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Manteniéndolo limpio
Control de Contaminación en Sistemas hidráulicos y lubricantes
Por Leonard E.
Bensch, Ph.D., P.E.
La
contaminación en sistemas hidráulicos y lubricantes es reconocida
generalmente como el factor único más importante en reducir la certeza y
la longevidad del equipo. La sensibilidad de un componente a la
contaminación de la partícula es dependiente en gran parte en el espesor
de la película del lubricante y el tamaño y cantidad de contaminantes en
el líquido. Cualquier disminución en la certeza a causa de la
contaminación líquida tiene un impacto mayor en costos de mantenimiento
así como en la productividad de la máquina. Para aumentar la
confiabilidad del sistema, se debe de establecer un programa para el
control de la limpieza. En este artículo que espero proporcionarle con
una comprensión fundamental de principios de control de contaminación,
empezando con la contaminación de partícula, incluyendo métodos comunes
de medición y la cobertura de los niveles de la contaminación. Discutiré
el daño típico causado por la contaminación así como los beneficios
logrados controlando la contaminación a niveles deseados. Finalmente,
proporcionaré las pautas para determinar los requisitos de la limpieza,
para la selección del filtro, y para la ubicación del filtro. La
contaminación del aceite coloca una amenaza grave al desempeño y la
confiabilidad de estos sistemas. Las fallas de componentes o sistemas
hidráulicos y lubricantes son, la mayoría de las veces, relacionados a
una cantidad excesiva de contaminación. Las fallas Tribologicas cuestan
a la industria miles de millones de dólares por año, pero pueden ser
aminoradas fácilmente. Esto ofrece la perspectiva de lograr ahorros
verdaderos y, al mismo tiempo, mejorar la eficiencia de la operación y
el servicio proporcionado. Numerosos estudios han sido realizados para
cuantificar con el paso de los años el impacto de la contaminación en la
vida del componente y la confiabilidad [Referencias 1-4, véase pie de
página para todas las referencias]. Estos estudios informan que 50% a
80% de los problemas de fallas y uso en máquinas lubricadas son
causados por la contaminación del aceite. Estas conclusiones nos dicen –
sin duda alguna - que hay todavía una enorme cantidad de mejora por ser
realizada en esta área. También nos dice que las instalaciones que
operan actualmente pueden recortar costos del mantenimiento
dramáticamente, y mejorar la producción apreciablemente, por aplicar
correctamente las técnicas probadas del control de la contaminación.
Para
aumentar la confiabilidad de los sistemas hidráulicos, un programa debe
ser establecido para el control de la limpieza [Referencia 5-6]. Un
programa total del control de la limpieza implica un buen diseño de la
máquina para aminorar la sensibilidad de la contaminación y excluir
contaminantes internos y engrasados, la selección apropiada del filtro
para mantener la limpieza durante la operación, y las buenas prácticas
para asegurar una contaminación mínima es introducida o se queda después
de que el mantenimiento es realizado. También es importante establecer
los objetivos de la limpieza y monitoreo para asegurar que la limpieza
sea mantenida en el nivel deseado.
La
contaminación En Sistemas Lubricados
La
contaminación en sistemas hidráulicos y de lubricación pueden ser
partículas de la naturaleza tal como el sílice (arena), metales,
fibras, participantes, etc. La contaminación de la partícula, a causa de
su impacto severo en el uso del componente y la fatiga, es el foco
primario de este artículo y es discutida con todo detalle. Otras
propiedades líquidas, que afectan la operación del sistema y la
confiabilidad, incluyen la viscosidad, aditivos y niveles de ácido, y la
contaminación de agua. El calor, la humedad y las partículas de desgaste
de metal catalítico todo contribuyen a la degradación líquida. Cualquier
buen control de la contaminación y el programa de monitoreo de fluidos
deben incluir la evaluación periódica de estas otras propiedades
líquidas.
Hay
cuatro fuentes primarias de la contaminación de partícula en estos
sistemas. Los contaminantes incorporados vienen de componentes,
líquidos, mangueras, depósitos, etc. Los contaminantes generados
resultan del ensamble de sistemas, interrupción y la operación de un
sistema, y falla de los fluidos. Los contaminantes externos entran a un
sistema por ventilas de depósitos, por los sellos de la barra del
cilindro, y por la válvula y sellos de los cojinetes. Los contaminantes
relacionados con el mantenimiento son introducidos cuándo el equipo es
desmontado o montado y se agrega aceite en esta tarea.
Una
purga efectiva, filtración a bordo y prácticas concienzudas de
mantenimiento aflojarán el ingreso de contaminantes incorporados,
generados, y relacionados a las fuentes del mantenimiento. Ventilas
efectivas en los depósitos y sellos externos de componente son
prioritarios para controlar el ingreso externo.
Midiendo la
Partícula Contaminante
El
nivel de contaminación de partícula de un fluido puede ser medido por
varios métodos. La Tabla 1 enlista varios métodos de control de
contaminación así como algunos de los beneficios y las limitaciones de
cada método. Probablemente el primer método para valorar la
contaminación de partícula en un fluido fue el de mirar simplemente el
aceite a simple vista y hacer un juicio cualitativo acerca de la
limpieza. Utilizando un vacío para atraer una cantidad de líquido por un
parche del filtro fue un avance significativo porque esto permitió
separar las partículas de contaminante del aceite y ser examinadas por
cantidad y tipo. Esta técnica, nombrada comúnmente la prueba de parche
puede ser realizada rápidamente y en el sitio y es todavía un método
popular para obtener una estimación cualitativa del nivel de
contaminación.
El
primer método de cuantificar el tamaño y el número de partículas en un
lubricante extendió la prueba de parche aplicando un microscopio para
agrandar y para contar las partículas. El método del microscopio, ISO
4407, [7] ha sido mejorado con el paso de los años, a veces con la
adición del análisis automatizado de la imagen por computadora, pero los
principios básicos son todavía los mismos. El conteo con microscópico es
utilizado todavía cuándo se requiere de un conteo de partícula en
líquidos no-homogéneos tales como aceite contaminado con agua o líquidos
con presencia libre de burbujas de aire.
Contadores ópticos de partícula automáticos, primero desarrollados para
líquidos hidráulicos a finales de los años sesenta, son ahora el método
más común de cuantificar la cantidad de contaminación de partícula en
fluidos hidráulicos y lubricantes. Estos dispositivos, cuando son
apropiadamente calibrados, según el estándar ISO 11171 [8] e ISO 11943
[9] dará una evaluación rápida, exacta y capaz de ser repetida del
tamaño y el número de partículas así como los códigos de contaminación
aplicables tal como ISO 4406 [10], u otros. Los contadores automáticos
modernos son portátiles, operados por baterías, y pueden ser utilizada
fácilmente en el campo o para análisis cuando el equipo esta conectado o
si necesario, una muestra de botella.
El
monitor de oscurecimiento de malla, aunque no es un contador de
partícula, pueda también medir códigos relativos de contaminación con
una buena certeza. Estos monitores son basados en el principio que
partículas más grande que un tamaño específico de poro de malla, cuando
es capturado por esa malla, tendrá como resultado una presión
diferencial aumentada (o el flujo reducido) proporcional al número de
partículas capturadas.
Las
unidades que utilizan múltiples tamaño de malla pueden medir la
contaminación en y encima de estos tamaños e informar un código de
limpieza que sea acorde. Porque estas unidades no utilizan óptica, son
insensibles a la contaminación que no es de partícula, por ejemplo, el
agua y el aire, y pueden ser aplicados en la mayoría de los casos. Como
los contadores de partícula portátiles modernos, pueden ser
transportados y pueden ser utilizados en el campo con el equipo
encendido o pare el análisis de botella.
Aunque
la espectrometría, ferrografía y métodos gravimétricos de análisis sean
utilizados a veces, son utilizados con menos frecuencia para la medida
de contaminante de partícula que los otros métodos mencionados.
|
Método |
Unidades |
Beneficios |
Limitaciones |
|
Prueba de parche y comparador de contaminación de fluido |
Comparación visual o código de limpieza estimado |
Análisis rápido de lo niveles de limpieza del sistema; además
ayuda a identificar tipos de contaminantes |
Proporciona un nivel aproximado de los niveles de contaminación;
no es cuantitativo |
|
Conteo de partícula con microscopio |
Partículas/mL |
Proporciona un tamaño y distribución de la cantidad exacto |
Lleva mucho tiempo preparar el muestreo |
|
Conteo de particular automático (on-line o botella) |
Partículas/mL |
Rápido,
exacto,
repetible |
Sensible a lo contaminantes sin partículas, ejemplo, agua y
aire |
|
Monitoreo de oscurecimiento de malla (botella o en línea) |
Código
de
contaminación |
Rápido, repetible, OK con contaminación de agua y aire en el
aceite |
Sin
conteo
de
partícula |
Tabla
1 – Métodos de Análisis de partículas contaminantes en fluidos
Daño
causado por la Contaminación
Casi
todos los estudios encontrados en la literatura, por ejemplo, las
referencias 1-4, concluyen que la mayoría de los problemas en sistemas
hidráulicos y de lubricación son causados por la contaminación y el
desgaste mecánico. Hay cuatro tipos primarios de mecanismos mecánicos de
uso: abrasión, erosión, fatiga y adhesión. El desgaste abrasivo ocurre
cuándo las partículas entran en un espacio libre entre dos superficies
que se deslizan separadas por una película lubricante, como se muestra
en la Figura 1. Las partículas del contaminante en o encima del tamaño
de este espacio libre pueden cortar, frotar o raspar una o ambas
superficies. Las partículas pueden llegar a ser empotradas en una
superficie, y actuar como instrumentos de corte, raspando material de la
superficie opuesta. El desgaste de una o ambas superficies tienen como
resultado encaje irregular, aumento de goteo interno o externo,
reducción de la eficiencia operacional, temperaturas más altas, y por
supuesto, más contaminación de las partículas de desgaste.
Figura 1 –
Desgaste Abrasivo
La
erosión ocurre cuando las partículas duras llevadas por el lubricante en
velocidades altas se impactan en una superficie del componente. El
impulso de la partícula se traduce en una fuerza en el impacto que puede
erosionarse lejos la superficie de componente. El resultado es semejante
al uso abrasivo y tiene como resultado aumento del goteo interno,
eficiencia más baja, y más contaminación. La erosión puede ser
encontrada en componentes hidráulicos tales como controles de presión o
válvulas servo, donde la velocidad del fluido es alta al pasar por un
orificio de control. El desgaste por fatiga o las superficies por
contacto rodante es iniciado cuándo partículas del mismo tamaño o más
grandes que el espesor de la película, entra en la zona de carga de
cojinetes antifriccionales. Estas partículas llenan momentáneamente el
espacio de la película lubricante y crean pequeños dientes y
micro-grietas en la superficie rodante. Bajo cargas repetidas, las
micro-grietas crecen hasta que socavan la superficie, causando
finalmente fallas de astilladura y fatiga.
El
desgaste adhesivo es el contacto de metal a metal entre dos superficies
móviles del componente. Las partículas contribuyen al desgaste adhesivo
cuando superficies ásperas por abrasivos o por el desgaste de fatiga,
forman asperezas de superficie que se extienden por el espesor de la
película lubricante. Por supuesto, las partículas generadas debido al
uso adhesivo llegan a ser partículas contaminantes, que si no se
verifican, puede causar e consecuente desgaste abrasivo o de fatiga.
Controlando la Contaminación Efectivamente
Un
programa efectivo del control de la contaminación empieza en la etapa
del diseño del sistema. Esto es cuándo los componentes son escogidos
para su insensibilidad a la contaminación donde es posible, ventilas en
depósito y sellos de componente son escogidos para controlar el ingreso
de contaminantes, y un sistema de filtración es seleccionado, para
proporcionar idealmente el control de contaminantes líquidos más grandes
que los espacios críticos libres. Los espacios libres dinámicos de una
gran variedad de componentes son mostrados en la Tabla 2, adaptado de la
referencia 11. Un buen programa de purga en equipo nuevo recién
fabricado es también crítico para prevenir el daño prematuro debido a
contaminantes incorporados.
|
Componente |
Espacio libre |
|
Servo
Válvula |
1 – 4 |
|
Válvula proporcional |
1 – 6 |
|
Válvula direccional |
2 – 8 |
|
Bomba
de piston |
|
Piston al
orificio |
5 – 40 |
|
Válvula
al
cilindro |
0.5 – 5 |
|
Bomba de engrane |
|
Diente a plato lateral |
0.5 - 5 |
|
Punta de Diente a carcaza |
0.5 - 5 |
|
Rodamientos |
0.4 – 1 |
|
Baleros |
0.1 – 0.7 |
|
Cojinetes |
0.5 – 25 |
|
Engranes |
0.1 – 1 |
|
Sello dinámico |
0.05 – 0.5 |
Tabla
2 – Típicos espacios libres de operaron dinámica
Un
programa total del control de la limpieza incluye también el
establecimiento de objetivos operacionales de limpieza y monitoreo para
asegurar que la limpieza sea mantenida en el nivel deseado. Un nivel de
contaminación puede ser establecido consultando con vendedores de
componentes o basarse en recomendaciones establecidas de estudios o
estándares individuales. Las referencias citadas anteriormente, así
como, la ref. 12-17, pueden ser consultadas como guía de los niveles de
limpieza. Uno de los estándares industriales más moderno y completo
que se enfoca en el establecimiento de niveles de contaminación es el
BFPA P5 [ref. 18]. Este estándar establece los factores de peso basados
en la sensibilidad y criticalidad de los componentes y el sistema. De
tomar en cuenta son la presión operacional y el ciclo de trabajo, el
tipo de componentes, la esperanza de vida, obligaciones económicas y de
seguridad, y el ambiente operacional. Basado en una combinación de estos
factores de aumento, un nivel de limpieza del objetivo es recomendado.
Sabiendo el nivel de contaminación y las condiciones de funcionamiento
máximo deseado permite al vendedor de filtros, hacer las recomendaciones
más inteligentes en el sistema de filtración apropiado y las ubicaciones
del filtro para el control de la contaminación.
La fase
final de un programa efectivo del control de la contaminación implica el
monitoreo de los líquidos operacionales para asegurar que la limpieza
sea mantenida en o debajo del nivel deseado [Ref 19]. Tal programa de
monitoreo incluye monitoreo continuo en línea, o el análisis regular de
muestreo y muestra por medio de equipo portátil del análisis, o por el
uso de personal interno o de laboratorios externos.
Conclusiones
La
aplicación del control total de la limpieza y una limpieza proactiva que
monitorea el programa a sistemas hidráulicos y lubricantes ofrecen la
perspectiva de llevar al máximo su vida útil y la confiabilidad y de ahí
darse cuenta de los ahorros substanciales en gastos de totales de
operación. Un programa total completo del control de la limpieza incluye
varios aspectos:
1.
Establecer los objetivos de los niveles de limpieza para el sistema
operacional. Los lineamientos de BFPA son recomendados.
2.
Determine el filtro adecuado y otras técnicas de control de
contaminación que ayudarán a alcanzar los objetivos. Consulte la
referencia BFPA/P5 o a su vendedor de filtros para una mejor guía.
3.
Establezca como el sistema de fluidos será monitoreado. El uso de un
contador automático de particular o malla es recomendado.
4.
Establezca niveles de acción planes de corrección cuando se excedan los
niveles de limpieza; después conduzca revisiones periódicas del programa
de monitoreo de limpieza y haga ajustes necesarios cuando se gane
experiencia.
Históricamente, la contaminación de los fluidos ha sido la causa mayor
de fallas de componentes y sistemas. Hoy, el control de la contaminación
es mucho más una ciencia que hace varios años. Por la implementación
apropiada de un programa total de control de la limpieza, suplementado
por un programa proactivo de monitoreo, la meta debe ser reducir o
eliminar las fallas relacionadas a los contaminantes. Con la tecnología
de punta disponible actualmente, no hay razón de continuar permitiendo
que la suciedad sea e mayor limitante de la vida de la máquina.
El
Dr. Leonard Bensch es Vicepresidente de Pall Corporation responsable de
las aplicaciones globales de fluidos de energía. Ha tenido numerosos
papeles dentro de Pall Corp por más de 26 años, siempre dentro del área
de control de contaminación. Se graduó de ingeniería mecánica de la
Universidad Pública de Oklahoma, donde realizó y dirigió proyectos de
investigación durante 12 años en filtración y control de contaminación y
fue factor en el desarrollo de los métodos más modernos de prueba de
filtro y técnicas de análisis de contaminación hidráulica. Ha escrito
más de 120 artículos técnicos en el área de filtración líquida de
energía y control de contaminación. Participa activamente en comités
técnicos industriales, es presidente del Grupo Consultor Técnico de los
EEUU para el control de la contaminación ISO y es el coordinador del
grupo de trabajo de los métodos de prueba de filtración de ISO. El sirve
como enlace a la Junta directiva de la National Fluid Power
Association.
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