Evaluación del estado de la máquina a través del análisis de grasas

Transcripción

1 Evaluación del estado de la máquina a través del análisis de grasas Jesús Terradillos, Manuel Bilbao, Adolfo Málaga, José Ignacio Ciria

2 1. INTRODUCCIÓN Las grasas lubricantes normalmente son una mezcla sólida o semisólida de un fluido lubricante, un espesante y aditivos. El fluido lubricante que realmente realiza el papel de lubricante puede tener un origen tanto mineral, sintético o incluso vegetal. El espesante por su parte da a la grasa las características de consistencia. Los espesantes normalmente son jabones o espesantes orgánicos o inorgánicos. La mayor parte de las grasas comerciales están compuestas por un aceite mineral y un jabón espesante. Finalmente, el papel de los aditivos es el de proteger la grasa y las superficies lubricadas. La función de la grasa es permanecer en contacto con las superficies y lubricarlas sin generar fugas de la misma debidas a fuerzas centrífugas, presiones, etc. Al mismo tiempo tiene que ser capaz de fluir por las partes a lubricar. Hay que tener mucho cuidado a la hora de utilizar grasas como lubricantes ya que poseen una serie de desventajas frente a los aceites lubricantes: - Poseen menor capacidad de enfriamiento/transferencia de calor que los aceites. - Limitaciones de velocidad. Las altas viscosidades de las grasas hacen que se impongan limitaciones de velocidad cuando se utilicen éstas, ya que se genera excesivo calor. El problema empeora debido a las malas características de disipación del calor de las grasas. - La estabilidad al almacenamiento es mucho peor que para los aceites. Tiende a separarse el aceite base del espesante. - Problemas de compatibilidad. Se debe tener mucho cuidado a la hora de mezclar grasas, ya que además de tener en cuenta la compatibilidad de los aceites base y aditivos, también se debe tener del espesante. - Estabilidad a la oxidación. El efecto de los productos de oxidación en la estabilidad de los espesantes hace que la grasa sea más susceptible a la oxidación. - Control de la contaminación. La grasa, a diferencia de los aceites, suspende los contaminantes permanentemente, exponiendo las superficies a las partículas y sus efectos abrasivos. - Dificultad de controlar el volumen. Es difícil aplicar cantidades exactas de grasa, especialmente durante la relubricación, que lleva a frecuentes sub y sobre engrasado. 1

3 2. NECESIDAD DE REALIZAR ANÁLISIS DE LAS GRASAS El análisis de grasas es la forma más barata y rápida de conocer tanto el estado de la grasa como el de la máquina. Tradicionalmente, el análisis de grasas ha estado enfocado hacia las grasas nuevas como herramientas de control de calidad. Una de las causas de esto era debido a las grandes cantidades de grasa necesarias para realizar los ensayos normalizados. Sin embargo, en los últimos años se ha conseguido realizar nuevos ensayos con mucha menor cantidad de grasa, incluso de miligramos. Uno de los problemas más importantes encontrados en el análisis grasas usadas está en la poca reproducibilidad en la toma de muestra. 3. MUESTREO DE GRASAS EN SERVICIO Un correcto muestreo es vital para obtener una buena información de la grasa usada. Existen dos maneras de tomar la muestra en rodamientos: - Enviar al laboratorio el componente, principalmente rodamientos, entero - Tomar la muestra de grasa sin desmontar el rodamiento Estos dos problemas son bastantes diferentes. El primero se puede solucionar mandando al laboratorio sólo unos cuantos rodamientos que sean representativos para analizar la grasa. Los resultados de estos análisis pueden ser extrapolados al total de rodamientos. Esto puede ser útil a la hora de identificar la causa raíz de fallos repetitivos en rodamientos. La experiencia demuestra que si el elemento lubricado se encuentra en las mismas condiciones ambientales para una aplicación dada, y si el problema tiene relación con la lubricación la causa raíz muy probablemente será la misma. Una vez que se ha encontrado el problema, entonces es cuando se pueden tomar decisiones en torno a la selección de la grasa, intervalos de reengrase, mecanismos comunes de desgaste y grados de limpieza típicos. El segundo caso es cuando se posee una muestra de grasa realmente representativa, es algo más difícil de resolver. Se necesita poseer la mayor cantidad de información posible. Normalmente la zona en la que es más interesante tomar la muestra es en la zona de contacto. Esta muestra poseerá las mayores evidencias de partículas de desgaste, contaminación y degradación, y en general será la más representativa, aunque muchas veces será la más difícil de obtener. 2

4 4. FRECUENCIA DE REENGRASE Durante los cambios de grasa se deben tener en cuenta una serie de puntos: - Si se va a usar una nueva grasa se debe seleccionar aquella que tenga un espesante compatible con la que se quiere dar de baja. - Relubricar frecuentemente, teniendo mucho cuidado de no sobrelubricar. Es mejor incrementar la frecuencia de reengrase y reducir el volumen de grasa que echar mucho de una vez y dejarla trabajar un periodo de tiempo excesivo. - Sin ninguna duda, el engrase centralizado es mucho más eficaz que el engrase manual y asegura una cantidad constante de grasa en los componentes. 5. ANÁLISIS DEL ESTADO DE LA GRASA USADA 5.1. Rutina analítica tradicional Tradicionalmente se han realizado rutinas analíticas que han requerido una cantidad de grasa muy grande, del orden de 1 kg, para controlar el estado de la grasa usada. Esto ha ocasionado muchos problemas a la hora de realizar una toma de muestra representativa, y también sobre la cantidad necesaria ya que en muchos casos es muy difícil de conseguir. De entre los ensayos más importantes que tradicionalmente se han realizado a grasas en uso cabe destacar los siguientes: - Cambio de la consistencia de la grasa. Penetración (ASTM D 217) La consistencia de la grasa viene dada fundamentalmente por la viscosidad del aceite base y por el espesante. Sin embargo, el grado de consistencia de una grasa en uso puede variar debido fundamentalmente al efecto de la contaminación, pérdida del aceite base, al estrés mecánico, etc. Realizando un ensayo de penetración se puede observar si se producen variaciones en la consistencia de la grasa en uso. - Punto de gota (ASTM D 2265) El punto de gota establece la temperatura a la cual pasa de un estado sólido o semisólido a líquido. La temperatura máxima de uso de la grasa debe estar entre 50-80ºC por debajo del punto de gota experimental. Con ayuda de este método se puede establecer la idoneidad de la grasa utilizada, o si la grasa es adecuada para un servicio continuado. 3

5 - FTIR (DIN 51820E) La espectroscopia infrarroja determina la huella dactilar de la grasa. Permite conocer si se está usando la grasa supuesta, si está mezclada con otra, si existen contaminantes como el agua o está degradada. También se puede determinar qué tipo de espesante se está utilizando y su concentración, así como los productos de oxidación %T GRASA DE BASE MINERAL CON JABÓN COMPLEJO DE LITIO cm-1 Figura 1. Espectro de IR de una grasa con aceite base mineral y con un jabón litio complejo como espesante - Contenido en agua (ASTM D 6304) El método más indicado para determinar bajas cantidades de agua (ppm) es mediante la Valoración Coulométrica Karl Fischer, previa disolución de la grasa. - ICP (ASTM D 5185) Mediante el uso de la espectroscopia de emisión atómica-icp se puede determinar tanto el tipo y concentración de los metales del paquete de aditivos, contaminantes y metales de desgaste producidos en la máquina. Conocidos los metales presentes en la grasa se podrá saber si se ha producido algún tipo de contaminación de la grasa con otra (espesante de litio, calcio,...), así como el tipo de contaminantes que están presentes en su seno (por ejemplo sílice), así como los metales de desgaste (hierro, cobre,...). 4

6 5.2. Rutina analítica avanzada La rutina analítica avanzada es una consecuencia de las nuevas tecnologías desarrolladas aplicables al análisis de grasas. Los métodos analíticos seleccionados son los siguientes: - Cambio de la consistencia de la grasa *Reología. La Reología es una excelente herramienta para determinar tanto la consistencia de la grasa, así como su viscosidad aparente. La reología se define como el estudio de la deformación y flujo de la materia cuando está sujeta a la presión, temperatura y tiempo. Con esta técnica solo se requieren unos pocos gramos de muestra para realizar el ensayo. Además, se obtiene bastante más información que con el ensayo por penetración por cono y viscosidad aparente. Por ello, esta técnica es ideal para pequeñas cantidades de grasa en uso. Figura 2. Curva de flujo. Viscosidad y esfuerzo frente a velocidad de formación * Minitest FFK (DIN 51805) Este equipo determina las propiedades de flujo de una grasa de acuerdo con el factor de Kesternich (DIN 51805) hasta temperaturas tan bajas como 60ºC. Consiste en determinar la presión necesaria para hacer pasar una grasa por una boquilla a una temperatura dada. - FTIR (DIN 51820E) La espectroscopia infrarroja determina la huella dactilar de la grasa. Permite conocer si se está usando la grasa supuesta, si está mezclada con otra, si existen contaminantes como el agua o está degradada. También se puede determinar qué tipo de espesante se está utilizando y su concentración, así como los productos de oxidación. 5

7 - Estabilidad a la oxidación La determinación de los aditivos antioxidantes es una buena media de estimar la vida remanente de la grasa. Existen varios métodos para poder predecir esta vida remanente de manera más rápida, sencilla y con menor cantidad de muestra de grasa: *DSC (ASTM D 5483) Determina el tiempo de inicio de la oxidación en grasas usadas, en otras palabras, estima la estabilidad a la oxidación de la grasa. Comparándolo con el tiempo de la grasa nueva se puede estimar la vida remanente útil de la grasa. La cantidad de muestra utilizada es mínima (<1 g.). Existe un método normalizado (ASTM D 5483). El ensayo consiste en introducir la muestra en una celda. La celda se calienta y se presuriza con oxígeno. Transcurrido un tiempo, la grasa comienza a degradarse, produciéndose una reacción exotérmica. El tiempo en el que comienza a producirse este fenómeno se denomina tiempo de inducción, el cual se compara con el de la grasa nueva. Figura 3. Termograma de una grasa usada mediante el DSC *RULER Por medio de la voltamperometría lineal de barrido se pretende determinar la concentración de antioxidantes en el seno de un lubricante en uso. La cantidad de muestra necesaria es menor a 1 g. La grasa se disuelve en un disolvente polar para extraer los antioxidantes y luego se determina su concentración. Comparándola con la de la grasa nueva se estima el porcentaje de vida útil remanente que le queda al aceite (% RUL). Es una herramienta proactiva, la cual indica el estado del lubricante antes de que se produzcan cambios apreciables en el lubricante. 6

8 Equipment: T297-90A Usage: 90 Hrs. Date: 09/01/2004 Test: Green 400µl Standard: T297-ACEITE Standard Valleys Sample Sample Valleys Ruler Number Seconds Figura 4. Voltamperograma de una grasa usada (rojo) comparada con la nueva (verde) realizada con el RULER - Extracción del aceite base Una buena forma de conocer el estado de la grasa en uso es mediante la extracción del aceite base. De esta manera se puede determinar su viscosidad cinemática, índice de acidez e incluso el espectro de IR. Al realizar esto, se pueden interpretar los resultados de los ensayos comentados de una forma más clara. - Viscosidad (ASTM D 445) Normalmente la viscosidad que se indica para una grasa nueva es la de su aceite base. El método normalmente utilizado para ello es el ASTM D 445. Por ello, para determinar la viscosidad de una grasa usada se debe extraer su aceite base y medir la viscosidad de este. La viscosidad que se obtiene es la viscosidad cinemática. - AN (ASTM D 974) Mediante la determinación del valor de acidez de la grasa se puede conocer la cantidad de compuestos de oxidación que se han formado. Existen diferentes fuentes que contribuyen al aumento de la acidez: agua, atmósfera oxidante, temperatura de trabajo, metales de desgaste catalizadores, etc. - Contenido en agua (ASTM-D 6304) El método más indicado para determinar bajas cantidades de agua (ppm) es mediante la Valoración Coulometrica Karl Fischer. Utilizando un horno se consigue evaporar el agua presente en la muestra y es arrastrado hacia la celda de reacción donde es valorada. 7

9 - Filtración (DIN 51813) Mediante la disolución de la grasa en un disolvente se consigue la retención de las partículas sólidas en una membrana de 1 micra según DIN Posteriormente se analiza la cantidad en peso de partículas sólidas y se estudian mediante microscopía. - ICP (ASTM D 5185) Mediante el uso de la espectroscopia de emisión atómica-icp se puede determinar el tipo y concentración de los metales del paquete de aditivos, contaminantes y metales de desgaste producidos en la máquina. Conocidos los metales presentes en la grasa, se podrá saber si se ha producido algún tipo de contaminación de la grasa con otra (espesante de litio, calcio,...), así como el tipo de contaminantes que están presentes en su seno (por ejemplo sílice), así como los metales de desgaste (hierro, cobre,...). - Ferrografía El análisis ferrográfico es el ensayo clásico para la determinación de los mecanismos de desgaste y severidad en los elementos lubricados con grasa. Mediante el análisis microscópico se obtiene información sobre tamaños de partículas, formas, tipo de metal, tipo predominante de desgaste, etc. Figura 5. Partícula de desgaste por deslizamiento 400 micras 8

10 6. RESUMEN PROGRAMAS ANALÍTICOS RECOMENDADOS Lubrication Management recomienda dos rutinas analíticas: 6.1. Programa rutina normal - Contenido en metales (ASTM D 5185) - FTIR - Contenido en agua por K. F. (ASTM D 6304) - Filtración e inspección visual de las partículas - RULER Cantidad de muestras necesaria 25 gramos Programa rutina avanzada - Contenido en metales (ASTM D 5185) - FTIR - Contenido en agua por K. F. (ASTM D 6304) - Filtración e inspección visual de las partículas - RULER o DSC - Consistencia - Separación de aceite (AN y Viscosidad) - Ferrografía - Punto de gota Cantidad de muestra mínima 500 gramos 9

11 7. CONCLUSIONES Está claro que el uso de grasas lubricantes es una realidad. Se debe prestar especial cuidado, una vez seleccionado el tipo de grasa, con la cantidad de grasa aplicada, así como con el método de reengrase. El otro claro inconveniente que ha existido hasta ahora en el análisis de grasas usadas era la gran cantidad de muestra que era necesaria para llevarlos a cabo y los problemas de homogeneidad. En los últimos años se han desarrollado diferentes técnicas analíticas que han permitido utilizar una mínima cantidad de grasa usada, posibilitando la realización de un análisis más completo. De la misma manera, estos avances en el análisis de las grasas han posibilitado una mejora en el diagnóstico de las problemáticas encontradas en las máquinas. 10