Engranes cónicos, cambie a un mejor grado

Un análisis de la selección de lubricantes

Por Mike Johnson

Un fabricante norteamericano hizo recientemente una "actualización" de un aceite básico para engranes a uno que se promocionaba como un lubricante de  "alto desempeño" como parte de un esfuerzo de mejorar la eficiencia de energía y conducir la confiabilidad en una línea en particular de extrusión de cables de velocidad variable de engranes impulsores. El molino había utilizado previamente un solo grado de lubricante en el grupo combinado de 6 engranajes cónicos y 5 engranajes de tornillos sin fin impulsores para el propósito de mantener la sencillez y aminorar el riesgo de error de sobre llenar durante las actividades orientadas de TPM.

Había una falla funcional del lubricante en forma de un sumamente aireado (espumoso) estado constante. Se creyó inicialmente que la falla estaba relacionada a la humedad pero fue atribuido luego al aire entrante. El aire no tiene suficiente peso potencial y contribuye a una variedad de mecanismos lubricantes de fracaso. La administración escogió responder proactivamente realizando una revisión crítica de las recomendaciones del fabricante de origen y la selección actual para las condiciones de funcionamiento en un esfuerzo de eliminar el factor de riesgo. 

El sistema impulsor de la línea de extrusión contiene un grupo de de 6 engranajes cónicos y 5 engranajes de tornillos sin fin semejante a los mostrados en la Figura 1. La línea opera en velocidades variables, dependiendo del tamaño del material que es producido. Adicionalmente, cada impulsor individual opera en velocidades diferentes dependiendo de donde esta localizado en la secuencia de la producción.

 

Figura 1 – Engrane cónico

La confiabilidad es considerada un límite aceptable, pero la administración del molino tiene sospechas de que la confiabilidad sufrirá si las condiciones del lubricante no son mejoradas. Este caso de estudio revisará asuntos operacionales y ambientales importantes que fueron considerados para mejorar la selección del lubricante para los impulsores de tipo cónico.

Condiciones de Operación

Condición del lubricante – Un lubricante para engranes ISO 460 EP  fue escogido para reemplazar otro producto ISO 460. Una "neblina" significativa se formo en el lubricante inmediatamente siguiendo la operación normal  de la máquina, y permaneció por el ciclo de vida del lubricante. El análisis del aceite indicó niveles elevados periódicos de Calcio, que se cree es un contaminante del proceso atmosférico, pero ningunos otro nivel significativos de contaminación química. No hay evidencia de la degradación del aceite pero hay ocasionalmente una caída en la concentración aditiva y viscosidad. Se encontró que las fluctuaciones coincidían con los cambios de aceite, y se cree que refleja las diferencias en la calidad del lubricante. Un nuevo proceso  de prueba aceite fue iniciado recientemente para verificar la integridad del lubricante entrante. Hay poca evidencia que la condición fallida del lubricante es una consecuencia de la degradación del lubricante. El aceite es cambiado con frecuencia debido a preocupaciones acerca de la neblina, así que el lubricante no tiene tiempo de degradarse.

La Condición de la contaminación – La filtración no es realizada en cualquiera de las unidades de forma rutinaria. Los conteos de partícula no son proporcionados por el laboratorio, pero en estas circunstancias, hay una probabilidad alta que los niveles de contaminantes sólidos  sean altos en cada uno de los 11 impulsores. No hay una fuente de evidencia de la contaminación del agua. La carga del calor es baja. Las temperaturas del ambiente en la planta norte son bajas, con las temperaturas más altas que alcanzan el rango de los 35° C, y las temperaturas generadas en el colector del engranaje alcanzan un rango de 45° C durante la operación en verano. Las temperaturas del ambiente de la planta pueden caer abajo de los 25°C durante la operación en invierno.

Una estimación razonable de un aumento de temperatura de 25°C de la interfase del engranaje (encima de las temperaturas del colector) tendría todavía al lubricante operando de 60°C a 70°C. Estas temperaturas operadoras podrían contribuir a la acumulación de humedad si había el riesgo de la humedad, pero el análisis sugiere que esa humedad no esta presente.

El Nivel del lubricante – Un nivel de lubricante inexacto puede aumentar la entrada de aire si el nivel es lo suficientemente alto que la acción engranadora normal puede "batir" el aire en el colector. El nivel de aceite fue verificado para ser exacto antes por el mecánico, y es mantenido en lo que es considerado correcto para el ángulo de la instalación.

El Régimen de la lubricación – Los engranes cónicos deben operar en el límite (contacto metálico) de las condiciones para llenar las condiciones de la película (Hidrodinámica y Elasto-hidrodinámica – película fina pero separación total), dependiendo de una variedad de factores, incluyendo:

•  Forma del Diente

•  Velocidad de la rueda del engrane

• Tamaño de la rueda del engrane

• Temperatura Operacional

• Viscosidad del Fluido (a temperatura operacional)

• Presencia de contaminantes que comprometan la integridad de la película (aire y humedad)

Es crítico que la recomendación del lubricante proporcione la viscosidad suficiente para las condiciones de funcionamiento para proporcionar la formación completa de la película. Esto significa viscosidades más pesadas para condiciones de carga alta y de baja velocidad, y viscosidad ligera para condiciones de cargas ligeras y de alta velocidad. La viscosidad excesivamente alta no puede ser útil, y puede ser perjudicial por una variedad de razones, incluyendo fricción líquida excesiva, aumento de calor, degradación prematura del lubricante,  pérdidas de energía y un arranque frío canalizado.

Método de Selección del Lubricante

La velocidad del engranaje, la temperatura del colector y el tipo de engrane son los factores primarios utilizados por AGMA (por sus siglas en ingles, en español: Asociación  Americana de Fabricantes de Engranes) y de fabricantes individuales de engranes para establecer la mejor  la viscosidad para un conjunto de engranes. En la versión más reciente de los estándares de lubricación de AGMA (AGMA 9005-EO2) la Velocidad de la Línea del Tono (PLV por sus siglas en ingles) es un criterio central hacían la selección de la viscosidad. La selección del lubricante del cojinete debe ser revisada también antes de hacer las decisiones finales.  

El PLV determina el tiempo de contacto entre los dientes del engrane. Generalmente, los valores altos de PLV son asociados con velocidades altas y cargas bajas, donde los valores bajos de PLV son asociados con cargas altas y velocidades bajas. Esta relación parece ser válida para el conjunto de engranajes bajo consideración. Los valores más bajos de PLV tienden a requerir operaciones de viscosidad mas alta y de aditivos de superficie-activa (AW y EP)

Basado en la información proporcionada, el impulsor PLV de la línea de producción es mostrado en la Figura 2. 

PLV = π * D * N		Piñón	Corona		Piñón	Corona
Pi		3.1415			3.1415	3.1415
Diámetro del Pitch del piñón		0.08			0.008
Velocidad del piñón Máxima	D	1775			1775
Velocidad del piñón Mínima	Nx	450			450
Diámetro del pitch de Corona	NM		0.3232			0.3232
Velocidad de la corona Máxima			481			481
Velocidad de la corona Mínima			127			127
PLV	Máxima	446.093	488.3751	mínima	113.094	128.9437
Las velocidades de la línea son proporcionadas en revoluciones por minuto, que producen unidades de metros por minuto. Una vez que los valores máximos y mínimos de PLV son calculados, cada uno debe ser convertido a un valor por segundo, que se hace dividiendo el valor por 60.

 

En  metros/seg	Máximo	Mínimo
PLV Piñón	7.434883	1.8849
PLV Corona	8.139585	2.149121

Figura 2 – Cálculos de la velocidad de la línea del Pitch 

Por AGMA 9005 – E02, la selección de viscosidad es basada en el PLV de la velocidad más baja del dentado del engranaje en un conjunto. Este conjunto cónico tiene sólo un engranaje, pero el piñón y los valores de corona PLV son perceptiblemente diferentes como usted quizás espere. Desde que la corona tiene la velocidad más baja, utilice los valores de PLV para la corona para escoger el objetivo inicial de la viscosidad para cada velocidad operacional.

Desde que las velocidades de entrada son variables, el rango velocidades debe ser considerado. La velocidad más baja de la corona es proporcionada en la Figura 3. El objetivo de la viscosidad para este tipo de conjunto de engranaje, al operar en su velocidad de entrada más baja, en sus condiciones más altas de temperatura del ambiente sería un ISO 220 para cada uno del tipo de lubricante de base en stock  como se muestra en la Figura 3. 

Cuándo el impulsor gira al final del rango operacional, la corona PLV es mucho más alta en 8,1395. Utilizando el mismo gráfico de la selección, nosotros vemos que la selección de la viscosidad del objetivo empezaría en un ISO 100.

VI= Índice de Viscosidad 

Figura 3 – Objetivo y viscosidad 

Decisión subjetiva  

Es un interés común de aminorar el número de viscosidades y tipos de productos en uso en un área de producción o línea, pero para hacer eso a riesgo del lubricante o de la salud de la máquina toma la consolidación demasiado lejos. La recomendación técnica correcta para éstos impulsores es dependiente en un factor continuo de velocidad cambiante, el resultado que requerirá uno de 3 grados diferentes entre un ISO 100 y un ISO 220. Todos estos están debajo del ISO 460 que fue escogido previamente. 

Adicionalmente, hay un diferencia significativa de viscosidad entre el 100 y el 220. Es apropiado considerar cómo las máquinas quizás sean operadas para aminorar de forma distinta el grado de la variación en requisitos de viscosidad.

Si hay múltiples línea de producción, y hay la flexibilidad de planificar el tipo de producto por línea de producción, entonces sería claramente beneficioso dedicar la producción de alta velocidad a una línea en particular, y aminorar la viscosidad diferencial a menos grados y menos máquinas. 

Si no es posible dedicar a la producción de alta velocidad líneas específicas, entonces será necesario considerar cada uno de los 3 grados para cada una de las línea de producción. El operador ya sabe que las máquinas proporcionarán la certeza marginalmente aceptable al operar con un producto que es dos a cuatro grados menos (del ISO 460). Existe algún riesgo al escoger el de 150 para el impulsor que requiere un 100, pero es todavía mucho menos riesgo que la condición actual. 

Selección Final 

En las temperaturas  bajas de operación, el valor de la extensión del ciclo de vida del lubricante será reconocido con el producto de alto  desempeño. Una medida extra de protección de superficie puede ser justificada, pero no hay suficiente información en los fracasos verdaderos en esta etapa para justificar completamente el paso hacia el producto de más alto desempeño. 

Adicionalmente, los productos del grupo uno (G1) contienen tipos de estructuras moleculares que es sabido que mejoran la lubricidad y la protección de superficie (base de Naftenico contiene estructuras de anillo que imparten efectos más altos de coeficiente de viscosidad de presión para el lubricante terminado. Estas estructuras no se encuentran en PAO, G2 y G3). Obviamente, hay sistemas de aditivos extraordinarios que pueden ser escogidos que imparten un desempeño superior a bajas temperaturas al otro (grupo 2 – 5) , pero hasta que una necesidad claramente definida pueda ser identificada, el aceite mineral G1 debe desempeñarse bien si es mantenido limpio y en buen estado. 

Escoger la viscosidad correcta, es necesario para identificar la velocidad de entrada primera para cada etapa de los seis impulsores cónicos, y determinar la cantidad de tiempo que cada unidad estará operando a la velocidad de entrada máxima, y permitir al perfil de operación de la maquina que haga la elección final de la viscosidad. Las nuevas viscosidades del producto estarán entre 220 y 100, con las unidades de mayor velocidad beneficiándose principalmente de la selección apropiada del producto. Todos los grados de viscosidad deben ser escogidos de un mismo tipo producto para aminorar cualquier riesgo de contaminación química. 

Es sumamente probable que el ISO 220 aminoraran la extensión del problema actual de aeración, así que si no es la selección "ideal", un solo grado ISO 220 sería un paso incompleto pero beneficioso en la dirección correcta. 

Mike Johnson ha escrito y ha presentado papeles técnicos en simposios y conferencias a través de Norteamérica acerca de cómo utilizar la lubricación de máquina para conducir confiabilidad en máquina. Mike es el fundador de  Advanced Machine Reliability Resources Inc., una firma que proporciona precisión en el desarrollo de programas de lubricación, consultoría y capacitación. Esta felizmente casado, juegos y entrena fútbol, y tiene 3 hijos jóvenes que consumen su tiempo y la atención restante. Puede ser localizado en mjohnson@amrri.com, o al tel 615-771-6030.