubricantes, los lubricantes se deben almacenar en interior, protegidos de la humedad, temperaturas extremas y ambientes polvorientos; pero a la vez minimizando riesgos como los de incendios, emisiones y toxicidad. El diseño de un buen almacén de lubricantes es fundamental para crear un programa de lubricación y utilizar la metodología BIM en el diseño asegura buenos resutados también en plazos de construcción y control de costes.

• Envases para trasvase de lubricantes, la utilización de envases específicos y exclusivos para este fin, que permitan transportarlos de forma limpia y segura, evitando contaminaciones y errores de aplicación. 

• Identificación, una identificación correcta permite eliminar errores de aplicación y optimizar el stock de almacén, debe incluir a los bidones, envases de travase y puntos de aplicación, mejor si utiliza códigos de colores u otros poka-yoke que minimicen errores. Una buena práctica es identificar en base al tipo de lubricante y aplicación, permitiendo cambiar facilmente de proveedor de lubricantes

• Filtración inicial, no se debe dar por hecho que el lubricante nuevo tenga el nivel de limpieza requerido, es una buena práctica comprobar el nivel de limpieza del lubricante nuevo y filtrarlo antes de utilizarlo en os casos en los que sea necesario; para ese fin se puede disponer de sistemas de filtración adosados en los contenedores de lubricante o de sistémas portátiles que se trasladen a los equipos y se utilicen en el momento de llenar el cárter.

• Sistemas de lubricación centralizada, los sistemas centralizados minimizan errores de aplicación, tanto en el tipo de producto como en las cantidades a utilizar, y garantizan el nivel de limpieza; además ahorran tiempo y producto en la aplicación de los lubricantes, sobre todo con sistemas MQL. Se pueden utilizar como referencias las normas API 610 y API 614 / ISO 10438, y se deben utilizar metodologías de diseño CAD 3D. 

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Introducción a la Tribología y la Lubricación

Denominamos Tribología a la ciencia que estudia los mecanismos de fricción, lubricación y desgaste entre dos superficies en movimiento relativo.

 Un Sistema Tribológico transforma unas variables de entrada, que son tipo de movimiento, carga, velocidad y temperatura, mediante unas variables de alteración como son material y geometría de las superficies y el medio de interacción entre ellas en variables de salida que son fuerza, par, velocidad y energía y unas pérdidas que son fricción y desgaste.

Podemos definir Fricción como la resistencia al movimiento de un cuerpo deslizando sobre otro, la fricción cumple con las siguientes leyes, enunciadas por Guillaume Amontons:

1ª Ley: La fuerza de fricción es proporcional a la carga aplicada.

2ª Ley: La fuerza de fricción es independiente al área aparente de contacto.

3ª Ley (o Ley de Coulomb): La fuerza de fricción es independiente a la velocidad de deslizamiento. 

De modo general, la fuerza de fricción F se define como el producto de la carga normal al plano N y el coeficiente de fricción m. El coeficiente de fricción estática puede ser superior al de la fricción cinemática.

Los mecanismos que están involucrados en la generación de fricción son los siguientes:

1.   Adhesión.

2.   Interacciones mecánicas entre las superficies.

3.   Formación de surcos en una superficie por asperezas de la otra.

4.   Deformación y/o fractura de capas superficiales.

5. Interferencias y deformaciones plásticas causadas por un tercer elemento, principalmente aglomeración de partículas de desgaste entre las superficies en movimiento.

Respecto al Desgaste, lo podemos definir como la sucesión de sucesos a través de los cuales los átomos, productos resultantes de la conversión química, fragmentos, etc. son inducidos a abandonar el sistema. 

  El desgaste se puede clasificar en estos tipos:

· Desgaste Abrasivo: por presencia de partículas duras sobre un objeto más blando.

· Desgaste Adhesivo: por formación de microsoldaduras inmediatamente seguidas de sus roturas, y transferencias de material de una superficie a otra, durante el movimiento de las superficies.

· Desgaste por Reacciones Químicas: Principalmente corrosión, herrumbre y oxidación, producidas por la reacción entre el material y un agente corrosivo, que puede ser un agente químico, un lubricante, agua o incluso el aire.

· Desgaste por Fatiga: Por deformaciones sostenidas en las capas superficiales de superficies opuestas, acompañadas por grandes tensiones locales muy repetitivas.

· Desgaste Erosivo: Producido por el impacto de pequeñas partículas sólidas o líquidas sobre un objeto.

· Desgaste Electro-Corrosivo: Producido por el paso de corriente eléctrica entre dos superficies a través del lubricante. También puede deberse a la formación de arco eléctrico, por elevación de voltaje, en la superficie metálica. 

· Desgaste por Fretting: Producidos por deslizamientos sucesivos, de baja amplitud, entre superficies de contacto durante un gran número de ciclos. También se denomina pulido si está acompañado de micropartículas. 

· Desgaste por Cavitación: Por la formación y colapso cíclico de burbujas sobre una superficie sólida en contacto con un fluido.

Cualquier procedimiento que reduzca esta fricción y el desgaste se denomina Lubricación y cualquier material utilizado para este propósito se denomina Lubricante.

La característica principal de un lubricante es la Viscosidad, que podemos definir como la resistencia a fluir, y es la relación entre la tensión de cortadura sobre un fluido y la tasa de variación de la velocidad del fluido con respecto a la altura del fluido. Esta relación se denomina viscosidad absoluta, o viscosidad dinámica (h); al dividir esta viscosidad entre la densidad del fluido se obtiene la viscosidad cinemática (u).

Las formas en que un lubricante líquido puede reducir la fricción se denominan Regímenes de Lubricación y vienen definidos por la Curva de Stribeck, descrita por Richard Stribeck, que relaciona el Coeficiente de Fricción con el resultado de un parámetro resultante de multiplicar la viscosidad dinámica por la velocidad relativa del fluido dividido entre la carga normal sobre el objeto.

 (Curva de Stribeck, tomado de Wang, J. Encyclopedia of Tribology, Springer US, York 2013)

a. Lubricación Límite. El parámetro es muy bajo, lo que da como resultado una película lubricante muy fina, inferior a la rugosidad media de las superficies en contacto, por lo tanto no evita el contacto entre metales. En esta zona la fricción alcanza valores máximos. 

b. Lubricación Mixta. El parámetro es superior, dando como resultado una película lubricante fina, aproximadamente del mismo grosor que la rugosidad media, por lo que no garantiza que en algunos casos no haya contacto entre metales. En esta zona la fricción disminuye hasta aproximarse a su valor mínimo.

  

c. Lubricación Elastohidrodinámica (EHL). Se produce cuando el valor del parámetro es ligeramente superior dando como resultado una película lubricante tiene un grosor ligeramente superior a la rugosidad media. En estas condiciones se producen presiones Hertzianas que deforman de forma elástica las superficies metálicas, produciendo presiones puntuales extremadamente elevadas en el lubricante que producen un comportamiento no-newtoniano. La fricción alcanza un mínimo en este régimen de lubricación, que queda definido con la Ecuación de Cheng.

d. Lubricación Hidrodinámica. Se produce cuando el parámetro es superior dando como resultado un grosor de película lubricante muy superior a la rugosidad media, de manera que se impide el contacto entre las superficies metálicas. En esta zona el coeficiente de fricción aumenta de forma progresiva, su comportamiento que da definido por la Ecuación de Reynolds.

Además de estos regímenes se puede añadir la Lubricación Hidrostática en el que las superficies están completamente separadas por una película de un lubricante líquido o gaseoso mantenido entre las superficies por una presión externa.

Buenas Prácticas en Lubricación

Acabo de ver la página de Lubrilys (www.lubrilys.co.uk) que incluye un apartado sobre buenas prácticas en lubricación (BIC Lubrication), esta incluye consejos y vídeos formativos.

Tengo que decir que la información que incluye es excelente y la recomiendo como referencia para gestionar los lubricantes de una instalación.

La parte de buenas prácticas incluye 9 pasos enfocados en reducir los costes de mantenimiento, aumentar la duración de las máquinas, reducir consumo energético, reducir paradas innecesarias, reducir costes de almacenamiento y aumentar la productividad del personal de mantenimiento. Los pasos son los siguientes:

1. Implantar un programa proactivo, que identifique buenas prácticas y problemas, documentar estos problemas y buscar soluciones, realizando un estudio coste – beneficio, e implantarlas si procede.

2. Implantar indicadores de rendimiento, medirlos y preparar informes regularmente, debemos saber como evoluciona nuestro plan de lubricación en tiempo real.

3. Implantar un plan de almacenamiento y manipulación, muchos problemas de lubricación están relacionados con contaminación del lubricante en estas fases, implantar un plan de prevención, que debe incluir las 5S, es una solución magnífica para evitar problemas posteriores.

4. Consolidar los lubricantes, evita posibles errores de aplicación y proporciona ahorros de stock muy importantes. Para ello se deben conocer los requerimientos de las máquinas, agrupar requerimientos y tener en cuenta incompatibilidades entre lubricantes.

5. Optimizar la gestión de los lubricantes, que asegure que se utiliza el lubricante adecuado, en las cantidades adecuadas, en los puntos y en los intervalos de tiempo correctos. Puede ser necesario utilizar un software específico.

6. Implantar un plan de análisis de lubricantes, que incluya procedimientos de tomas de muestras, protocolos de análisis y niveles de alarma.

7. Realizar análisis en planta, con analizadores rápidos que estudien los parámetros más críticos, que permitan realizar un análisis cualitativo.

8. Controlar la contaminación, las principales indicaciones se puedenver en este video, y deben incluir la recepción del lubricante, su identificación por colores, asegurar niveles de limpieza, evitar la presencia de agua y contaminantes y controlarlos mediante análisis.

9. Automatizar la lubricación, asegurando los niveles de lubricación y minimizando los errores, para obtener la máxima fiabilidad y eficiencia, puede incluir Lubricación por Cantidades Mínimas MQL y sistemas de lubricación ANSI/API STD 614.

Software de lubricación Lubrilys

Estimados lectores, les adjunto este post escrito por Mouad Chemaou, Product Manager de Lubrilys & Prolabys. Pueden saber más sobre su empresa en www.lubrilys.co.uk

  La optimización de un programa de lubricación proporciona numerosos beneficios, una de las cuales es una reducción significativa de los costes de mantenimiento. Varios estudios han demostrado que, aunque la lubricación sólamente supone entre el 1 y el 5% de los costes totales de mantenimiento, los beneficios que suponen un programa de lubricación optimizado pueden alcanzar un 30% de los costes totales de mantenimiento. Otros beneficios incluyen una mayor vida útil de los equipos, ahorros en el consumo energético, aumento de la productividad del personal de mantenimiento, reducción del número de paradas de producción y una utilización optimizada de los lubricantes. 

  Un programa de lubricación optimizado incluye la implantación de best practices de lubricación sostenible. Esto se puede lograr a través de una gestión del cambio efectiva mediante la obtención de gestión de buy-in, proporcionando la formación adecuada al personal e introducciendo los procesos adecuados y cambios en los componentes. Sin embargo, es fundamental que un programa de lubricación optimizado se acompañe de un software de gestión de lubricación adecuado.

  El software de gestión de lubricación (LMS) apoya las actividades de lubricación. Un LMS facilita la utilización del lubricante adecuado en el momento y en el lugar adecuado, proporcionando a las empresas las herramientas adecuadas para llevar a cabo las actividades de lubricación. En la práctica, una herramienta LMS gestiona la programación de la lubricación, permitiendo a los usuarios crear órdenes de trabajo con diferentes frecuencias y registrar tiempos de trabajo y consumo de materiales.

  Las herramientas LMS se llevan utilizando desde hace unos años por lo que nosotros, en LUBRILYS, creemos que, además de apoyar la gestión de las actividades básicas de lubricación, estas herramientas deben estar involucradas en el apoyo y promoción de best practices de lurbicación, así como facilitar la implantación de un programa optimizado de gestión de lubricación sostenible.

  Creemos que nuestro producto, LUBRILYS, resulta de gran ayuda para apoyar la implantación de estas best practices. A continuación se incluyen algunos ejemplos:

Gestión del conocimiento:

   El término funcionabilidad se utiliza a lo largo de toda la aplicación, proporcionando a los usuarios términos activos específicos. Estos son recomendaciones o recordatorios que apoyan el conocimiento de best practices, haciendolo parte de las operaciones diarias.

  Adicionalmente a estos términos, la aplicación también proporciona una galería de pictogramas que pueden imprimirse y visualizarse.

Efectuando una lubricación de precisión:

  LUBRILYS incluye un cuadro de mandos que permite observar una serie de parámetros. La herramienta ofrece una gran flexibilidad, permitiendo a los usuarios personalizarlo con los parámetros que les parezcan más apropiados para su negocio. 

Control de contaminación:

  LUBRILYS ayuda a controlar la contaminación permitiendo utilizar códigos de colores para los lubricantes e incluyendo prácticas de 5S.

  LUBRILYS también ofrece otras herramientas para proporcionar la consolidación de productos, así como el control de fugas en elementos lubricados.

Automatización:

  Una de las herramientas que incluye LUBRILYS es una lista de puntos de lubricación más sensibles a ser automatizados, en base a una serie de criterios. Esto asegura que los elementos automatizados continúan bajo control a medida que se implantan los cambios en la gestión de la lubricación.

  Consideramos que, además de apoyar las actividades básicas de la gestión de lubricación, facilita la utilización del lubricante adecuado en el lugar y momento adecuados, LUBRILYS apoya los programas de gestión optimizada de lubricación mediante la inclusión de best practices y la introducción de funcionalidades que apoyan la introducción de estas prácticas en el proceso.

Software Simulación Regímenes Lubricación

 Estimados lectores, a continuación adjunto un post que nos ha enviado Lorenzo Asín, Ingeniero Mecánico, relativo a su Proyecto Fin de Grado sobre el desarrollo de un software de Simulación de Regímenes de Lubricación. Pueden obtener más información sobre este software a través de nuestra web.

 

 En la actualidad, un control preciso de los regímenes de lubricación es importante para reducir costes (ya sea por reparación de piezas o un consumo energético excesivo debido a un uso de más lubricante del necesario ) y alargar la vida útil de los componentes mecánicos.

 Este software se ha desarrollado con la idea de permitir a los diseñadores obtener una idea clara y concisa del comportamiento de los lubricantes ante la variación de los parámetros más importantes que tienen lugar durante la lubricación.

 En este software, creado mediante el lenguaje de programación MATLAB^TM, se permite al usuario la selección de una variedad de elementos mecánicos sobre los que simular la lubricación, siendo estos rodamientos (de bolas, cilíndricos y semiesféricos), engranajes (de dientes rectos, helicoidales, cónicos y planetarios simples) y mecanismos leva-seguidor (de seguidor plano o de rodillo). El usuario también tiene la opción de introducir manualmente el área de contacto, en el caso de conocerla.

 Se ha incorporado una gran base de datos de lubricantes minerales y sintéticos de diferentes marcas comerciales (Repsol, Shell, Cepsa, bp y Exxon Mobil) con el fin de facilitar al usuario la selección y comparación de diferentes productos. También se permite la introducción manual de las características del lubricante en el caso de que no se incluya en la base de datos.

 Otros datos, tales como la rugosidad superficial de los elementos mecánicos, los materiales de estos, o las velocidades y cargas que soportan los mecanismos, serán necesarios para realizar una correcta simulación.

 El software ejecutará una simulación obteniendo el espesor de la capa de lubricante para los parámetros indicados. Comparando estos espesores con las rugosidades superficiales, el software podrá determinar el tipo de régimen de lubricación que estará teniendo lugar (límite, mixto o elastohidrodinámico) e informar al usuario de ello.

 El usuario también podrá elegir entre varias representaciones gráficas para observar el cambio del espesor en la capa de lubricante en  función de las variaciones de los tres parámetros que más influencia tendrán en la lubricación: La velocidad relativa, la carga soportada y la temperatura. Para ello el usuario podrá utilizar tanto gráficas en 2D (relacionando uno de estos parámetros con el espesor) como gráficas en 3D (relacionando dos de los parámetros con el espesor).

 

 Para un análisis posterior de los resultados el usuario también tendrá la opción de guardar como una imagen las gráficas generadas o exportar los datos de la simulación a un documento Excel.

 Este es un software de uso sencillo que permite la obtención de gran cantidad de datos sobre la lubricación y da un potencial ahorro de tiempo y dinero para el usuario.

 

 

Regímenes de Lubricación

 Conocer los regímenes de lubricación en el que trabajan nuestras máquinas es fundamental para escoger la viscosidad y el tipo de lubricante adecuado con el objetivo de evitar desgastes y reducir el consumo energético, para ello es necesario conocer la curva de Stribeck.

 Escoger la viscosidad adecuada para cualquier aplicación resulta de vital importancia para evitar desgastes en las máquinas, esta elección suele realizarse teniendo en cuenta la recomendación del fabricante, pero raras veces se consideran parámetros como la velocidad relativa de las superficies o la temperatura real de trabajo. En caso de duda habitualmente aumentamos el grado de viscosidad ISO, pero esto no garantiza una mejor protección contra el desgaste.

 Además, con estos criterios no tenemos en cuenta el consumo energético del equipo, que se puede incrementar de forma importante sin que eso conlleve un aumento de fiabilidad.

 La mejor manera de solucionar este problema es conocer el régimen de lubricación en el que trabajamos y para ello necesitamos conocer la curva de Stribeck.

 Descrita por Richard Stribeck a principios del siglo XX, esta Curva nos proporciona una visión general de la variación del coeficiente de fricción entre dos superficies en función del régimen de lubricación. Este régimen depende de un parámetro que relaciona la viscosidad del lubricante, la velocidad relativa de las superficies y la carga a la que estas están sometidas.

 Si seguimos el eje horizontal, primero encontramos el denominado régimen de lubricación límite, en él el coeficiente de fricción es muy elevado debido a que la película lubricante es muy fina, inferior a la rugosidad de las superficies, por lo que no podemos evitar el contacto ni el desgaste. Si no podemos evitar trabajar en este régimen de lubricación, debido a las temperaturas de trabajo, velocidades relativas muy bajas y/o cargas muy elevadas, debemos utilizar lubricantes sólidos. La otra opción es aumentar la viscosidad del lubricante para desplazarnos al siguiente régimen de lubricación.

 Este lo denominamos lubricación mixta y en él el grosor de la película lubricante es mayor, aproximadamente igual a la rugosidad de las superficies, por lo que encontramos contactos puntuales. En este régimen se produce una disminución drástica del coeficiente de fricción y podemos encontrar un mínimo de la curva, eso significa que es el más adecuado en términos de eficiencia energética. Para evitar desgastes es necesario utilizar aditivos anti-desgaste adecuados a la aplicación. 

 Estos dos regímenes los consideramos inestables, ya que un aumento de la temperatura reduce la viscosidad y aumenta la fricción lo que multiplica este efecto desplazando el régimen de lubricación a la izquierda, la zona donde se genera mayor desgaste, de la curva.

 Si, por el contrario, aumentamos la viscosidad o la velocidad relativa de las superficies entramos en los regímenes de lubricación elastohidrodinámica e hidrodinámica, en estos casos tenemos garantizada la separación de las superficies debido a que el grosor de la película lubricante es superior a la rugosidad de las superficies, por lo que reducimos el desgaste al mínimo.

 El régimen de lubricación elastohidrodinámica, descrito por Ertel y Grubin y desarrollado por Cheng, se da entre superficies curvas entre las que se producen contacto Hertziano debido que encontramos unas superficies de contacto muy pequeñas y cargas muy elevadas, que traen como consecuencia una presión de contacto extremadamente elevada, alcanzando los 3.0 GPa, que incrementan drásticamente la viscosidad del lubricante y deforman ambas superficies reduciendo la rugosidad. Este régimen de lubricación está muy cerca del mínimo de la curva de Stribeck (algunos autores consideran que, de hecho, el mínimo se encuentra en este régimen) por lo que es interesante situarnos en esta zona para mejorar eficiencia energética a la vez que reducimos desgastes. Es el régimen de lubricación típico de engranajes, rodamientos y levas.

 En el régimen de lubricación hidrodinámica el grosor de la película lubricante es mucho mayor que la rugosidad, debido a la velocidad relativa de las superficies y la viscosidad del lubricante, por lo que evitamos completamente el contacto entre las superficies eliminando desgastes. Este régimen está definido por la ecuación de Reynolds. Sin embargo, la curva de Stribeck nos indica que en este régimen aumenta la fricción debido, precisamente, a la elevada viscosidad del fluido por lo que tiene un aspecto perjudicial para el consumo energético, sobre todo si la velocidad relativa de las superficies es muy elevada, en estos casos podemos reducir la viscosidad del lubricante para acercarnos al mínimo de la curva de Stribeck sin comprometer la protección al desgaste. Es el régimen de lubricación típico de cojinetes.

 Consideramos estos dos regímenes de lubricación estables ya que cualquier variación de temperatura varía la viscosidad y el coeficiente de fricción en el mismo sentido por lo que se estabiliza.