Fundamentos de la Tribología Parte 2: El fenómeno de la lubricación en profundidad

La lubricación desempeña un papel muy importante en la tribología clásica. No sólo protege de la corrosión, sino que ayuda a controlar las temperaturas en las aplicaciones y proporciona una excelente capacidad de sellado que protege los equipos de los daños. Y lo que es más importante, los lubricantes suponen un importante ahorro de costes. Al reducir el desgaste y la fricción, evitan o minimizan los daños superficiales como la fatiga, la abrasión, la adhesión y las reacciones triboquímicas. Los lubricantes, cuando se eligen y aplican correctamente, prolongan la vida útil de la maquinaria y ahorran dinero al usuario final.

Los lubricantes ofrecen esta protección al formar una película entre dos superficies que reduce la fricción. No tiene que ser necesariamente un lubricante líquido. Los lubricantes pueden ser un compuesto sólido y seco, un fluido como el aceite pero también el agua, un semisólido como la grasa, o incluso plásticos y siliconas.

En esta serie de tres partes veremos tres partes principales de la tribología y la aplicación de la tribología en la mecánica:

• Parte 1: ​los fundamentos de los tribosistemas
• Parte 2: El fenómeno de la lubricación en profundidad
• Parte 3: Normas, ensayos y clasificación en tribología

La función de los lubricantes en la tribología

Hasta principios del siglo XX, la lubricación se realizaba principalmente con aceites minerales, aceites vegetales y aceites animales. Desde entonces, la industria ha dado grandes pasos hacia una amplia selección de diferentes agentes lubricantes, mientras que la tecnología relacionada con estos lubricantes también ha cambiado significativamente.

La curva Stribeck

La curva de Stribeck muestra cómo cambia el rozamiento (μ) al aumentar la velocidad (m/s). De este modo, podemos identificar tres regímenes de lubricación diferentes:

• Lubricación límite (Figura 2 etiquetada A): Contacto directo entre superficies sólidas, cargas soportadas principalmente por las asperezas de la superficie, alta fricción.
• Lubricación mixta (Figura 2 etiquetada B): Algún contacto de asperidad, con la carga soportada por ambas asperidades y el lubricante.
• Lubricación de película completa (Figura 2 etiquetada C): Muy poco contacto con las asperezas, carga soportada por la presión hidrodinámica.

Lubricación límite

En términos más sencillos, la lubricación límite es la lubricación de superficies por películas de fluido muy finas, de manera que los coeficientes de fricción se ven afectados tanto por el tipo de lubricante como por las características de la superficie. En condiciones de alta carga y baja velocidad, la lubricación límite suele afectar a rodamientos, engranajes, anillos de pistón, bombas y transmisiones. El resultado es una película delgada que varía en grosor de uno a unas decenas de nanómetros entre los cuerpos rodantes y deslizantes.

La tribología considera que la lubricación de los límites es un factor crucial, ya que la fricción alcanza su máximo nivel durante este proceso. Los lubricantes con la viscosidad adecuada pueden ayudar a evitar la lubricación límite. Cuando el lubricante tiene una viscosidad demasiado baja, no podrá mantener los materiales separados, lo que provocará una alta fricción y desgaste. Por el contrario, el uso de un lubricante con una viscosidad demasiado alta aumentará la fricción, las temperaturas se elevarán y las capas de aceite se deslizarán unas sobre otras como resultado del cizallamiento interno del aceite.

A pesar de ello, la lubricación de los límites tiene ciertamente su lugar. Desempeña un papel importante en la minimización del desgaste químico y adhesivo. La lubricación por límite también se utiliza habitualmente en condiciones de baja velocidad y bajo coste, como las bisagras de las puertas.

Lubricación mixta

La lubricación mixta suele considerarse una etapa intermedia entre la lubricación de frontera y la lubricación de película completa (ya sea elastohidrodinámica o hidrodinámica). Durante la lubricación límite, el coeficiente de fricción se reduce drásticamente cuando aumenta la velocidad de deslizamiento. Esto reduce la cantidad de contacto entre las superficies de deslizamiento y la fricción disminuye hasta un punto que se conoce como lubricación mixta.

Como su nombre indica, el deslizamiento metal sobre metal sigue implicando una carga abrasiva durante la lubricación mixta, mientras que también se produce una cierta carga en el lubricante. A medida que aumenta el espesor de la película lubricante, el régimen se desplaza hacia la lubricación elastohidrodinámica o hidrodinámica, también conocida como lubricación de película completa.

Lubricación de película completa

La lubricación de película completa consiste en dos tipos diferentes de regímenes de lubricación, la lubricación hidrodinámica o la lubricación elastohidrodinámica.

Lubricación hidrodinámica:

Este régimen se produce cuando se crea un juego de trabajo y se apoya en una película completa de lubricante, por ejemplo, entre un eje giratorio y un rodamiento. Durante las operaciones, el aceite levantará el eje de la superficie del rodamiento, asegurando que haya poco riesgo de desgaste. La lubricación hidrodinámica puede compararse con el hidroplaneo en un coche. Un medio de baja viscosidad, el agua en este caso, soporta todo el peso de un coche debido a la velocidad a la que éste viaja.

Para que la lubricación hidrodinámica tenga pleno éxito, las piezas deslizantes deben ser geométricamente similares y debe mantenerse una baja presión de contacto entre las superficies. La única fricción notable que se produce durante la lubricación hidrodinámica proviene de la fricción dentro del propio aceite. Sin embargo, este régimen requiere que la viscosidad del aceite pueda mantener una condición hidrodinámica en todas las condiciones de funcionamiento. Si las distancias se reducen demasiado, por ejemplo pasando de alta velocidad y alta carga, a baja velocidad y alta carga, los materiales de deslizamiento podrían tocarse, causando fricción y desgaste.

Lubricación elastohidrodinámica

La lubricación elastohidrodinámica (EHL) funciona de forma muy similar a la lubricación hidrodinámica. Sin embargo, en el EHL la película está sometida a una presión extrema que deforma elásticamente las superficies de contralaminado. Las superficies se deforman a una velocidad comparable al grosor de la película que las separa, medido en micrómetros.

El descubrimiento de la lubricación elastohidrodinámica marcó un hito importante tanto en la tribología como en el diseño y el rendimiento de los elementos de las máquinas. Este régimen se utiliza a menudo en elementos mecánicos como rodamientos de bolas, engranajes y ejes de levas. La lubricación elastohidrodinámica se considera una mejora de la lubricación hidrodinámica debido a la deformación elástica de la superficie y al aumento de la viscosidad del lubricante causado por la alta presión.

En esta serie de tres partes, examinaremos tres partes principales de la tribología y la aplicación de la tribología en la mecánica:

• Parte 1: ​los fundamentos de los tribosistemas
• Parte 2: El fenómeno de la lubricación en profundidad
• Parte 3: Normas, ensayos y clasificación en tribología