Las mejoras continuas en el diseño de los equipos han resultado en la reducción del tamaño de los engranes mientras aumenta la eficiencia de las caja de cambios. Estas mejoras se traducen en mayores requerimientos de energía, mayor velocidad y mayor estrés, todo esto da lugar a una mayor importancia en la calidad y el desempeño del lubricante. Mientras que las temperaturas de funcionamiento incorrecto, la desalineación y las vibraciones resonantes suelen ofrecer un camino lento a la degradación de los componentes, condición de la lubricación y la contaminación del lubricante, esto dará lugar a la generación de un rápido desgaste innecesario y a una falla eventual de la misma unidad.
Desafortunadamente, a pesar de todo el esfuerzo y el gasto para lograr este aumento de la eficiencia, la principal causa de falla prematura en la mayoría de las cajas de cambio sigue siendo la contaminación de fluidos y/o la perdida de propiedades lubricantes esenciales. Es inevitable que los componentes de rotación en las cajas de cambio al final fracasarán. Sin embargo, numerosos estudios documentados han demostrado que la reducción de los niveles de contaminantes y el mantenimiento de las propiedades físicas y químicas de los lubricantes, aumentará enormemente la confiabilidad y la vida útil de los componentes.
Lubricación
Los diseñadores y fabricantes de equipos (OEM) y los manuales de operación reflejan los requisitos mínimos de lubricante para el funcionamiento de sus equipos. Estos requisitos incluyen el tipo de aceite, las especificaciones del aceite y las temperaturas normales de funcionamiento. Estos requisitos varían en función de las tres clases principales de engranes:
- Cilíndrico, cónico, helicoidal, diente angular (Herringbone) y espiral
- Sin fin
- Hipoide
Las diferencias en las acciones de los dientes del engranaje y los materiales influyen en la formulación y propiedades de los lubricantes requeridos, mientras que el tamaño, velocidad, carga y temperatura de los cojinetes suelen determinar los requisitos de la viscosidad. Durante la operación, el calor generado por la fricción metálica entre las superficies de los dientes y por la fricción del fluido del aceite, hará que la temperatura del aceite aumente. La temperatura de funcionamiento final es una función tanto del aumento de la temperatura en el aceite como en la temperatura ambiental que rodea a la caja de engranajes. Por lo tanto, un aumento de temperatura de 50º C y una temperatura ambiente de 15º C producirán una temperatura de funcionamiento de 66 ºC. El aumento de temperatura en un mismo ambiente de 38º C produce una temperatura de funcionamiento de 88º C. Para los conjuntos de engranajes equipados con intercambiadores de calor en el sistema de aceite, tanto la temperatura ambiente como el aumento de temperatura son menos importantes ya que la temperatura del aceite puede ser ajustada variando la cantidad de calor o frío.
El lubricante es lanzado desde los dientes del engranaje y los ejes en forma de niebla o rocío. En esta condición atomizada, está expuesto al efecto oxidante del aire. Las temperaturas de funcionamiento de los cojinetes pueden ser mayores de lo normal por el calor conducido al cojinete de un eje caliente, o de la mangueta, o por el calor irradiado a la carcasa de una atmósfera circundante caliente. Esta alta temperatura también aumentará la tasa de deterioro debido a la oxidación. El lodo o los depósitos formados como resultado de la oxidación del aceite pueden restringir el flujo de aceite o de dar lugar a un depósito de aislamiento en la superficie interna de la caja de engranajes para disminuir el enfriamiento y provocar aumentos en la tasa de oxidación. Permitiendo que la caja de engranajes quede cubierta por materiales como polvo de cemento, astillas de madera, residuos, o incluso múltiples capas de pintura crearan un efecto aislante que permite a la temperatura interna subir muy por encima del rango previsto por el OEM.
La viscosidad del lubricante disminuye drásticamente con el aumento de la temperatura. A pesar de que una menor viscosidad reduce la pérdida de agitación, también disminuye la capacidad del lubricante para cumplir con su función principal, es decir, separar los componentes en contacto construyendo una película Elasto-hidrodinámica (EDH). Sin esta película de separación los componentes se dañarían, se desgastarían, y destruirían en un período corto.
Control de Temperatura
Los OEM recomiendan una viscosidad de funcionamiento óptima para sus equipos, a fin de operar dentro de los parámetros de diseño original. En muchos casos, el mantener una temperatura de funcionamiento que alcance la viscosidad que recomienda el OEM, se convierte en la responsabilidad del usuario final. La temperatura de una caja de cambios en operación aumentará hasta que el balance de calor del calor generado internamente, más el calor impuesto externo, alcancen el equilibrio con el calor disipado. Si este calor no puede disiparse por radiación a través de la superficie de la carcasa y a través de convección hacia el aire circundante, estructuras y componentes, entonces se debe considerar un sistema de refrigeración alternativo (disipación de calor).
Los Calentadores o enfriadores mantienen los métodos estándares para mantener la temperatura de operación diseñada para el sistema de los lubricantes. Sin embargo, muchos fabricantes de cajas de cambio/reductor no los instalan en las unidades como equipo estándar. Si son suministrados, los calentadores con válvulas de regulación, intercambiadores de agua/aceite y los interruptores de temperatura para aire/aceite de los componentes del sistema se utilizan para controlar la temperatura del rango de funcionamiento del lubricante. Después de la configuración inicial de estos componentes, la condición puede monitorearse efectivamente para su operación por la capacidad de mantener los ajustes de temperatura de funcionamiento correctos. Los reguladores que no están funcionando correctamente o que se configuraron inapropiadamente, se traducirá en un rango de viscosidad de funcionamiento inaceptable.
Monitorear, registrar y tendenciar las temperaturas del lubricante es un eslabón fundamental en el mantenimiento de lubricantes y la salud del equipo. Si la caja de cambios no es termo-acoplada a un panel de pantalla o al sistema informático, entonces se requiere que un termómetro de instalación permanente o una medida de temperatura sin contacto la cual se puede obtener mediante el uso de un instrumento portátil IR como se muestra en la Figura 1. Para ayudar en el control de las mediciones de temperatura máxima, las tiras de temperatura también pueden ser utilizadas para registrar las temperaturas extremas.
Volumen de lubricante
Los métodos de diseño típicos para aplicar el lubricante a los sistemas de aplicación de los componentes del sistema dependerá principalmente de la velocidad de circulación del rodamiento. Estos métodos pueden variar, pero suelen seguir estas pautas:
• Baño de aceite y sistemas de chorro – velocidades baja y media.
• Sistemas de circulación - velocidades medias.
• Spray o niebla - altas velocidades.
En el baño de aceite o en los sistemas de chorro, el nivel de aceite en la caja de cambios se mantiene para que los dientes de los engranes del fondo sólo se sumerjan en el aceite. Alternativamente, un sistema de circulación a presión puede ser utilizado en el que el aceite se rocía sobre los dientes cerca del punto de engranaje y se vuelve a distribuir, ya sea directamente desde el fondo de la caja de cambios o mediante el depósito de aceite. El llenado excesivo del cárter puede ser tan dañino como mantener su nivel por debajo. El llenado excesivo puede provocar la entrada de aire y espuma, aceite sobre calentado y goteo debido al desbordamiento. Con el tiempo, puede ocurrir oxidación debido al aumento de las temperaturas y la exposición al aire. La Lubricación marginal también puede dar lugar a las picaduras porque la película de aceite no transmite el contacto (cojín) en un área lo suficientemente amplia. Esto puede resultar en contacto metal-a-metal en la zona de carga.
Los Indicadores de nivel y las ventanas de visualización permitir una inspección visual de los niveles de líquido y estado del aceite (de aspecto turbio, oscuro, espuma, etc.), que deben ser registrados y tendenciados junto con las principales actividades de seguimiento. Estos resultados pueden ser utilizados para determinar cambios en las condiciones y el aumento o disminución de las actividades de monitoreo/prueba.
Control de Contaminación
Un contaminante es toda sustancia que entra en un sistema y afecta o interfiere con la función del fluido del sistema y/o el funcionamiento de sus componentes. Sólidos, el agua y diversos gases (principalmente el aire) que entran o existentes en un sistema pueden tener interacciones mecánicas o químicas en el aceite y/o el equipo. Los fluidos deben ser protegidos y monitoreados de estos contaminantes como un programa integral de control. Un programa completo es uno que incorpora la prevención de la contaminación del fluido, la eliminación de los contaminantes, y del monitoreo de condición del sistema de fluidos.
El conocer los contaminantes y su origen proporcionará pistas sobre cómo podría excluir, eliminar o neutralizar sus efectos. Los contaminantes pueden ser incorporados por la manufactura de procesos de mantenimiento, o pueden entrar en un sistema, mientras que partes del mismo están abiertos durante la construcción o reparación. Además, pueden ser generados internamente como resultado de la operación del sistema, tales como los desechos de desgaste, los compuestos de las reacciones químicas, o sustancias resultantes de la descomposición del fluido o de sus aditivos. La entrada más común de contaminantes de la atmósfera es a través de tapas de ventilación, sellos imperfectos, o aberturas no planificados durante el funcionamiento normal del equipo. Esto incluirá la adición del fluido durante el llenado inicial o de relleno.
Los Fabricantes de equipos originales, ofrecerán sus propios requisitos específicos de objetivos y límites de contaminación en sus manuales de mantenimiento o boletines de servicio. En la mayoría de los casos, el usuario final no cumplirá estos objetivos a menos que se proporcione una mayor inversión en equipos de control de contaminación.
Respiraderos
Al cambiar la temperatura del sistema o la temperatura del medio ambiente, la caja de cambios o la carcasa del cojinete tendrán un movimiento de aire. Ya sea que la carcasa este inhalando o exhalando, el movimiento de aire siempre esta tratando de igualar la diferencia de temperatura del interior hacia el exterior de la carcasa o en dirección inversa. La exhalación en muchos casos lleva una fina niebla de aceite hacia el medio ambiente exterior, mientras que la inhalación lleva el entorno industrial, junto con el medio ambiente de la naturaleza hacia la caja de cambios o a la carcasa del cojinete. El área por encima del nivel de lubricante, pero dentro de la carcasa se clasifica como "espacio libre" y manejar la calidad del medio ambiente en este espacio libre es un paso en el control de contaminantes que se introducen en el lubricante.
Controlar la contaminación que entra al medio ambiente del espacio libre puede reducir, y en algunos casos eliminar, muchas de las causas potenciales de fallas de lubricante. La mayoría de carcasas tienen un método de planeación o ubicación para los respiraderos, de lo contrario la acumulación de presión causaría que los sellos fallaran, dando como resultado fugas externas del lubricante. Dado que muchos de los sistemas de ventilación en las cajas de cambios son sólo un pequeño agujero en la tapa o un filtro de ventilación o un tipo respiradero de calidad muy pobre, no suelen impedir la entrada de los contaminantes, para mantener al sistema dentro de los parámetros dictaminados por los fabricantes de origen.
Usted debe entender completamente el entorno de la carcasa a fin de actualizar a un respiradero que mejor controlara el ingreso de contaminantes. Por ejemplo, un esfuerzo por detener el ingreso de agua en un ambiente seco y caliente continuo se traducirá en una inversión sin retorno financiero. Y en un ambiente de alta humedad y contaminación del aire excesiva, detener solo el ingreso de agua, no detendrá con éxito los poderes destructivos de la contaminación del aire.
Su objetivo es ofrecer la máxima protección para su equipo en su entorno operativo. Mediante la realización de muestreos y análisis de aceite, y una investigación a fondo del medio ambiente circundante, recabará la información necesaria para seleccionar el respiradero que le proporcione la protección más económica y efectiva de los contaminantes conocidos que llegan al espacio libre. En caso de una contaminación extrema del medio ambiente o de movimiento de aire considerable dentro de la carcasa, podría haber una necesidad de un sistema externo de bolsas (Figura 2). En el cuadro de la Tabla 2 se enumeran algunos de los métodos de ventilación de exclusión, junto con los contaminantes que restringen la entrada en el espacio libre de la carcasa.
En algún momento, todos los estilos de respiradores que no se mantienen se atascaran con residuos, lo que resultara en un aumento de la presión interna de la carcasa y el fracaso final de los sellos. La fuga de sellos en cajas de cambios se ha convertido en una queja común en la industria y el resultado final suele ser el reproceso del material de los ejes y la sustitución de los sellos debido al desgaste agresivo creado por las partículas abrasivas atraído por la fuga de lubricante. En demasiados casos la causa raíz (respiraderos bloqueados o tapados) no es identificada como la condición del respiradero y no es monitoreado o reemplazado en un programa de mantenimiento planificado.
Filtración
Una vez que los contaminantes están en el fluido, la decantación, filtración, separación y reposición del fluido pueden reducir la contaminación. Para que pueda pasar el proceso de decantación, el contaminante debe tener una densidad mayor que el fluido que lo transporta. A menor densidad de una partícula de contaminante, será mayor en el fluido. Muchos fabricantes de caja de cambios han diseñado que la carcasa permita que los contaminantes se asienten en zonas que no les permitirá ser redistribuidos en el sistema. La eliminación de estos contaminantes requiere de un lavado profundo de la carcasa durante la sustitución del lubricante. La mejor forma de limpiarlo, es utilizar un aceite de base compatible de baja viscosidad, o una variación de baja viscosidad del aceite de servicios que se puede aplicar en un método que garantice que todas las zonas muertas se limpian y cualquier residuo es desalojado.
Mantener el lubricante en toda su vida en servicio requiere algún tipo de filtrado para la eliminación de los contaminantes acumulados. Un sistema de filtración de alta viscosidad diseñado adecuadamente que suministrará el caudal correcto para realizar la función de la separación de los contaminantes en un plazo razonable debe ser utilizado. Re-circulación, circuito de filtración de riñón o filtración auxiliar, consiste en una bomba, un filtro, motor, enfriador (si es necesario) y conexiones de hardware adecuado. El fluido se bombea continuamente fuera del depósito, a través del sistema de filtración, a través de un sistema de regulación de temperatura incorporado (si es necesario), y de vuelta al depósito asegurando la condición del fluido independientemente de la condición de funcionamiento del sistema principal. Estos sistemas pueden ser tanto portátiles como fijos a la carcasa de la caja de cambios/reductor. La elección se reduce a la criticidad de la producción (la necesidad de confiabilidad), la seguridad y la gravedad /pena de fracaso.
Carritos de filtro más pequeños, portátiles y unidades de mano de filtro de bomba/motor son ideales para el filtrado previo, purga o para transferir fluidos en los depósitos. Estos carritos portátiles off-line as se pueden adaptar para dar servicio a diferentes carcasas de cajas de cambio/reductores de la misma familia de lubricantes mediante la adaptación de una conexión rápida auto sellada en los puertos de desagüe y llenado. Se debe tener cuidado en la selección de la tasa de flujo de bombeado correcta, en los filtros, y del tamaño de los conductores para operar en aceites de mayor viscosidad del engranaje. Un sistema de filtración diseñado adecuadamente reducirá al mínimo los costos operativos al reducir el daño del lubricante y del equipo al ayudar a prolongar la vida del lubricante y en última instancia, el tiempo medio entre fallas.
Para medir y tendenciar los contaminantes y la eficacia del sistema de filtración, un programa de análisis de aceite debe ser incorporado en el programa de mantenimiento planificado. Para iniciar este programa, ubique estratégicamente los puertos de prueba para proporcionar un muestreo libre de problemas, repetitivo y representativo de los contaminantes del lubricante, junto con el monitoreo del estado del equipo. Este método de muestreo debe permitir que el equipo que se ha probado bajo condición de funcionamiento típica, sin intrusiones y manteniendo un método de muestreo seguro para el técnico.
Resumen
La temperatura, presión, contaminantes, ventilación, agua, partículas metálicas, y la agitación, aceleran el proceso de oxidación (destrucción) del lubricante. Combine eso con el carácter destructivo de las partículas sólidas atrapadas entre los elementos rodantes, las alcantarillas y los dientes del engranaje, y las emulsiones creadas (la falta de propiedades lubricantes) por el agua ingerida terminara con el resultado el sacrificio del rendimiento y la confiabilidad en los equipos.
La administración de lubricantes para cajas de cambio/Reductores combina:
- Mantener la calidad del espacio libre,
- Operar dentro de las condiciones de funcionamiento diseñados,
- Uso de filtros dedicados y/o portátiles para el control de la contaminación,
- Un programa de análisis de aceite competente para mantener los estándares físicos, químicos y de limpieza durante toda la vida útil del lubricante.
El resultado final será el aumento de las utilidades de la empresa manteniendo la funcionalidad de los equipos para la producción.
Kevan Slater es el Gerente de Servicios de Campo de Trico Corp. Kevan ha pasado la ultima década como consultor técnico senior mejorando la confiabilidad del equipo industrial en numerosas compañías a través de los EEUU y Canadá.