2014-2 e-TRIBOS
Revista de la Asociación Argentina Tribología
Asociación Argentina de Tribología www.aatribologia.org.ar e-Tribos Junio 2014
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e-Tribos Junio 2014
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e-TRIBOS INDICE ANÁLISIS DE PARTÍCULAS COMO EVALUACIÓN DEL AVANCE DEL DESGASTE EN SISTEMAS LUBRICADOS………………………………………………… páginas 4 a 9 MÉTODO DE PONDERACIÓN NUMÉRICA DE CONDICIÓN DE LUBRICANTES (MPNCL)…………………………………………………………………… páginas 10 a 14
TRIBOLOGIA DE LOS AROS DE PISTON - Lubricación y Fricción……páginas 15 a 19
CENIZAS SULFATADAS, RECOMENDACIÓN DE FABRICANTES Y ENSAYOS ACTUALIZADOS …………………………………………………………...páginas 20 a 22
e-TRIBOS es una publicación de la ASOCIACION ARGENTINA DE TRIBOLOGIA. La distribución de esta revista se realiza sin cargo a los socios de la AAT y personas relacionadas con la TRIBOLOGIA. Si Ud. desea ser incluido en el listado de distribución por favor envíenos sus datos a través de la página de www. aatribologia.org.ar Los editores no son responsables por lo expresado por los autores de los artículos publicados. Los datos, especificaciones y conclusiones son solo informativos. Prohibida la reproducción total o parcial de los contenidos sin la expresa autorización del editor.
e-TRIBOS está abierta a la recepción de trabajos sobre cualquier aspecto de la disciplina TRIBOLOGIA. Los autores son invitados a enviarnos los mismos los cuales de ser aceptados serán publicados sin cargo ni retribución. Registro Nacional de la Propiedad Intelectual en trámite Editor: Roberto J. Leonetti
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OSCAR A. ENTIN 1931-2014
La Asociación Argentina de Tribología lamenta informar el fallecimiento de su Vicepresidente, el Ingeniero Oscar A. Entin. Todos los que lo conocemos estamos conmocionados con la partida del amigo y excelente Tribólogo. Su dedicación profesional y experiencia lo llevaron al campo de la filtración, donde se convirtió en referente mundial por sus conocimientos y experiencia. Desarrolló en esas disciplinas su gran pasión por la docencia. Miles de ingenieros, estudiantes, técnicos, operarios, gerentes, compradores, científicos, han escuchado las enseñanzas de Oscar y se nutrieron de sus conocimientos y su humor. Todos recuerdan sus palabras: “hoy con más de 80 años sigo aprendiendo y equivocándome. Trato de enseñar, si me lo permiten, la biblioteca de la vida que no se enseña en ninguna Facultad...”
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La Asociación Argentina de Tribología comparte con su esposa Inés; sus hijas y nietos el dolor de esta pérdida y lo recordará como el gran amigo y maestro que fue. Repetía siempre una célebre frase de Albert Einstein:
“SOLO UNA VIDA VIVIDA PARA LOS DEMÁS, ES UNA VIDA DIGNA DE VIVIRSE”
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EL ANÁLISIS DE PARTÍCULAS COMO EVALUACIÓN DEL AVANCE DEL DESGASTE EN SISTEMAS LUBRICADOS W. Tuckart Grupo de Tribología, LEEM, Departamento de Ingeniería, Universidad Nacional del Sur -CONICET. Av. Alem 1253 (8000) Bahía Blanca, Argentina
Resumen El análisis de partículas es una herramienta única que tiene la potencialidad de determinar la cantidad, mecanismo y fuente del desgaste en sistemas con lubricante o que emplean fluidos hidráulicos. Existen diferentes enfoques tendientes a la evaluación de fragmentos recolectados de muestras de fluidos, tales como el análisis ferrográfico y el estudio de fragmentos por microscopía electrónica de barrido con micro análisis de composición química puntual. Actualmente los continuos avances en la tecnología de instrumentación hacen posible el estudio y clasificación de partículas de muchos metales tanto ferrosos como no ferrosos.
1. Introducción Durante la interacción de superficies sólidas con movimiento relativo en un entorno lubricado, diferentes relaciones entre la fuerza de fricción y el espesor de película lubricante. Así es posible identificar cuatro regiones a través de una curva denominada “curva de Striebeck”: hidrodinámica, elasto-hidrodinámica, mixto y marginal. En la que se representa la variación fricción entre dos superficies lubricadas como función de un parámetro adimensional ηN/W (donde η es la viscosidad dinámica, N la velocidad y W la carga proyectada sobre la superficie (Fig. 1).
Figura 1- Representación de una curva de Striebeck en la que pueden diferenciarse los cuatro regímenes de lubricación.
Esta curva se denominada “de Striebeck” en honor al Profesor Richard Stribeck (1861–1950) quien a principios del siglo 20 sistemáticamente estudió y documentó la variación de la fricción entre superficies lubricadas sobre cojinetes de fricción de aplicaciones ferroviarias [1]. Los procesos de contacto relativo lubricado tipo EHD, mixto y marginal generan, aunque en e-TRIBOS xxxx 2014
diferente grado, contacto entre protuberancias de ambas superficies. De este modo durante la vida operativa de componentes de máquinas se producen partículas de desgaste, cuyo nivel cuantitativo en función del tiempo de servicio se caracteriza por una primera etapa denominada asentamiento (en la que generalmente se evidencian alta concentración de partículas, un segundo período conocido como estacionario y finalmente un tercero llamado desgaste autoacelerado que termina en la falla del componente. Un esquema de esta condición es presentado en la Fig. 2.
Figura 2- Ilustración esquemática de la concentración de partículas en función del tiempo de servicio.
La metodología de recolección y análisis de partículas contenidas en un lubricante o fluido de proceso para evaluar la condición del sistema tribológico, puede tener distintos enfoques. Por un lado se utilizan técnicas de monitoreo “rutinario”, es decir, bajo régimen estable de comportamiento, tales como la cuantificación de elementos químicos presentes a través de técnicas espectrométricas. La más utilizada es la espectrómetría de emisión atómica (también por Página 5
sus siglas en inglés AES), aunque su limitación es que solo pueden analizar partículas de hasta 8 µm de tamaño. Otras técnicas de monitoreo rutinario, también permiten ponderar la concentración de partículas sólidas y universalmente es evaluada mediante el procedimiento de la norma ISO 4407 y codificada según el código ISO 4406, aunque constituye una herramienta de alta utilidad para indicar cambios de tendencia en la velocidad de desgaste, no refieren con precisión al origen y mecanismo de desgaste que las produjeron (ver Fig. 3).
Figura 3 Esquema de los rangos de tamaños de partículas que evalúan diferentes técnicas de análisis de partículas.-
Cuando a través de las técnicas rutinarias se evidencian cambios de tendencia, se utilizan otro tipo de técnicas que con la recolección de partículas permiten inferir, tales a partir del uso de trampas magnéticas (en inglés chip detection o magnetic plug) mediante potentes imanes, que en general son de tierras raras como niodimio, y se interponen en el flujo del fluido permitiendo capturar partículas libres de gran tamaño. En la misma dirección, también otro modo de obtener partículas es a partir del lavado del filtro del sistema de lubricación. Los fragmentos recolectados posteriormente son analizados con el microscopio óptico y para más detalle con microscopía electrónica de barrido. En ambos casos la muestra analizada resulta muy arbitraria y solo para partículas muy grandes (como lo muestra la Fig. 3). Por lo tanto estas no pueden ser las técnicas de monitoreo rutinario, dado que cuando se evidencie un cambio de tendencia, el desgaste va a ser demasiado alto como para evitar la falla. Tanto la trampa magnética como el lavado de filtro, deberían utilizarse como complemento a la ferrografía. Esta es en términos de tamaños de e-TRIBOS xxxx 2014
partículas, una técnica “intermedia”, es decir, se puede emplear para monitoreo y también para cambio de tendencia y será descripta en mayor detalle a continuación. 2. Ferrografía: Un Método Simple Para Clasificar Partículas A partir de su composición, tamaño y morfología, las partículas de desgaste resultan ser una valiosa fuente de información acerca de los mecanismos de desgaste involucrados en su formación. Hacia finales de los 60´ la aviación militar de Estados Unidos solo disponía de espectroscopia y plug magnético para monitorear la progresión del desgaste de rodamientos y consideraron vital desarrollar una técnica más sofisticada que permita evaluar, tanto partículas grandes como pequeñas de modo de prevenir fallas. Para ello contrato a Vernon Westcott, quien a principios de la década del 70´ inventó una técnica para separar las partículas sólidas contenidas en una muestra de lubricante [2-3] La ferrografía se basa en permitir el flujo de una muestra de aceite diluido con solvente (en general Heptano normal microfiltrado) sobre un vidrio portaobjetos, el cual se encuentra suspendido sobre un campo magnético. El vidrio portaobjetos se ubica inclinado respecto del campo magnético, contando además con barreras laterales que facilitan el escurrimiento del fluido por gravedad hacia abajo, inmerso en la acción del campo magnético sobre el vidrio, hasta un recipiente recolector. Un esquema del principio es presentado en la Fig. 4.
Figura 4- Esquema del principio de recolección de partículas por ferrografía [4].
Para generar un intenso campo magnético se utilizan potentes imanes, que debe ser suficientemente grandes como para poder capturar la mayoría de las partículas de desgaste presentes en la muestra de aceite. La combinación de la viscosidad del fluido y las fuerzas magnéticas actúan sobre las partículas permiten la separación y asentamiento de partículas de desgaste sobre el portaobjetos de vidrio de la siguiente manera:
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- Grandes partículas de acero son atrapadas por el campo magnético y depositadas en la región de entrada del portaobjetos de vidrio. - En la zona media se depositan fragmentos de materiales no magnéticos y - Finalmente cerca de la región de salida se depositan partículas ferrosas pequeñas o con debilidad magnética. Una vez que todo el aceite de la muestra a fluido por el portaobjetos, se aplica solamente solvente para remover el aceite residual, permitiendo además fijar las partículas a su posición sobre el vidrio (ver Fig. 5).
Una vez analizadas las partículas, el ferrograma también pueden ser sometidos a un tratamiento térmico a 330 ºC durante 90 segundos en una plancha caliente. Este procedimiento permite identificar la características composicionales de las partículas por el cambio de coloración: - acero de bajo carbono y de baja aleación en color azul intenso - acero de carbono medio en naranja rojizo - acero de alta aleación no se altera. - aleaciones de cobre en amarillento - aleaciones de bajo punto de fusión, tienden a aglomerarse. Un ejemplo de análisis ferrográfico con tratamiento térmico es presentado en la Fig. 7a, en la que se puede observarse partículas laminares de acero, esféricas menores a <10 µm y óxido negros, lo cual es indicador de mecanismo de
Figura 5- Imagen de ferrograma de partículas de una caja reductora.
En esta etapa el vidrio se convierte en un registro permanente de la condición del sistema y se lo denomina ferrograma. Las partículas presentes en el ferrograma pueden ser estudiadas mediante microscopía óptica por transparencia y reflexión. Varios tipos de partículas de desgaste son presentados en la Fig. 6.
Figura 7- a) Imagen a 500X de ferrograma de caja reductora con partículas que evidencian daño por fatiga de contacto por rodadura.
desgaste por fatiga de contacto por rodadura. Frente a esta resultado, la máquina fue rápidamente desarmada y se evidenció la falla sobre la pista de rodadura externa que se puede observar en Fig. 7b. Otra variante del estudio ferrográfico es la
Figura 6- Varios tipos de partículas (a) partículas de desgaste normal 500x (b) partículas de desgaste normal después de tratamiento térmico 1000x (c) Laminares por fatiga de contacto 500x (d) Partículas de deslizamiento 500x (e) Partículas de abrasión 50x (f) óxidos negros y silicatos 500x (g) Polímeros 100x (h) aleaciones de cobre 500x (i) Partículas esférica a 50x. Cuando el tamaño es <10 µm son de fatiga de contacto por rodadura, en cambio ~150 µm de pasaje de corriente.
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Figura 7 - b) Imagen de la falla por fatiga de contacto de uno de los rodamientos.
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llamada “ferrografía directa”, en que se adiciona un par de detectores de luz transmitida, uno en la región de entrada y otro en la zona de partículas pequeñas. Estos sensores dan indicación de la cantidad de partículas grandes y pequeñas, cuya resta representa un índice de desgaste [4]. Actualmente existen en el mercado equipos inteligentes, que eliminan la necesidad de contar con un operario experto en la clasificación de partículas, mediante la utilización de imágenes analizadas con métodos de lógica difusa [4]. Estos instrumentos clasifican en ferrosas y no ferrosas a todas las partículas de tamaño >20 µm, los mecanismos de desgaste que las originaron, el contenido de agua y el aire en la muestra de fluido evaluada [5]. 3. Análisis de Partículas con Microscopía Electrónica de Barrido Adicionalmente el ferrograma, así también como fue previamente mencionado partículas recolectadas con trampas magnéticas, pueden ser analizados mediante el microscopio electrónico de barrido. Esta técnica trabaja en alto vacío, haciendo incidir un haz de electrones sobre la superficie de la muestra. La interacción de los electrones incidentes con los de las capas más superficies del sólido producen distintos tipo de radiación que es recolectada por diferentes detectores. Así el más común es el uso de la radiación de electrones secundarios, que permite establecer una imagen en tonos de gris con aspecto tridimensional, de acuerdo a la topografía superficial (ver Fig. 8).
dispersive scanning) y permite la determinación de los elementos presentes en la superficie del material, con ventanas de análisis que pueden ir desde tamaño macro (50X) hasta de 1 µm3. A partir del procesamiento de la señal es posible obtener un espectro donde se pueden identificar elementos presentes con concentraciones superiores al 0.1%wt para elementos pesados y de 0.5%wt para elementos livianos (como oxígeno o carbono). Este tipo de análisis es muy útil en máquinas complejas, para establecer que piezas o componentes originaron determinadas partículas, y resulta particularmente preciso cuando en intervenciones previas, se disponga de la información de los materiales componentes de la máquina. Al respecto en la Fig. 9 puede observarse una imagen de SEM
Figura 9- a) Imagen de SEM a 120x de partículas de abrasión de caja reductora de baja velocidad.b) Espectro de EDS de las partículas de abrasión. Figura 8- Imagen SEM a 1300x de partículas esféricas en aceite de caja reductora.
4. Análisis de Partículas de Microcomposición Química Puntual (EDS) Otro detector que es ampliamente utilizado dentro del análisis de microscopía electrónica de barrido, es el de fluorescencia de rayos X, que se conoce como EDS (por sus siglas en inglés energy e-TRIBOS xxxx 2014
de partículas de abrasión en una caja reductora de baja velocidad (1200 litros de aceite) y su respectivo espectro de EDS muestra picos de hierro y carbono. Asimismo también es posible obtener una modalidad de salida del EDS que es el llamado Página 8
mapeo, que a partir de una imagen de referencia, es posible determinar que regiones poseen cierto elemento químico. Estos pueden seleccionarse de manera individual desde carbono hacia elementos de mayor número en la tabla periódica.
El posterior análisis químico en búsqueda de cloro de la muestra de aceite del ejemplo de la Fig. 10, resultó positivo y se atribuyó la presencia al ingreso de niebla salina por averías en los tapón de respiradero del cárter.
Como ejemplo de aplicación es presentado en la Fig. 10 en la que a partir de partículas de filtro de una caja reductora fue determinada una cantidad significativa del elemento cloro. El cloro es un elemento completamente indeseable en grande proporciones, porque promueven el desarrollo prematuro de fatiga de contacto superficial.
5. Resumen El análisis de partículas es utilizado para monitorear la salud de componentes en sistemas lubricados o con fluidos hidráulicos. Se reconocen diferentes “rangos de utilización” de las técnicas, dado que algunas son empleadas para monitoreo durante la operación estable de la máquina, tales como espectrometría y el conteo por ISO 4406. En cambio cuando se evidencian condiciones anormales de desgaste y se registra un cambio de tendencia, otras técnicas como la ferrografía, acompañada por estudios de partículas recolectadas de trampas magnéticas o el lavado del filtro, permiten identificar origen y el tipo de desgaste. Estos estudios pueden ser complementados con análisis de microscopía electrónica de barrido y micro análisis de composición química puntual.
Figura 10 - a) Imagen de referencia de partículas de filtro, b) mapeo de hierro, c) mapeo de silicio y c) mapeo de cloro.
[1] R. Stribeck, Die wesentlichen Eigenschaften der Gleit- und Rollenlager, Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure, 2002, Nr. 36, Band 46, p. 1341-1348, p. 1432-1438 and 1463-1470 [2] T. Hansen, A Tribute to Vernon C. Westcott, Inventor of the Ferrograph, Practicing Oil Analysis 2004 [3] V. Westcott; Method and apparatus for segregating particulate matter US 4047814 A, 1977 [4] G. W. Stachowiak, A. Batchelor y G. B. Stachowiak: Experimental Methodos in Tribology, Ed. Elsevier, 2004 [5] D. Filicky, T. Sebok, M. Lukas, D. Anderson: LaserNet Fines - A New Tool for the Oil Analysis Toolbox, Practicing Oil Analysis 9, 2002
6. Referencia
La evidencia del mapeo de EDS resulta en un llamado de atención para establecer si el aceite también posee cloro, dado que en general todos los aceros de los componentes están preparados para resistir presión mecánica, pero no corrosión.
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MÉTODO DE PONDERACIÓN NUMÉRICA DE CONDICIÓN DE LUBRICANTES (MPNCL) Sergei Sidorenko, Damián Rodríguez, Esteban Lantos
Palabras Claves: Valor de Condición de Parámetro, Valor de Condición de Sistema, Mapa de Aceite, MPNCL Resumen Presentación de los parámetros de aceites lubricantes de equipos rotantes y estáticos en una escala universal adimensional 0 – 1 ( 0 – 100%) con correspondiente ponderación y ajuste, ofrece una plataforma de monitoreo de condición que simplifica el análisis de datos, unifica los criterios de evaluación y permite integrar la valiosa información tribológica al proceso de CBM (Mantenimiento Basado en la Condición) La metodología descrita en este trabajo forma parte del MPNCE (Método de Ponderación Numérica de Condición de Equipos), como parte integral del Proceso de Monitoreo de Condición de Equipos, que a su vez constituye una base de CBM y simplifica la planificación de las acciones de Mantenimiento
Desarrollo Etapa 1. Ingeniería- Parámetros de Evaluación La cantidad de Parámetros depende del grado de profundidad que se requiere para la evaluación y disponibilidad del laboratorio para hacer los análisis específicos. Las variables no deben ser ni redundantes, ni repetitivas Es recomendable que el trabajo de determinación de los Parámetros de evaluación y posterior desarrollo de la Matriz se desarrolla por un grupo de especialistas, conocedores de la máquina, procesos de lubricación y tribología en colaboración con el Laboratorio. A continuación se propone, a modo de ejemplo, una Lista de Variables a considerar para un turbogenerador: 1. Viscosidad Cinemática, cSt, (Valor Absoluto ASTM D445 e Índice de Viscosidad, ASTM 2270), 2. Total Acid Number (TAN), mg KOH, ASTM D664 (Valor Absoluto y Tendencia e. d. variación entre dos últimas muestras), 3. Espectroscopia de Infrarrojos, FTIR (Oxidación, Nitración, Sulfatación, Hollín), 4. Colorimetría MPC. 5. Espectroscopia de Emisión Atómica, EAA, ASTM D6595 (Aditivos), 6. Espectroscopia EAA, ASTM D6595 (Desgaste), 7. Espectroscopia EAA, ASTM D6595 (Contaminantes), 8. Formación de Espuma, ASTM D892 (Secuencia II), 9. Contenido de Agua, ASTM D95, 10. Código de Conteo de Partículas, ISO 4406, Rangos de tamaños >4 / >6 / >14 / >21 / > 38 / y /70 µm.
Peso Relativo Inicial de los Parámetros Para determinar el Peso Relativo Inicial llamado aquí el Coeficiente de Ponderación (CP) de cada componente, se aplica el Método de Priorización e-TRIBOS xxxx 2014
de Variables, desarrollado en base de una matriz, que tiene las siguientes características: - Tamaño N x N (ejemplo 10 x 10 variables) - Se determina la influencia de cada variable sobre los demás en una escala entre 0 y 2, donde 0 – no influye, 1- influye poco y 2influye mucho. (se puede usar escalas 0-5 ó 0-10). - La puntuación de cada variable (suma) en "X" significa su Influencia y en "Y" – su dependencia dentro del Sistema (Aceite), ver #
Parámetro 1 Viscosidad 2 TAN
3 FTIR (Oxid, Nitr, Sulf, Holl)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Influencia
CP
0
0
1
1
2
1
2
0
1
8
0.0842
1
1
1
0
1
1
1
0
0
6
0.0632
2
1
1
1
1
0
1
9
0.0947
0
1
1
1
0
2
8
0.0842
2
1
2
0
1
12
0.1263
1
0
0
2
7
0.0737
1
1
2
12
0.1263
0
0
12
0.1263
1
13
0.1368
8
0.0842
95
1.0000
1
1
1
1
1
1
2
2
1
0
1
1
1
1
1
2
1
1
1
2
2
1
2
2
2
2
1
1
1
2
1
2
2
1
2
0
1
1
1
1
2
2
0
0
Dependencia 8
10
11
11
9
15
10
10
1
4 Colorimetria MPC
5 Espectrom. Aditivos
6 Espectrom. Desgaste
7 Espectrom. Conatmin 8 Espuma
9 Contenido de agua 10 Cod ISO 4406
10
Tabla. - El "Peso Inicial" (CP) de cada variable es proporcional a su Influencia en el Sistema. Nota: En este ejemplo se puede observar que los Parámetros como el Contenido de Agua, Aditivos y Contaminantes son factores de mayor influencia sobre la Condición de aceite. En cambio los Parámetros como Contenido de elementos de Desgaste, y Oxidación, son altamente dependientes de otros factores.
Además hay que tener en cuenta:
∑ CP N
I
=1
[1]
I =1
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Para los Parámetros compuestos, el Peso Relativo Inicial de Subparámetros, llamado Factores de Peso (FP's) se determinan de manera simplificada o usando algún criterio que propone el Grupo MPNCL. Por ejemplo para el Parámetro "Código ISO 4406" compuesto de 6 Subparámetros, si las muestras toman después de filtro, está claro, que las partículas más grandes causan más daño a la máquina que las Factor de Grupo pequeñas. De ahí sale su Peso FP >4 0.0231 valor FP reflejando este >6 0.0463 aspecto: > 14
0.0810
> 38
0.2500
> 21 > 70 Σ
0.1366
E. d. la fórmula para para el Subparámetro de TAN abs seria: VCSPTANabs = -2*(TAN) +1.2 [ 3 ] Siendo: TAN – el Valor en mg KOH determinado por el laboratorio. Ejemplo 1. Con los límites establecidos determinar el Valor de Condición de Subparámetro TAN, si el valor arrojado en análisis de laboratorio fue de 0.28 mg KOH. Solución: Con la fórmula de la Curva de evaluación determinemos el Valor de Condición: VCSPTANabs = -2*(0.28) +1.2 = 0.64.
∑ FP M
0.4630
1.0000
(K )
=[2]1
K =1
Curvas de Evaluación Los Valores de Condición de los Subparámetros, Parámetros y del Sistema (aceite) se presentan en escala universal adimensional entre 0 y 1 (0 a 100%), que permite su fácil e instantánea interpretación, según la siguiente tabla: Nivel de Alerta
Valor de Condición
Código
0 1 2 3 4
> 0.8 > 0.6 / < 0.8 > 0.4 / < 0.6 > 0.2 / < 0.4 < 0.2
Muy bueno Bueno Regular Alerta Peligro
Para transformar los Parámetros de aceite (Sistema) en valores adimensionales en escala 0-1 se usarán las Curvas de Evaluación, construidos previamente por el Grupo de Trabajo del Proyecto MPNCL. El Grupo consensua los "límites" para cada Parámetro o Subparámetro de "0"– condición inaceptable, y "1" – condición de excelencia. Por ejemplo para el Subparámetro TAN de aceite de un turbogenerador, los valores límite para la Curva de Evaluación serían los siguientes: VCSPTANabs =0, si TAN ≥ 0.6 y VCSPTANabs =1, si TAN ≤ 0.1. La Curva de Evaluación tendrá el aspecto: VCSP 1
TAN ABS
Comentario: El Número de Acido de aceite se encuentra en Condición segura. Código de Condición: "Bueno". NOTA: En este ejemplo al Número de Acido de aceite se le asigna el status de un Subparámetro, por que el Parámetro "TAN" se evalúa por dos condiciones: - Valor absoluto (mg KOH determinado por el análisis), VCSPTANabs y - Tendencia (incremento durante un periodo estándar, (1000 hs de marcha), VCSPTAN∆
Entonces supongamos que los límites para el Subparámetro de tendencia de TAN serían los siguientes: VCSP TAN∆ = 1, cuando variación de TAN en 1000 hs es ≤ a 0, VCSP TAN∆ = 10, cuando variación de TAN en 1000 hs es / +0.4
Nota:Para los Subparámetros o Parámetros donde se valorizan las tendencias se recomienda utilizar períodos entre muestras no menores a 500 hs, ya que el resultado de análisis del Laboratorio puede contener un porcentaje de dispersión (error) y normalizar este valor sobre la base de tiempo pequeño puede maximizar el error de cálculo.
Ejemplo 2. Determinar el Valor de Condición de Subparámetro VCSP TAN∆ , siendo el valor arrojado por el último análisis = 0.28, el penúltimo = 0.14 (mg KOH) y el intervalo entre los análisis de 720 hs. Solución: Para los límites establecidos arriba, la Curva de Evaluación de TAN∆ sería: TAN TENDENCIA
VCSP
1
0.8
0.8
0,64
y = -2.5x + 1
0.6
0.6 y = -2x + 1.2
0.4
0.4 0.2
0.2
0
0 0.1
0.2
0.3 Fig.
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1
0.4
0.5
0.6 TANabs
0
0.1
0.2
0.3
TAN∆
0.4
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Para calcular el Valor de Condición tenemos que normalizar el valor de tendencia sobre base de tiempo de 1000 hs, ya que el intervalo entre los análisis es de 720 hs:
[ TAN∆ ]. = ABS (0.28 − 0.14)× 1000 = 0.194
720
Ahora podemos determinar el Valor de Condición de Subparámetro:
VCSPTAN∆ = 1 − 2.5 × 0.194 = 0.5150 Las Curvas de Evaluación en su mayoría pueden ser lineales (como en los ejemplos de TAN), pero también pueden ser: - Lineal asimétrica o simétrica: VCSP
Viscosidad
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0
13
- Parabólica:
14
15
cSt 16
Vis cosi dad
VCSP 1.0
0.8
0.6
Y
= 1 − 100
× (1 −
Vx ) V 0
2
0.4
0.2
0.0 28
29
30
31
32
33
34
35
cSt 36
A modo de ejemplo veremos estas ambas opciones. Para la opción 1 el Valor de Condición de Parámetro TAN seria: VCPTAN = MIN(VCSPTANabs; VCSP TAN∆= MIN(0.64; 0.515) = 0.515 Para la opción 2 usaremos el Algoritmo de Ajuste: Recordemos que el concepto de Ponderación Inicial representa una distribución de “peso” para condiciones “ideales” de estado de aceite. Cuando alguno o varios Parámetros o Subparámetros se desvían de sus valores nominales por alguna razón, sus Valores de Condición y sus Calificaciones se bajan a medida que las prestaciones del Componente comienzan a afectar negativamente al desempeño de aceite dentro de la máquina. Para ponderar este efecto, el ajuste hace que el proceso de evaluación “minimiza” su “interés” en Parámetros, que se encuentran en buen estado, y hace que estos “pierden” su peso relativo. En cambio, los Parámetros en “mal estado” aumentan su peso dentro del Sistema.
- Otras Las Curvas de Evaluación no reflejan la evolución de un Parámetro a lo largo de su vida dentro del Sistema, sino determinan solo el Valor de su Condición. Etapa 2. Cálculos Podemos observar que en la lista que se elige para evaluar la condición de aceite, varios Parámetros son compuestos, e. d. se evalúan en función de Condición de sus Subparámetros, como hemos visto con el TAN en los ejemplos anteriores. Aquí donde entra en juego el concepto de ajuste de los Pesos Iniciales. El Algoritmo de ajuste permite “redistribuir” el “peso” de los Subparámetros, haciendo el énfasis sobre los puntos “problemáticos. El grupo de Proyecto MPNCL, junto con la lista de Parámetros de evaluación debe determinar las formas de ponderación de los resultados dentro de cada Parámetro compuesto. Los variantes son: - Asunción de la "peor condición" como el reflejo de estado del Parámetro, e. d. el Valor de Condición de "peor" Subparámetro se asuma como el Valor de Condición del Parámetro. - Ponderación de los Subparámetros en función de su Condición, e-TRIBOS xxxx 2014
De esta manera se acentúa la atención en Variables con mayor desvió, por lo que los Parámetros con “problemas” en algunos de sus componentes “bajan” su Valor de Condición y asociada con el su calificación. El ajuste dentro de un Parámetro se hace en 3 etapas: a) se divide el Factor de Peso inicial (FPS) de cada Subparámetro por su respectivo Valor de Condición (VCSP): FPS I , [ SI (VCSPi < 0.01, VCSPI = 0.01) ][ 4 ] VCSPI Nota: Como los valores VCSP pueden llegar a tener el valor “0” (que provocaría un error #¡Div/0! en la formula), se le impone una restricción para el valor mínimo. Si el Cálculo del Valor de Condición de Subparámetro da un número menor a 0.01, al VCSP se le asigna el valor 0,01 (solo para cálculos de reajuste de peso inicial, no para presentación de su Condición).
b) Se determina el Factor de Peso Ajustado de Cada Subparámetro: FPS I VCSPI FPSAI = N FPS ∑1 VCSPI I
[5]
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c) Se determina el Valor de Condición del Parámetro:
VCP = ∑ [ VCSPI × FPSAI N 1
] [6]
Grupo >4
1300
> 14
80
>6
> 21 > 38 > 70
Siendo: N- número de Subparámetros en consideración VCSPI–Valor de Condición de Subparámetro “I” FPSAI – Factor de Peso Ajustado del Subparámetro. Ejemplo 3. Determinar el Valor de Condición del Parámetro "Viscosidad" con siguientes datos: - Viscosidad Cinemática (análisis) = 30.2 sSt, (VG 32); - Factor de Peso Inicial de Subparámetro FPV = 0.6; - VCSPV = 0.6836 (obtenido de manera similar al TAN con su Curva de Evaluación); - Índice de Viscosidad (análisis) = 97, - Factor de Peso Inicial de Subparámetro, FPIV = 0.4; - VCSPIV = 0.3500;
Los resultados de cálculo se agrupan en la tabla: Tabla N° 4
Parametro
Valor
0.6
VCSP
0.6836
FP / VCSP 0.8777
FPA
0.4344
VCSP x FPA
Indice Viscosidad
30.2 97
0.4
0.3500
1.1429
0.5656
0.1980
VCP V
0.4949
Viscosidad
FP
0.2969
En este ejemplo se puede observar: - El Valor de Condición del Parámetro “Viscosidad” es igual a 0.4949 que lo califica como “Regular” - Ver como se modificaron los Factores de Peso de acuerdo a los valores de su Condición. El Índice de Viscosidad está más comprometido entre dos Subparámetros, por lo que su “peso” relativo dentro del Parámetro se aumentó de 0.4 a 0.5656. - En cambio el “peso” del Subparámetro “Viscosidad” se bajó, por el hecho de que este se encuentra en "mejor" Condición.
Ejemplo 4. Parámetro "ISO 4406" En este ejemplo los valores de análisis y los cálculos se agrupan en la siguiente Tabla:
e-TRIBOS xxxx 2014
690
Factor de Peso FP 0.0231
49
0.0810
Lim. Max # Partículas 320
128
40
42
20 10
16 8
VCSP Grupo 0.6365
FP / VCSP 0.0364
FPA 0.0022
0.7957
0.1366
0
13.6574
0.8227
0.00000
0.2669
1.7346
0.1045
0.02789
VCP NP
0.0520
0.2500
0.4630 Σ =1
0.2613
0.1573
0.9568
0.0035
0.00139
0.0463
0.515
0.0582
Resultado
0.0095
0.0576 Σ=1
0.00279
0.00488
0.01506
En este ejemplo podemos observar: - El Valor de Condición del Parámetro “ISO 4406” es igual a 0,052, por lo que su calificación es “Peligro” - El número de partículas del grupo “>21 µm ” sobrepasa el límite máximo establecido, por lo que su VCSP = 0. Sin embargo como hemos dicho arriba, en la operación de División (columna “FP / VCSP”) al VCSP se le asigna el número 0,01. Este Subparámetro, debido a su condición del código “Peligro” aumenta “peso” a de 0.1366 a 0.8227, lo que influye fuertemente sobre el resultado final del Valor de Condición del Parámetro. De manera similar se calculan los valores de Condición para los demás Parámetros de Aceite. Una vez determinados las Condiciones de todos los Parámetros, se determina el Valor de Condición del Sistema (Aceite), ó VCS, haciendo el mismo procedimiento de ajuste de Pesos Iniciales de los Parámetros (CP's). Etapa 3. Evaluación de Resultados. Mapa de Aceite Ahora con los datos obtenidos, podemos evaluar las Condiciones de cada componente de aceite, ya que los valores de Condición de Subparámetros VCSP's y valores de Parámetros simples reflejan el estado verdadero o Condición del componente, en función de los límites establecidos para las Curvas de Evaluación.
Agrupando los datos iniciales y resultados de cálculos en una tabla obtenemos el Mapa de Aceite:
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Parametro / VCSP VCP Valor Parám. Subparámetro Subparámetro Parámetro
Parámetro
Viscosidad Indice Viscos Valor Absoluto T endencia Oxidación Nitración Sulfatación Hollin
Viscosidad T AN
FTIR
Colorimetria MPC
MPC
P Espectr Zn Aditivos Ca Cu abs Cu ∆ Sn abs Espectr Sn ∆ Desgaste Pb abs Pb ∆ Fe abs Fe ∆ Si Espectr Na Contamin. T endencia Espuma Estabilidad T iempo Estab Agua
ISO 4406
H2O
> 4 mm > 6 mm >14 mm >21 mm >38 mm >70 mm
30.2 97 0.28 0.194 0.07 0.05 0.04 0.04
0.6836 0.3500 0.6400 0.5150 0.4167 0.5833 0.6667 0.6667
39
0.4200
16 2 0 2.4 0.9722 1.6 1.6667 2.1 1.2500 3.4 1.9444 2.4 8.6 120 5 52
0.8000 0.5000 0.0000 0.4000 0.5139 0.6000 0.1667 0.4750 0.3750 0.1500 0.0278 0.7000 0.0000 0.7200 0.7500 0.7556
690 128 49 42 16 8
0.6365 0.7957 0.5150 0.0000 0.2613 0.2669
850
EVALUACIÓN FINAL, VCS CODIGO
0.4305
0.4949 0.5150
Viscosidad TAN
0.4648 FTIR
0.4200 0.0225
Colorimetria MPC
Espectr Aditivos
0.0733
Espectr Desgaste
0.0099
Espectr Contamin.
0.7460 0.4305
0.0520
0.0450 PELIGRO
Aquí con un simple vistazo podemos observar: - Los "puntos problemáticos" (rojos) de la carga de aceite son: Alta contaminación (ISO 4406 y Na), Alta tasa de desgaste (Sn∆ y Fe∆, en presencia de Pb - indicios de desgaste de cojinetes y transmisión), - Podemos asociar estos desvíos y plantear las acciones correctivos de mantenimiento: a) cambiar el filtro y hacer una purificación y deshidratación externa de aceite para estabilizar el código de limpieza y la tasa de desgaste, b) agregar o cambiar una parte de la carga (~20%) para refrescar el paquete de aditivos, que estabilizaría el contenido de metales como Cu y Fe que en presencia de agua actúan como catalizadores para aumento de acidez, que estabilizaría la tendencia de TAN. Simulando estas acciones en la tabla (celdas de color azul claro) y esperando una respuesta moderada podemos visualizar el resultado estimativo de nuestro plan de acción: e-TRIBOS xxxx 2014
Parametro / VCSP VCP Valor Parám. Subparámetro Subparámetro Parámetro
Parámetro
Espuma Agua
ISO 4406
Viscosidad Indice Viscosidad Valor Absoluto Tendencia Oxidación Nitración Sulfatación Hollin P Zn Ca Cu abs Cu ∆ Sn abs Sn ∆ Pb abs Pb ∆ Fe abs Fe ∆ Si Na Tendencia Estabilidad T iempo Estab H2O > 4 mm > 6 mm >14 mm >21 mm >38 mm >70 mm
18 2 1 2.1 0.5 1.6 0.5 2.1 0.5 3.0 0.5 1.2 4.3 120 5 52 380 600 90 36 21 8 4
MPC
30.25
0.7009
98
0.4000
0.18 0.154 0.07 0.05 0.04 0.04
0.8400 0.6150 0.4167 0.5833 0.6667 0.6667
36
EVALUACIÓN FINAL, VCS CODIGO
0.4800
0.9000 0.5000 0.2500 0.4750 0.7500 0.6000 0.7500 0.4750 0.7500 0.2500 0.7500 0.8500 0.4625 0.7200 0.7500 0.7556 0.7454 0.7265 0.9553 0.7321 0.6403 0.7973 0.8001
0.5388 0.6150
0.4648 0.4800 0.2641
0.3934
0.5990 0.7460 0.7454
0.6518
0.5008 REGULAR
Resumen: Beneficios del Método MPNCL El Método permite: - Visualizar los "problemas" que experimenta la carga de aceite y el equipo de manera sencilla, que facilita las asociaciones "Causa – Efecto", planificación de acciones correctivas y visualización de posibles resultados, - Integrar la información tribológica al proceso de determinación de Condición de Equipos, Procesos y Plantas, que usan la metodología MPNCE como base de Mantenimiento Basado en la Condición, Unificar criterios de evaluación de Condición Tribológica y hacer que la información sea entendible por todos los involucrados en el proceso de gestión de equipos. Bibliografía: Método de Ponderación Numérica de Condición de Lubricantes – artículo en: www\aatribologia.org.ar
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TRIBOLOGÍA de los AROS de PISTÓN - Lubricación y Fricción Roberto J. Leonetti – Consultor Desgaste y Lubricación Motores de C.I.- www.tribomecanica.com.ar
Resumen Los aros de Pistón funcionan bajo condiciones tribológicas extremas. El aro y el cilindro están lubricados hidrodinámicamente en gran parte del recorrido del ciclo.Pero en el Punto Muerto Superior (PMS) el aro y cilindro poseen velocidad relativa casi nula, altas presiones de contacto y temperaturas superiores a los 300 grados. Solo la demora en desplazarse del aceite retenido entre las superficies de contacto de aro y cilindro (“squeeze film”) evita en el PMS el contacto metal-metal. La forma del perfil del aro debe maximizar esa retención de aceite y poseer un recubrimiento de alta resistencia a la abrasión para soportar los contactos metálicos cuando esa película de aceite se hace muy delgada. Los nuevos desarrollos en perfiles y recubrimientos han logrado aumentar la durabilidad y bajar la fricción en el sistema aro-cilindro. Las reducciones de fricción alcanzados fueron de hasta un 20% que significa una disminución del 1,5% el consumo de combustible del motor y 3g /km en la baja de emisiones de CO2.
Introducción El actual aumento de la eficiencia de los motores (mayores presiones de combustión), menores fricciones internas y reducción del tamaño (downsizing) son debido a las normas ambientales. El objetivo más importante es reducir las emisiones de CO2.
Lubricación Aros - Cilindro La reducción de la fricción se logra por mejorar la lubricación del aro disminuyendo los rozamientos. El espesor de la película de aceite depende del ángulo y el perfil del aro respecto al cilindro para crear el efecto cuña.
La perdida por fricción entre los aros y el cilindro es el mayor responsable individual de las pérdidas totales por fricción de un motor (aprox. un 24% del total). Las cargas y momentos que actúan sobre el aro producen una torsión que lo inclina con respecto al cilindro provocando fuerzas de roce elevadas en las áreas de contacto. La tensión mecánica o elástica del aro es necesaria para asegurar un contacto con el cilindro pero la verdadera tensión de “sellado” se obtiene por las presiones de la combustión que aplastan el aro contra la ranura y el cilindro.
La reducción de las perdidas por fricción de los aros es una prioridad para lograr menores consumos de combustible especialmente a bajas o medias cargas donde la mayoría de los motores operan normalmente.
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La alimentación de lubricante sobre el cilindro es por el salpicado de aceite desde el cojinete de biela. La tendencia a usar menor rugosidades en la superficie del cilindro y lubricantes de baja viscosidad para disminuir la fricción reducen la retención del lubricante en el cilindro dificultando la creación de la película de aceite. Página 15
Además los aros transfieren calor del pistón al cilindro (y de este al sistema de enfriamiento). Los motores “downsizing” con potencias específicas más altas generan más calor por unidad de superficie que debe ser transmitido desde el pistón al cilindro a través del aro, lo cual aumenta su temperatura y la dificultad de retener el aceite. Las presiones máximas de combustión actuales de 250 bares crean altísimas presiones del aro contra el cilindro. Conclusión: La película de aceite debe soportar mayores presiones de contacto con menor lubricante retenido. Los aros han sido siempre el elemento del motor con menor vida útil. Esto no es más aceptable. Deben sellar efectivamente y mantener un bajo consumo de aceite con la misma vida útil del resto de los componentes del motor sin necesidad de un recambio El espesor de película de aceite en el primer aro (el más comprometido) varía en las distintas etapas del ciclo del motor de acuerdo al ángulo de giro del cigüeñal. En el grafico adjunto se observa
que en el PMS alcanza un valor por debajo al que garantiza el no contacto metálico (3 veces las rugosidades promedios del aro-cilindro). En el PMS la presión del aro en contra del cilindro es máxima por la presión de la combustión que comprime el aro contra el cilindro, la lubricación hidrodinámica desaparece por las velocidades relativas nulas entre aro y cilindro y las temperaturas del cilindro escurren el lubricante. El contacto no es totalmente metal/metal por la acción del “squeeze film” que mantiene una película de aceite cuya capacidad portante es muy alta en cortos periodos (la viscosidad aumenta por las altas presiones).
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Pero el ¨squeeze film¨ no pude impedir algún contacto metal-metal que genera desgaste
abrasivo acumulativo en el PMS (TDC Top Dead Center) como muestra la foto adjunta. La naturaleza del desgaste es una combinación de la abrasión y la corrosión en las zonas de contacto desgarradas y expuestas a la condensación de los gases de combustión.
El apoyo y la presión de contacto de la cara de trabajo de los aros contra el cilindro deben ser uniformes en todo el perímetro para lograr un perfecto sellado. Por lo que debe conformarse a las deformaciones del cilindro y compensar las torsiones del propio aro. El desgaste del aro modifica su perfil y esto tendrá influencia en la creación de la película de aceite y la lubricación. Es crítico mantener la forma del borde inferior del aro en toda su vida para crear correctamente la cuña hidrodinámica en el ciclo de la combustión.
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un soliviantado del primer aro y su pérdida de sellados. Esto es usualmente reducido aumentando el volumen del 2do tabique y la luz entre puntas pero eso afecta la emisión de gases.
Los perfiles de los aros se diseñan para que la presión de contacto contra el cilindro este equilibrada con las presiones de sellado sobre el interior del aro y estén cercanos a los puntos de mayor presión hidrodinámica del lubricante.
RECUBRIMIENTOS Cromado Los recubrimientos de cromo aplicados por electrodeposición son usados en general en la cara del trabajo del primer aro y poseen una alta resistencia al desgaste. La baja adhesividad del cromo al lubricante puede crear un desgaste adhesivo severo en el cilindro (“peeling and polish”). El proceso de lapidado del aro cromado es crítico para mejorar la adhesividad del lubricante (wettability) al cromo para retenerlo. Con microfisuras en la superficie se mejoro la
Durante el ciclo de escape las presiones sobre el 1er aro (responsable del 70% del sellado) caen rápidamente pero las del tabiqué Nro.2 son retenidas entre los aros y pueden ser superiores a las del 1er tabique (ver círculo rojo). Esto produce e-Tribos Junio 2014
resistencia al “agarre” (scuffing) en aplicaciones bajo altas cargas. También la deposición de Página 17
Óxidos de Aluminio (Al2O3) en un proceso de multicapas mejoro la performance (CKS). Una evolución de este recubrimiento reemplazo el Oxido de Aluminio por micropartículas de diamante (GDC). Este Ultimo en aplicaciones con cargas extremas disminuyo sensiblemente el desgaste en el aro y en el cilindro. Desgaste relativo 120 de los 100 recubrimientos 80
60
Cilindro
40
Aro
20 0 Cromado
CKS
GDC
Estos nuevos revestimientos con contenido cerámico incrementa la resistencia al engrane y al mismo tiempo reducen el desgaste. Para la mayoría de las nuevas generaciones de motores los recubrimientos de cromo ofrecen un rendimiento suficiente. Spray Térmico (Thermal spray) Es un proceso donde el metal en polvo impacta sobre la superficie del aro a una temperatura moderada sinterizándose. Se emplean cuando existe alto riesgo de contacto metal/metal. Los materiales depositados (usualmente Molibdeno o cerámicas) soportan mejor el desgaste abrasivo que el cromado en el contacto metálico arocilindro. Pero las aplicaciones de Molibdeno se emplean cada vez menos por su baja adherencia y baja resistencia al desgaste catastrófico. Los materiales basadas en cerámica aun deben resolver el problema de su natural característica a ser quebradizas. PVD (Physical Vapor Deposition) Los recubrimientos por PVD (Physical Vapor Deposition) CrNx son aplicados en la superficie del aro mediante la vaporización e ionización del metal a aplicar. El metal ionizado es acelerado hacia la superficie y la recubre formando nitruros, carburos, óxidos, etc. Su espesor esta en el rango de los 40 micrones con alta dureza, tensiones de e-Tribos Junio 2014
compresión residuales moderadas y adhesión aceptable. Son resistentes al desgaste adhesivo (scuffing). Su espesor está limitado por las tensiones residuales que se crean . Recubrimientos DLC La nueva generación de motores con extremas potencias supera el límite de los anteriores recubrimientos por lo cual puede producirse alto desgaste abrasivo y fallas catastróficas en condiciones limites de servicio. Para estos casos se han desarrollado nuevos recubrimientos basados en la tecnología DLC (Diamond Like Carbon). Estos revestimientos alcanzan una temperatura límite de alrededor de 500°C y una excepcional dureza con buena resistencia a la adhesión, a la abrasión y al “agarre” más elevado que los otros revestimientos. El grafito de estos recubrimientos se deposita sobre el cilindro durante el funcionamiento en una delgada capa disminuyendo la fricción del sistema aro-cilindro. Esta es una de las razones de su bajo coeficiente de fricción. Durante un ocasional contacto “metal/metal” este film de grafito demora una falla catastrófica. Esta propiedad hace muy apropiado este revestimiento para motores de altas potencias específicas. Una limitación que debió superarse es el riesgo de delaminación cuando los espesores superaban unos pocos micrones. Las tensiones mecánicas por las deformaciones del cilindro y las tensiones internas en el recubrimiento sumadas a las diferencias entre los coeficientes de dilatación del recubrimiento y del material base del aro aumentaban el riesgo de delaminación con espesores superiores a 5 micrones. Para ello se recurrió a un recubrimiento compuesto por tres capas. - Una capa de adhesión de cromo muy delgada en la interface con el sustrato del material del aro - Una capa intermedia de tungsteno y carbono hidrogenado (tungsten and hydrogenated carbón) en la cual el carburo de tungsteno esta incrustado en forma de nano cristales. - La capa superior o de trabajo que es un DLC (Diamond Like Carbón) amorfo. El espesor de la capa superior es un 50% del total del recubrimiento para mantener bajo control las Página 18
tensiones residuales. La estructura consiste en una mezcla de grafito ( sp2) con fases de diamante (sp3). El espesor total de este recubrimiento puede alcanzar 10 micrones.
0,06 0,05 0,04
DLC
0,03
PVD
0,02
Cromado
0,01 0
Coeficiente de Friccion
Capa de adhesión de Cromo Capa Intermedia Capa de trabajo DLC 300
Estos recubrimientos con una dureza superficial entre 1800 and 3100 HV0.02 y un espesor del doble de los recubrimientos normales de DLC logro una significativa reducción del desgaste del aro en condiciones Tribológicas limites. Su coeficiente de fricción es inferior a los otros recubrimientos existentes en el mercado y su desgaste menos de la mitad en condiciones de lubricación limite. Estos recubrimientos siguen en desarrollo y deben combinarse con perfiles de aro apropiados para evitar que las diferencias de la dilatación del recubrimiento y del material base del aro provoquen distorsiones que generen un contacto no uniforme en el cilindro.
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250 200
DLC
150
PVD
100
Cromado
50 0
Resistencia al Desgaste Relativo
Bibliografia: -Piston Ring Coatings and Engine Friction-Federal Mogul Burscheid -Piston Ring Coatings-Engine Technology International – September 2013 -Kolbenringhandbuch-Goetze -Modelling of Piston Rings Wear Behaviour-Mahle COFAP
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CENIZAS SULFATADAS, RECOMENDACIÓN DE FABRICANTES Y ENSAYOS ACTUALIZADOS Esteban Echeverría – Profesor de Química Aplicada- Ingeniero en Lubricación -MOBIL
Resumen Muchas recomendaciones de fabricantes de grandes motores para gas y motores diesel exigen para los mismos una cantidad determinada de Cenizas Sulfatadas como parte de sus especificaciones para los aceites lubricantes. Introducción Es así que, por ejemplo para los motores a gas según las recomendaciones de Waukesha, Wartsila, Cooper Superior y CAT se clasifica a los lubricantes por la nivel de cenizas sulfatadas, de la siguiente manera, baja ceniza, de cenizas medias y altas cenizas, entre otras especificaciones. (Ver los manuales de los fabricantes)
Motores de Gasolina y Diesel con Aftertreatment Devices Limites
Propiedades Cenizas Sulfatadas, % m/m
C1-08
C2-08
≤0.5
≤0.8
C2-08 C4-08 ≤0.8
≤0.5
Heavy-Duty Diesel Engines Limites Propiedades
Cenizas Sulfatadas, % m/m
Motor Waukesha ( NGE Natural Gas Engines )
También en las especificaciones europeas ACEA para motores a gasolina, diesel ligeros y diesel pesados en su punto 1.6 exige un valor determinado de cenizas sulfatadas, analizadas según la norma ASTM D 874, según se observa en el gráfico siguiente
E4-08
E6-08
E7-08
E9-08
≤2.0
≤1.0
≤2.0
≤1.0
Si hacemos un poquito de historia también se utilizaban los valores de cenizas sulfatadas para los motores Detroit Diesel de dos tiempos que también recomendaban un máximo de 1 % de cenizas para sus motores (Nivel API CF II ). La primer pregunta que nos podemos hacer es ¿que son las cenizas sulfatadas?
Motores de Gasolina y Diesel
"Se denomina cenizas sulfatadas a los residuos que quedan luego someter a un tratamiento de calentamiento y calcinación al lubricante y posterior tratamiento con ácido sulfúrico."
Limites Propiedades A1/B1-08 A3/B3-08 A3/B4-08 A5/B5-08 Cenizas Sulfatadas, % m/m
≤1.3
≤1.5
≤1.6
≤1.6
El nombre de "sulfatadas " proviene entonces del tratamiento que se realiza por el agregado de ácido sulfúrico al que es sometido el aceite. Cuál es la reacción que ocurre allí? Los aceites tienen aditivos órgano metálicos y en sus moléculas se pueden encontrar metales
e-Tribos Junio 2014
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bivalentes (se llama valencia al poder de combinación de los elementos) que son: Magnesio (Mg), Calcio (Ca), Bario (Ba) llamados alcalinos térreos y además Cinc (Zn). Por ejemplo, los metales bivalentes tienen dos cargas positivas que se combinarán con el anión sulfato (del ácido sulfúrico) que tiene dos cargas negativas, formando así las " sales sulfatadas " correspondientes: sulfato de magnesio, sulfato de calcio, sulfato de bario y sulfato de cinc. Todas estas sales de sulfato son de coloración blanca y en algunos casos una ligera coloración amarilla. Muchos aceites utilizados en motores de combustión interna se elaboran con aditivos detergentes que contienen dichos metales alcalinos. Vemos abajo en estos esquemas, una pequeña reseña de lo que otrora era el método gravimétrico que se realizaba en los laboratorios.
"En realidad este ensayo de laboratorio de cenizas sulfatadas es histórico, y ya no se utiliza más ", pero como comentamos anteriormente muchos fabricantes de motores y las normas ACEA siguen requiriendo el valor específico de cenizas." Porque no se utiliza más el método viejo de análisis 1- Este ensayo de cenizas sulfatadas es un método de laboratorio, gravimétrico (por pesada) que demanda 6 horas de trabajo. Como comentamos, este análisis es utilizado para cuantificar el nivel de aditivos metálicos que se encuentran en el lubricante. Este análisis consiste en pesar una cantidad determinada de aceite y quemar la muestra en un crisol a 800°C. Una primera etapa de la calcinación de la muestra quedarán los residuos carbonosos y en una segunda etapa del análisis se quema la muestra a 400°C y quedarán solo las cenizas sulfatadas. El residuo remanente se expresa en % p. 2- Lo que se realiza actualmente es el ensayo en un equipo de plasma ICP, o en un equipo de absorción atómica o equipos similares en el que se determina directamente los metales arriba mencionados y se les llaman "Cenizas sulfatadas calculadas", esto se hace con el valor del porcentaje del metal obtenido y se pasa a una fórmula estequiométrica y se contabiliza el calcio, el magnesio y otros como si estuvieran tratados con el ácido sulfúrico.
Mechero utilizado para realizar las calcinaciones
Equipo de ICP Plasma
Actualmente existen muchos aditivos utilizados en la formulación de los aceites que contienen aditivos sin cenizas, según la aplicación del lubricante, principalmente para lubricar motores de dos tiempos. e-Tribos Junio 2014
Las Cenizas Sulfatadas son usadas para indicar la concentración de aditivos en aceites nuevos
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Pero debemos conocer la importancia de esta dato, ya que, como mencionamos anteriormente es un valor exigido como especificación de las normas europeas ACEA y además de muchos fabricantes de motores de gas que recomiendan una cantidad máxima de cenizas sulfatadas, ya que un exceso de las mismas pueden traer aparejado una formación de depósitos en distintas partes del motor. Pero a su vez, es importante que la cantidad de cenizas estén balanceadas en la formulación del lubricante, ya que las mismas son fundamentales para la protección de asiento de válvulas y así evitar la recesión de las mismas. El valor de cenizas sulfatadas es de mayor importancia para la protección de las válvulas de escape en donde las temperaturas son extremadamente altas y dependen de cada motor y el tipo de combustible utilizado. Existe una relación entre carga y vida útil de las válvulas. Mayores cargas acortarán la vida útil de las válvulas. Los aditivos detergentes son moléculas polares, y los mismos le otorgan al lubricante una reserva alcalina llamada TBN (Número Total de Basicidad medida en mg KOH / gr de aceite).
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Estos aditivos detergentes son compuestos órgano metálicos y como comentamos anteriormente tienen en sus moléculas átomos de metales como el Calcio, Magnesio, Bario, Cinc y dichos metales formaran las “cenizas sulfatadas “, cuando agregamos ácido sulfúrico en el método clásico. Podemos decir entonces que hay una relación entre las cenizas sulfatadas y el famoso TBN, pero esta relación puede no ser lineal. Estos compuestos han tenido mucho desarrollo en la industria de los aditivos, brindando protección a los distintos motores y son parte fundamental de la formulación de los aceites lubricantes, ya que deben estar en una proporción exacta, ya que un exceso de aditivo hasta puede ser perjudicial para un motor. Son muy utilizados distintos compuestos como por ejemplo sulfonatos de metales alcalinos, fenatos metálicos alquilatados, y entre otros compuestos. Los metales alcalinos más utilizados son bario, calcio y magnesio. Por lo tanto y como final, dejemos que los especialistas formulen los aceites en conjunto con los fabricantes de motores para que los mismos estén bien lubricados y cumplan las distintas normas que cada lubricante debe cumplir para el servicio adecuado y así llegar a la alta confiabilidad que tienen hoy en día los motores modernos.
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Jornadas de Tribología 2014 15 y 16 de Mayo de 2014
LA ASOCIACION ARGENTINA DE TRIBOLOGIA realizo las Jornadas de Tribología 2014 los días 15 y 16 de Mayo de 2014 en
Bahía Blanca.
Este evento tecnológico estuvo dirigido a profesionales de empresas dado que fue una serie de ponencias de especialistas en distintas ramas de la tribología con espacio para consultas y discusión.
11:00
Cronograma de Actividades Jueves 15 de Mayo Viernes 16 de Mayo Carlos Romano OEFIS.A.: Control de 8:45 Apertura de Jornadas Contaminantes Lab. Dr. Lantos-Interpretación de análisis de lubricantes 9:00 - Naturaleza y Fuentes de Contaminación Preguntas 9:40 - Niveles de contaminación: Normas ISO Omar Morelli, Argentec Química-aditivos 9:55 4406,4407, 4405 y 16889 - Análisis de fallas: Abrasión, Fatiga, Preguntas 10:35 Adherencia, Corrosión. 10:50 Intervalo para Café - Medición de Eficiencia Filtrante: Eficiencia Nominal, Absoluta, Factor Beta. Sebastian Laino, Mar del Plata-Recuperación de cojinetes 11:20 - Teoría de la Filtración: Principios Fundamentales. - Ensayos de filtros: Punto de Burbuja, MultiPass test.
13:00
14:30
Intervalo para Almuerzo 12:15 - Ataque Químico: Contaminación por agua. 13:35 Niveles aceptables. Equipos 14:15 Deshidratadores. 14:30 - Circuitos y Aplicaciones. - Recomendaciones de Código ISO en Circuitos Hidráulicos Y Lubricantes.
16:00 16:30 17:15
12:00
15:10
Intervalo para Café
15:50 - Eficiencias Filtrantes Recomendadas en 16:20 Cada Aplicación. 17:00 17:15 Asamblea de la Asociación Argentina 17:55 de Tribología 18:10
Preguntas
Intervalo para Almuerzo Alfredo Eilenberguer, Molysil Arg- Lacas Lubricantes Preguntas Juan Cesanelli, Shaeffler Argentina- rodamientos Preguntas
Intervalo para Café Rafael Camalli, Klüber Lubrication – Lubricantes especiales Preguntas José Luis Piña, Estudio Piña-transmisiones mecánicas Preguntas
Cierre de Jornadas
Asociación Argentina de Tribología es una entidad abierta a todos aquellos que estando relacionados con la tribología desean contactarse y compartir conocimiento y experiencias con otros expertos en el tema. Si es de tu
aatribologia@gmail.com www.aatribologia.org.ar en la solapa “Contacto”.
interés unirte a la Asociación por favor envíanos tu email a
de la pagina WEB
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