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IMPLEMENTACIÓN DEL EQUIPO PARA LA REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE PENETRACIÓN POR CONO EN GRASAS LUBRICANTES
DANIEL MAURICIO HÉNDEZ PUERTO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C.
2002
IMPLEMENTACIÓN DEL EQUIPO PARA LA REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE PENETRACIÓN POR CONO EN GRASAS LUBRICANTES
DANIEL MAURICIO HÉNDEZ PUERTO
Proyecto de Grado
Asesor Rafael G. Beltrán
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE MECÁNICA BOGOTÁ D.C.
2002
Nota de aceptación: Firma del Director del Proyecto Firma del Jurado Bogotá D.C, 15 de enero del 2003
A mis padres Inés Puerto y Pedro Héndez por su apoyo incondicional y participación activa en todos los momentos importantes de mi vida, por creer y confiar en mí siempre. Su ayuda es un aporte valioso para mi formación tanto académica como personal. A mis hermanos Javier Enrique, Pedro Andrés y Norma Rocio con quienes siempre he podido contar y siempre han estado a mi lado para apoyarme y aconsejarme. A mi hija Juliana, la alegría más grande que la vida me ha dado, por ser mi inspiración y mi motivación para hacer las cosas bien y ser cada día una mejor persona. Te amo. A Mariangela, por todo lo que hemos vivido juntos, por compartir tu vida conmigo y por brindarme todo tu apoyo, tu comprensión y tu amor. A mis amigos, Andrés G. Prieto, Ana María Perdomo, Oscar J. León y Andrés Insuasty por su colaboración y apoyo. Por su amistad sincera e incondicional durantes todos estos años, gracias.
CONTENIDO
Pág.
INTRODUCCIÓN 1
2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 4
3. MARCO TEÓRICO 6
3.1 GRASAS LUBRICANTES 6
3.2 ESPENSANTES 8
3.3 ACEITE BASE 12
4. SELECCIÓN DE LA GRASA 13
4.1. CONSISTENCIA 13
4.2 TIPO DE ESPESANTE 13
4.3. VISCOSIDAD DINAMICA 13
4.4 FACTOR DE VELOCIDAD 13
4.5 TEMPERATURA DE TRABAJO 13
4.6 ADITIVOS 13
4.7 SISTEMA DE APLICACIÓN 14
5. DESCRIPCIÓN DE TERMINOS ESPECIFICOS EN EL CONTEXTO
DEL PROYECTO 16
5.1. PENETRACIÓN DE GRASA LUBRICANTE 16
5.2. TRATAMIENTO DE LA GRASA. 16
5.3. PENETRACIÓN DE GRASA NO TRATADA. 16
5.4. PENETRACIÓN DE GRASA TRATADA. 16
6. METODO ASTM D217 – METODO ESTANDAR PARA LA MEDICION DE
LA PENETRACIÓN POR CONO EN GRASAS LUBRICANTES. 17
6.1. CONSISTENCIA DE LAS GRASAS 17
6.2. LUBRICACIÓN POR GRASA EN BLOQUE 17
6.3. DETERMINACIÓN DE LA CONSISTENCIA DE UNA GRASA 17
6.4. ALCANCE DEL MÉTODO 19
6.5. SIGNIFICADO Y USO DEL MÉTODO 20
7. APLICACIÓN 21
8. DESARROLLO DEL PROYECTO 26
8.1. MECANIZADO DE LAS PIEZAS 26
8.2. COSTOS DEL MECANIZADO DE LAS PIEZAS 30
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Penetración trabajada - Grado NLGI
19
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Base del Penetrómetro con el dispositivo de centrado del
recipiente y el recipiente para la grasa.
26
Figura 2. Tratador de la grasa. Recipiente, tapa y embolo con agujeros. 27
Figura 3. Tratador de grasa ensamblado. Accionamiento del embolo. 27
Figura 4. Cortador para grasas en bloque. 28
Figura 5. Baño de agua con el termómetro que permite el control de la
temperatura de la muestra. 29
Figura 6. Baño de aire para grasas en bloque. 29
LISTA DE ANEXOS
Pág.
Anexo A. Guías de laboratorio 35
Anexo B. Planos 44
Anexo C. ASTM D217-82. Standard Test Methods for CONE
PENETRATION OF LUBRICATING GREASE
57
INTRODUCCIÓN La grasa es una mezcla que puede ser un semifluido o un sólido de un lubricante,
un espesante o coagulante y varios aditivos. El lubricante puede ser aceite mineral
(petróleo), aceite sintético o un aceite vegetal. El espesante o coagulante da a la
grasa sus características de consistencia, la capacidad de soportar altas
temperaturas, humedad, ácidos y otros tipos de contaminantes. Los espesantes
pueden ser jabones o materiales orgánicos e inorgánicos que no contienen jabón.
Las grasas se denominan lubricantes semisólidos ya que estas, por sus
características, ocupan un lugar intermedio entre los aceites y los sólidos
lubricantes; ellas poseen cualidades tanto de uno como de otro, pero por su
naturaleza y características reológicas se diferencian significativamente.
Part8iendo de sus características reológicas, las grasas lubricantes se definen como
el material lubricante que bajo la acción de pequeñas cargas, en condiciones
comunes de temperatura, presentas propiedades de un cuerpo sólido, y al alcanzar
la carga aplicada adquieren un valor crítico; comienza a deformarse plásticamente
hasta fluir igual que un líquido, recobrando nuevamente las propiedades de
cuerpo sólido al suprimirse la carga actuante.*
La función de una grasa es permanecer en contacto con las superficies y lubricarlas
sin gotear o derramarse por la acción de la gravedad, sin salpicar por la acción de
una fuerza centrifuga y sin ser desplazada bajo presión. Su principal requerimiento
* MARTINEZ, Francisco. La tribología, ciencia y técnica para el mantenimiento. México: Limusa Noriega Editores, 1996. p. 130.
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práctico es el de mantener sus propiedades dentro del rango de temperaturas para
el cual fue diseñada.
Así mismo la grasa debe fluir por todas las partes de la maquina que lubrica tanto
como se necesite, sin aumentar significativamente la potencia que el aparato
requiere para trabajar, principalmente en la arrancada.
Algunas de las propiedades físicas más relevantes que se tienen en cuenta en el
proceso de selección de una grasa son:
• Consistencia: Esta determinada por el grado NLGI. Los más comunes son los
grados 1, 2 y 3 los cuales son valores intermedios ya que la calificación va desde
el grado 000 hasta el grado 6.
• Tipo de espesante: Los más utilizados son los de litio, sodio y calcio.
• Viscosidad dinámica: Se especifica de acuerdo a la velocidad y temperatura de
operación.
• Temperatura de trabajo: Es función del grado NGLI de la grasa y del tipo de
jabón de la misma.
La característica más importante de una grasa es su rigidez o consistencia, es decir,
su resistencia a la deformación debido a una fuerza aplicada. Una grasa
demasiado dura podría no cubrir todas las áreas que requieren ser lubricadas,
mientras que una muy liquida se escurriría fácilmente. La consistencia de la grasa
depende del tipo y la cantidad de espesante que tiene, así como de la viscosidad de
su aceite base.
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La grasa generalmente se utiliza en la lubricación de elementos tales como
cojinetes de fricción y antifricción, levas, guías, correderas y piñonería abierta.*
La consistencia de las grasas se mide por medio del penetrómetro de cono
establecido por la ASTM. El método consiste en dejar caer un cono pesado de metal
a la superficie de la grasa y medir, en décimas de milímetro, la profundidad de la
penetración del cono.
* ALBARRACIN, Ramón. Lubricación industrial y automotriz. Medellín: Copservicio, 1985 .p. 151
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2. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Actualmente el laboratorio de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes,
en el área de lubricación, cuenta con el equipo necesario para realizar la medición
de algunas propiedades muy importantes de los lubricantes.
Una de las prácticas de laboratorio que se pueden realizar actualmente es la de
Medición del Punto de Flash de un lubricante. El punto de flash de un lubricante
es la temperatura mínima en la cual el lubricante emite vapores que pueden
provocar ignición cuando una pequeña llama se hace pasar sobre al superficie del
mismo. Esta práctica se realiza según el método estándar especificado en la norma
ASTM D92.
Conocer el punto de flash de los lubricantes es importante para tomar medidas
preventivas y evitar posibles accidentes por inflamación. Igualmente es
importante ya que indica la temperatura en la cual se inician las pérdidas del
mismo por evaporación.
Otra práctica de laboratorio con que se cuenta es la Medición del Punto de Goteo
de una grasa. El punto de goteo de una grasa es aquella temperatura mínima a la
cual una gota de grasa fluye en estado liquido. El punto de goteo no se considera
como determinante del desempeño de una grasa, a menos que las temperaturas de
operación se acerquen a este valor, debido a que hay otros factores también
influyen en el desempeño a alta temperatura. Sin embargo es un indicador útil de
control de calidad durante la manufactura del producto. La metodología empleada
para la realización de esta prueba se basa en un ensayo no estándar que fue
adaptado de la revista Lubrication Engineering.
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Por último, el laboratorio cuenta con el montaje necesario para realizar la práctica
de Medición de la Viscosidad mediante el Viscosímetro Saybolt. Esta práctica
permite determinar la viscosidad SSU (Segundos Saybolt Universal) y por medio
de una tabla, también se puede determinar la viscosidad en cSt (centiStokes). La
prueba se basa principalmente en la utilización de la tabla de Temperatura vs.
Viscosidad de la ASTM.
Como se mencionó anteriormente, la consistencia de las grasas es una de las
propiedades más importantes. Una grasa que no posea la consistencia adecuada
para sus condiciones de trabajo puede generar consecuencias indeseables como
disminución de la vida útil de las piezas de una máquina debido a que la grasa no
fluye por todas las piezas de la maquina (consistencia muy alta) o a que se escurra
fácilmente por el movimiento de las piezas o por la acción de la gravedad
(consistencia muy baja). Una grasa de consistencia muy alta también puede
generar aumento en el consumo de energía de la máquina.
El laboratorio de Ingeniería Mecánica de la universidad no cuenta con el equipo
necesario para realizar esta práctica, la cual es de gran importancia en el desarrollo
del Curso Sistemas de Lubricación.
Por lo anterior se decidió hacer un valioso aporte al Laboratorio del Departamento
de Ingeniería Mecánica en el área de la lubricación con la implementación del
equipo necesario para la realización del ensayo de penetración por cono en grasas
lubricantes con las especificaciones determinadas por el método de prueba
estándar ASTM D217, que permite determinar y clasificar las grasas según su
consistencia.
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3. MARCO TEÓRICO
3.1. GRASAS LUBRICANTES La grasa es un producto que va desde sólido hasta semifluido y se obtiene por la
dispersión de un agente espesante (jabón metálico) en un liquido lubricante (aceite
base). La composición de una grasa puede definirse como:
El aceite le confiere a las grasas sus características lubricantes y el espesante le da
determinadas propiedades físicas tales como la capacidad de soportar altas
temperaturas, humedad, ácidos y otros tipos de contaminantes. Se podría decir
que una grasa es una especie de esponja, saturada de aceite, que a medida que
trabaja lo dosifica sobre el mecanismo que esta lubricando.
Las grasas poseen coeficientes de fricción más bajos que los mismos aceites que se
utilizan en su fabricación, por lo tanto los equipos lubricados con grasas consumen
menos energía que los lubricados con aceite.
− Adhesividad − Antioxidantes − Anticorrosivos − Antidesgaste − Para extrema
presión − Colorantes − Antiespermante − Estabilizador
− Mineral − Sintétic
Aceite base
− Jabón (calcio, sodio, litio, etc.)
− Sin jabón (arcilla, gel)
Agente espesante
Aditivo
GRASA
+ +
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El coeficiente de fricción sólida de los aceites aumenta considerablemente cuando
aumenta la temperatura. Este fenómeno también ocurre a las grasas pero en un
grado menor. El consumo de potencia de un equipo se refleja en la temperatura de
operación del mismo, por lo cual una grasa seleccionada adecuadamente puede
reducir tanto el consumo de energía del equipo, como el desgaste de sus piezas.
La propiedad más importante que debe tener una grasa es la de ser capaz de
formar una película lubricante lo suficientemente resistente como para separar las
superficies metálicas y evitar el contacto metálico.*
Un gran número de rodamientos se lubrican con grasa debido a que permiten
mayores frecuencias entre relubricaciones y menores costos por consumo de
lubricantes. Por lo general se emplea grasa cuando se presentan uno o varios de los
siguientes factores.
− Un medio ambiente bastante contaminado
− Altas o bajas temperaturas de funcionamiento
− Que se requieran prolongadas frecuencias entre relubricaciones.
− Que el factor de velocidad este dentro del rango establecido.
Para que la grasa cumpla adecuadamente sus funciones, debe tener las siguientes
propiedades.
− Consistencia requerida
− Buena resistencia a la oxidación
− Punto de goteo adecuado
* ALBARRACIN, Ramón. Lubricación industrial y automotriz. Medellín: Copservicio, 1985. p. 152.
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− Factor de velocidad mayor que el del rodamiento
− Estabilidad mecánica
− Buenas propiedades antidesgaste
− Propiedades de extrema presión, si se requieren
− Viscosidad adecuada del aceite base
3.2. ESPESANTES
Una grasa se fabrica a partir de una base metálica (jabón), ya sea de calcio,
aluminio, litio, sodio, etc. que es sometida a un proceso de calentamiento en donde
se le añaden ácidos grasos o hidróxidos. Del proceso anterior se obtiene el
espesante, el cual se mezcla con el aceite en un agitador. * La mezcla resultante se
calienta de nuevo. Durante la reacción se producen glicerina y agua, la cual se
evapora, dejando solo la glicerina que ayuda a que el espesante se solubilice en el
aceite. Una vez ocurrida la solubilización, se enfría la mezcla hasta que el espesante
queda cristalizado. Dependiendo de la velocidad del enfriamiento y del medio en
el cual se llevo a cabo, se obtiene la estructura de la grasa, la cual puede ser de fibra
corta, media o larga. **
* ALBARRACIN, Ramón. Lubricación industrial y automotriz. Medellín: Copservicio, 1985. p. 152. ** ALBARRACIN, Ramón. Lubricación industrial y automotriz. Medellín: Copservicio, 1985 .p. 152.
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La fabricación de la grasa consta de los siguientes procesos.
Las propiedades de los espesantes dependen de las bases metálicas (jabones)
utilizadas. Las bases metálicas son las que dan las características físicas que se
quieren lograr en las grasas.
El espesante es el que le confiere a las grasas propiedades tales como resistencia al
agua, capacidad de sellar y de resistir altas temperaturas sin variar sus
propiedades ni descomponerse.*
3.2.1. Tipos de espesantes.
3.2.1.1. Sodio.
Su contextura es fibrosa y muestran buen rendimiento a temperaturas
moderadamente altas, soportan mayor vibración y agitación sin sufrir ninguna
alteración o separación. Poseen buena resistencia a la oxidación.** La Temperatura
de goteo es de aproximadamente 170°C, para un contenido de jabón metálico entre
14 y 18%. Se recomiendan para una temperatura máxima de operación continua
* ALBARRACIN, Ramón. Lubricación industrial y automotriz. Medellín: Copservicio, 1985. p. 152. ** ALBARRACIN, Ramón. Lubricación industrial y automotriz. Medellín: Copservicio, 1985 .p. 159.
− Se adiciona aceite hasta lograr la penetración deseada
− Agitación mecánica lenta − Adición de colorantes y aditivos
− Saponificador o Autoclave − Presión de 2 a 6 bares − Temperatura entre 80° y 250°C
Preparación del jabón (saponificación)
− Calentamiento progresivo y controlado − Se añade aceite según la clase de grasa − Extracción de vapores − Ajuste de alcalinidad
Cocción
Enfriamiento
− Homogeneización y vacío − Molino coloidal − Laminación
Desaireación y alisado
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comprendida entre 0° y 80°C. Se descomponen fácilmente con el agua. Presentan
un buen desempeño en la lubricación de rodamientos de motores eléctricos. Las de
baja consistencia se utilizan en plantas textiles debido a que se pueden remover
fácilmente del producto terminado mediante procesos de lavado.
3.2.1.2. Calcio.
Contienen agua de hidratación la cual utilizan para su estabilidad. Son resistentes
al efecto del lavado por agua, sin embargo, no la absorben y esto hace que sus
propiedades anticorrosivas sean deficientes y sea indispensable recubrir
completamente los mecanismos lubricados. Se recomienda donde las condiciones
de vibración y agitación no sean criticas. Se emplean entre –10° y 55°C para un
contenido de calcio entre 21 y 25%. Las frecuencias de relubricación son cortas.
3.2.1.3. 12-hidroxyesterato de calcio.
No utilizan agua de hidratación y se recomiendan para aquellas aplicaciones
donde la grasa puede estar accidentalmente en contacto con alimentos. Se utilizan
hasta temperaturas máximas de operación de 121°C.
3.2.1.4. Complejos de calcio.
Le confieren a la grasa propiedades de extrema presión sin necesidad de agregarle
este tipo de aditivo. El punto de goteo esta por encima de los 250°C. Posee muy
buena estabilidad al desgaste, excelente resistencia al agua y aunque se endurece a
bajas temperaturas tiene muy buenas propiedades de consistencia.
3.2.1.5. Litio o multipropósito.
Tiene un rango de trabajo comprendido entre –20° y 70° C., para un contenido
máximo de litio entre 9 y 11%. Poseen buena resistencia al lavado por agua, pero
no ofrecen una protección adecuada contra la corrosión. Las que contienen
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estearato de hidróxido de litio son especialmente útiles para condiciones de alta
temperatura y ambientes húmedos.* Se conocen también como grasas de uso
múltiple y sustituyen a las de calcio y de sodio.
3.2.1.6. Compleja de litio.
Presentan puntos de goteo de hasta 250°C, excelente estabilidad mecánica y
resistencia ala agua.
3.2.1.7. Aluminio.
Son claras y transparentes con consistencia de gelatina. Tienen su punto de goteo
entre 66° y 104°C.Poseen buena resistencia al lavado por agua, buenas
características antiherrumbre y excelente adhesividad.** Se emplea hasta 77°C. Se
usan en maquinaria de procesamiento de alimentos y de textiles. Su alto costo
limita su uso.
3.2.1.8. Compleja de aluminio.
Contienen otros compuestos de aluminio que incrementan su punto de goteo hasta
aproximadamente 260°C. Tienen alta estabilidad mecánica, elevada resistencia al
agua y muy buena bombeabilidad debido a su estructura fibrosa corta.
3.2.1.9. Sintéticas.
Están constituidas por aceites sintéticos de elevado índice de viscosidad, bajo
punto de fluidez y prácticamente saturados, con los que se obtienen grasas con
temperaturas muy amplias de servicio entre –65° y 165°C y una excelente
estabilidad térmica.
* ALBARACIN, Ramón. Lubricación industrial y automotriz. Medellín: Copservicio, 1985.p. 160. ** ALBARRACIN, Ramón. Lubricación industrial y automotriz. Medellín: Copservicio, 1985.p. 160.
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3.3. ACEITE BASE
El aceite utilizado en la fabricación de una grasa se selecciona con las
características similares del que se emplearía si el mecanismo fuese a ser lubricado
con éste y no con la grasa. Básicamente se utilizan los aceites de tipo parafínico y
nafténico. Los nafténicos se emplean ampliamente para grasas que trabajan a bajas
temperaturas por su fluidez y habilidad para combinarse con el jabón.
La viscosidad del aceite base oscila entre 65 y 175cSt, a 40°C. Los de viscosidad baja
se utilizan en grasa para temperaturas bajas y velocidades altas, mientras que los
de viscosidad alta se usan para condiciones de velocidades bajas, cargas altas y de
impacto.
La relación entra la viscosidad y la temperatura del aceite base es importante para
aquellas condiciones de operación donde hay fluctuaciones de temperatura.
Los aceites sintéticos se utilizan en grasas que trabajan en condiciones extremas de
alta o baja temperatura y generalmente se utilizan con espesantes de jabón de litio.
Cuando el espesante y el aceite base de la grasa son sintéticos, su uso se reduce
únicamente a equipos que trabajan en condiciones extremas.
Los aditivos mas comúnmente utilizados en las grasas son los antioxidantes, los
inhibidores de la herrumbre y de la corrosión, y los aditivos de extrema presión.
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4. SELECCIÓN DE LA GRASA
Para la correcta selección de una grasa se deben tener en cuenta los siguientes tres
parámetros según la aplicación que se requiera y las condiciones de operación a
que va a ser sometida la misma.
4.1. CONSISTENCIA.
Los grados NLGI que se emplean comúnmente son 1,2 y 3.
4.2. TIPO DE ESPESANTE.
Los más utilizados son los de litio, sodio y calcio.
4.3. VISCOSIDAD DINÁMICA.
Se especifica de acuerdo con la velocidad y la temperatura de operación del
rodamiento.
4.4. FACTOR DE VELOCIDAD.
Es característico de cada grasa y siempre debe estar por encima del que se obtiene
de multiplicar el diámetro del rodamiento en mm por la velocidad de giro en rpm.
4.5. TEMPERATURA DE TRABAJO.
Es función del grado NLGI de la grasa y del tipo de jabón.
4.6. ADITIVOS.
En la selección de aditivos durante la fabricación de la grasa se tienen en cuenta
factores tales como la forma en que puede reaccionar el aditivo con el espesante, si
la grasa es neutra o ligeramente alcalina, si el aditivo en presencia de humedad o
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de altas temperaturas puede reaccionar con la base metálica produciendo ácidos
que atacan las superficies.*
Es necesario tener en cuenta si la grasa requiere extrema presión (EP) o no, de
acuerdo con el tipo de cargas que se pueden presentar en operación.
4.7. SISTEMA DE APLICACIÓN.
Se deben tener en cuenta ciertos factores que van a permitir una mayor
durabilidad entre relubricaciones, tales como recubrir herméticamente aquellos
elementos que se encuentras parcialmente sumergidos en el agua, a pesar de que
se tenga una grasa apropiada para estas condiciones; mantener en buen estado los
sellos y empaquetaduras con el fin de prevenir la entrada de polvo e impurezas
particularmente, en ambientes demasiado contaminados; aislar los elementos por
medio de superficies refractarias para ayudar a disminuir el coeficiente de
transmisión del calor hacia los elementos cuando se trata de mecanismos que
funcionan junto a fuentes de calor.
Se debe recordar que si no se selecciona adecuadamente el sistema de aplicación
para que los lubricantes realicen mejor su trabajo, se podrían llegar a tener
situaciones en las que no habrá lubricante alguno que sirva.**
Así, para sistemas de lubricación centralizada, por lo regular es NLGI 0 ó NLGI 1,
para reengrase es NLGI 2 y para sistemas de grasa empacada es de NLGI 3.
Los datos que generalmente da el fabricante de un equipo para seleccionar la grasa
son su consistencia, el tipo de jabón, la temperatura de goteo y aditivos. Con éstos
* ALBARRACIN, Ramón. Lubricación industrial y automotriz. Medellín: Copservicio, 1985.p.153. ** ALBARRACIN, Ramón. Lubricación industrial y automotriz. Medellín: Copservicio, 1985.p. 156.
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parámetros conocidos, se busca la más adecuada en ele catálogo del fabricante de
grasas.
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5. DESCRIPCIÓN DE TERMINOS ESPECIFICOS EN EL CONTEXTO DEL
PROYECTO
5.1. PENETRACIÓN DE GRASA LUBRICANTE.
Es la profundidad, medida en décimas de milímetro, que el cono estándar penetra
la muestra, bajo condiciones específicas de peso, tiempo y temperatura.*
5.2. TRATAMIENTO DE LA GRASA.
Es el sometimiento de la grasa lubricante a la acción permanente del tratador
estándar de grasas.
5.3. PENETRACIÓN DE GRASA NO TRATADA.
Es la penetración a 25°C (77°F) de una muestra de grasa lubricante que ha recibido
un mínimo de alteración en el traslado de un recipiente a otro.
5.4. PENETRACIÓN DE GRASA TRATADA.
Es la penetración en una muestra de grasa lubricante que ha sido llevada a 25°C
(77°F) y sometida a sesenta accionamientos dobles en el tratador de grasas
estándar.
* ASTM D 217-82. Standar test metods for CONE PENETRATION OF LUBRICATING GREASE. p. 138.
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6. METODO ASTM D217 – METODO ESTANDAR PARA LA MEDICION DE
LA PENETRACIÓN POR CONO EN GRASAS LUBRICANTES.
6.1. CONSISTENCIA DE LAS GRASAS
Depende de la viscosidad del aceite y del contenido de espesante que posea, el cual
puede fluctuar entre un 5 y 30%, o más, dependiendo del tipo de grasa. Dos grasas
con igual consistencia o dureza no tienen necesariamente el mismo desempeño. La
consistencia es un factor importante de la grasa porque ella determina su
capacidad de lubricación y sellamiento, de permanencia en su sitio, de
bombeabilidad y capacidad de soportar temperatura.
6.2. LUBRICACIÓN POR GRASA EN BLOQUE
Consiste en colocar un bloque de grasa de grado NLGI 5 ó 6 en una caja metálica
colocada en la parte superior de un cojinete y que se comunica directamente con el
eje. Cuando el eje empieza a girar, la temperatura se incrementa y la grasa se
ablanda, haciéndola fluir hasta la zona de alta presión. En la parte superior de la
cavidad hay una tapa que evita la entrada de impurezas hasta la grasa. Este
método de lubricación se emplea principalmente en ejes que soportan elevadas
cargas y giran a bajas velocidades como es el caso de los molinos de bolas, de los
molinos empleados en la industria papelera y los hornos rotatorios.
6.3. DETERMINACIÓN DE LA CONSISTENCIA DE UNA GRASA
Se determina según el método ASTM D217, conocido como penetración por cono
en grasas lubricantes y establecido por la NLGI. Este método permite hallar la
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consistencia de una grasa en términos de penetración, sin agitación, durante el
almacenamiento. Penetración trabajada, penetración no trabajada y penetración
durante períodos prolongados de tiempo. La consistencia normalmente se reporta
en términos de penetración trabajada, porque es el factor más representativo de las
condiciones bajo las cuales opera una grasa, principalmente si se utiliza en un
rodamiento.
Para determinar la penetración trabajada de una grasa, se llena un recipiente
especial con suficiente cantidad de grasa (aproximadamente 1 libra) y se somete
inicialmente a 60 carreras dobles de un pistón a 25°C en un dispositivo llamado
trabajador de grasa estándar. Este consiste en un disco perforado, pistón, que al
subir y bajar dentro del cilindro, hace que la grasa pase repetitivamente de un lado
al otro.
Posteriormente se coloca la muestra de grasa trabajada debajo de un cono de peso
y dimensiones normalizadas (Penetrómetro). La punta del cono toca ligeramente la
superficie de la grasa, se deja caer el cono por su propio peso, dentro de la grasa y
luego de cinco segundos, se lee en un dial la profundidad, en décimas de
milímetro, que el cono haya penetrado dentro de la grasa. Esta magnitud de la
penetración representa la consistencia de la grasa.
Las características más importantes del cono son:
− Angulo del cono: 90°
− Angulo de la punta: 30°
− Diámetro del cono: 6.61 cm
− Peso del cono: 102.5g*
* ALBARRACIN, Ramón. Lubricación industrial y automotriz. Medellín: Copservicio.1985. p. 157
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La penetración ASTM tiene su correlación con una escala numérica estandarizada
por la NLGI, para clasificar la consistencia de las grasas. Este número aparece al
final del nombre de las grasas.
Tabla No. 1 Penetración trabajada - Grado NLGI
Penetración trabajada ASTM
Consistencia NLGI
Grado de dureza
Campo de aplicación
447-475 000 muy fluida Engranajes 400-430 00 fluida Engranajes 355-385 0 semifluida Rodamientos, sistema
centralizado 310-340 1 muy blanda Rodamientos, sistema
centralizado 265-295 2 blanda Rodamientos 220-250 3 media Rodamientos 175-205 4 dura Cojinetes lisos. Grasa en
bloque 130-160 5 muy dura Cojinetes lisos. Grasa en
bloque 85-118 6 durísima Cojinetes lisos. Grasa en
bloque
Las grasas fluidas y semifluidas, con una penetración ASTM por encima de 475 no
se prueban con el Penetrómetro.
6.4. ALCANCE DEL MÉTODO.
Este método incluye el procedimiento para medir la penetración por cono en
grasas lubricantes. Incluye el procedimiento para medir la penetración de grasas
sin tratar, de grasas tratadas y la penetración de grasas en bloque.
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La penetración de grasa sin tratar generalmente no representa la consistencia de la
grasa en uso, como si lo hace el valor de la penetración de grasa tratada. Es por
esto que el valor de la penetración de grasa tratada es el que generalmente se usa
para inspeccionar grasas lubricantes.
La penetración de grasas en bloque se realiza solo cuando una grasa es lo
suficientemente dura para mantener su forma sin estar contenida en un recipiente.*
6.5. SIGNIFICADO Y USO DEL MÉTODO.
Los resultados obtenidos de penetración en grasas tratadas pueden usarse para
establecer la consistencia de las grasas lubricantes dentro de los grados
establecidos por la NLGI (National Lubricating Grease Institute).
El cambio en los resultados obtenidos para penetración en grasa tratadas después
de un trabajo prolongado se toma como una medida de la estabilidad de la grasa
cuando es sometida a condiciones de carga constantes.**
* ASTM D217-82. Standard test methods for CONE PENETRATION OF LUBRICATING GREASE. p. 137. ** ASTM D217-82. Standard test methods for CONE PENETRATION OF LUBRICATING GREASE. p. 137
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7. APLICACIÓN
La selección correcta del lubricante para una máquina es tan importante como su
mismo diseño, fabricación y puesta en operación. Grandes capitales se pierden
anualmente como resultado de una selección inapropiada, ya sea porque no se
tienen en cuenta todos los parámetros que el fabricante del equipo especifica, o
porque esta responsabilidad se deja en manos de personal con conocimientos
insuficientes del tema.
El personal de mantenimiento es quien debe hacer los estudios respectivos de
cuales son los lubricantes a utilizar en cada caso. Después de la selección del
lubricante adecuado para un mecanismo determinado, es muy importante tener en
cuenta la disponibilidad comercial de los mismos lubricantes y tener la capacidad
de determinar que marca y que clase de lubricante es el mas adecuado para la
aplicación en cuestión.
Para esto es muy importante toda la información concerniente a las propiedades de
las grasas lubricantes comerciales según las diferentes marcas comerciales y a la
gama de productos que maneja cada una de esas marcas.
A continuación se presentan algunas de las aplicaciones más comunes para grasas
con diferentes grados NLGI de consistencia, según su tipo. Para cada una también
se presentan las referencias en las diferentes marcas comerciales en Colombia.*
* Tomado del libro: Equivalencias entre lubricantes del Pedro Ramón Albarracín.
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7.1. Grado NLGI 2
Tipo Calcio. Equipo automotor. Resiste el polvo y el agua empleada a temperatura
ambiente. Prensas, máquinas herramienta. Sistemas centralizados de lubricación.
Puede aplicarse con pistola. Maquinaria agrícola y de construcción, servicio
liviano.
SHELL MOBIL ESSO TERPEL BEG
Chasis Greasrex D-40 Greasrex AA MobilGreaseAA
Chasis H Chasis Chasis
7.2. Grados NLGI 2, 3, 4 y 5
Tipo Calcio. Cojinetes planos, bombas de agua, maquinas herramienta, maquinaria
agrícola, bandas transportadoras.
MOBIL TEXACO ESSO TERPEL BEG
Greasrex D-60, 61
Motor Cup Grease
Firmax 1, 2, 3, 4 y 5
Copas 2, 3, 4 y 5
Copas 2 y 3
7.3. Grado NLGI 00
Tipo Calcio. Sistemas centralizados de lubricación. Contiene grafito. Forma una
película de gran adhesividad y elevada capacidad de carga. Rodamientos planos,
malacates, cables y cadenas
SHELL ESSO BEG
Barbatia
Vandrag (grado 3) Bengrafito
7.4. Grados NLGI 2, 3 y 6
Tipo Litio. Bombas, motores, equipo industrial, minería, equipo de construcción.
Equipo que opera en condiciones severas de carga, media temperatura, alta
velocidad. Protección antidesgaste y antioxidante.
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SHELL MOBIL TEXACO ESSO TERPEL BEG
Balina 2, 3, EP Alvaria EP Retinax AM
Mobilux 2, 3 Mobilux EP-0, EP-3 MobilGrease Spectral
Multifak 2, EP-2 Regal AFB-2 Molitex Grease 2
Beacom 325 Beacom Q-2
Multipro EP-2 Limox
7.5. Grado NLGI 2
Tipo Litio. Grasa de uso general usada en los mismos equipos en donde se
recomienda la multiusos. Además, para equipos automotores pesados, vagones,
equipos de canteras.
TEXACO ESSO BEG
MCP Grease (Mechanica)l Cohon Pickers)
Vidok EP-2 First (litio EP)
7.6. Grado NLGI 2
Tipo Calcio (compleja). Equipos alta temperatura. Requerimiento de Extrema
Presión, ambientes húmedos.
7.7. Grados NLGI 2, 3, 4 y 5
Tipo Sodio. Rodamientos de ruedas de vehículos, acoples, engranes, trituradoras.
Máquinas de baja velocidad en ambientes secos, rodillos y hornos.
MOBIL TEXACO ESSO TERPEL BEG
Greasrex 133 MobilGrease 5
Marfak HD (Sodio Fibra Corta)
Bearing Grease ANDOK 260
Rodamientos 2, 3 y 4
Rodamientos Merak HD Tipo MFK
MOBIL ESSO Mobilplex 2 Nebula
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7.8. Grado NLGI -
Tipo Sodio. Cojinetes planos, hornos, industria siderúrgica, minera, ferrocarriles,
molinos. Para median temperatura. Se usa en equipos a baja velocidad, donde no
haya humedad.
7.9. Grado NLGI 2
Tipo Litio. Las mismas aplicaciones de las grasas de Calcio y Sodio. Equipo
industrial de trabajo mediano. Mejor estabilidad mecánica que las grasas de Calcio
y Sodio.
MOBIL TEXACO ESSO SHELL TERPEL BEG
Industrial MP Grease 2
Marfak MULTIPRO
MULTIPROPOSITO Grease H
MULTIPROPOSITO
7.10. Grado NLGI 2
Tipo Litio (compleja). Grasa multipropósito para alta temperatura. Buena
resistencia al agua y excelente estabilidad. Todo tipo de cojinetes, engranajes,
acoplamientos. Donde se requiera alto punto de goteo.
ESSO
UNIREX N 2, 3
7.11. Grados NLGI 1 y 2
Tipo Bentonita. Para servicios a altas temperaturas, con o sin aditivos para Extrema
Presión (EP)
MOBIL ESSO Mobil Block Grease T MobilGrease 480
KUBOLA
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7.12. Grados NLGI 2, 3 y 4
Tipo Aluminio. Para lubricar cojinetes planos, equipos a altas temperaturas, para
equipo automotor equipado con frenos de disco. Resiste al agua y tiene buena
estabilidad mecánica. Para la industria metalúrgica, vidrio y cerámica.
TEXACO Regel HFB 2
7.13. Grado NLGI 1
Tipo Plomo y Zinc. Equipo rotatorio sometido a altas cargas de peso y torque.
Resiste a la humedad.
MOBIL
Mobilplex
7.14. Grados NLGI EP 1 y 2
Tipo Derivados del petróleo. Sistemas centralizados de lubricación. Para
engranajes abiertos, cadenas, trapiches, cables, equipo minero, malacates, palas,
grúas, molinos. Para servicio pesado a bajas velocidades. Extrema Presión.
MOBIL TEXACO ESSO TERPEL BEG
Turex 510, 520 Mobiltemp 1 Mobiltec D4, QQ Mobil SM 4
Craterr 2k, 5k
Surte 5k, 20k, 80k 270k, 400k Capitán 3200, 3800
Engranajes Begin. Grados 300, 800, 1400, 2800
MOBIL TEXACO Mobiltemp 1, 2 Mobiltemp SHC 100 (con aceite sintético) Mobiltemp 78
Thermatex EP-1 Thermatex EP-2
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8. DESARROLLO DEL PROYECTO
El equipo necesario para la realización del Ensayo de Penetración por Cono en
Grasas Lubricantes consta de componentes principales a saber, el Penetrómetro, el
tratador de grasa, el cortador para grasas en bloque y el baño de aire o de agua
para las grasas.
8.1. MECANIZADO DE LAS PIEZAS
8.1.1. Penetrómetro.
Es un instrumento diseñado para medir, en décimas de milímetro, la profundidad
a la cual el cono estándar penetre la grasa.* El Penetrómetro esta compuesto de las
siguientes piezas. Base en donde se coloca el recipiente con la muestra de grasa. El
mecanismo de centrado que es una pieza que permite ubicar el recipiente siempre
en el centro del Penetrómetro. La base en donde va montado el comparador de
carátula. El comparador de carátula que permite medir la profundidad de las
penetraciones y por ultimo el cono estándar.
Figura 1. Base del Penetrómetro con el dispositivo de centrado del recipiente y el
recipiente para la grasa.
* ASTM D217-82 Standard test methods for CONE PENETRATION OF LUBRICATING GREASE .p. 739
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8.1.2. Tratador de la grasa.
El tratador de la grasa consta de un recipiente para aproximadamente 1 lb de
muestra. La tapa del recipiente que permite introducir un termómetro para la
medición de la temperatura de la muestra. Un embolo con agujeros que al
accionarlo simula el tratamiento de la grasa.
Figura 2. Tratador de la grasa. Recipiente, tapa y embolo con agujeros.
El tratador debe permitir efectuar sesenta accionamientos en aproximadamente un
minuto. Cada accionamiento debe tener una carrera de 67 a 71 mm. (25/8 a 213/16
in)
Figura 3. Tratador de grasa ensamblado. Accionamiento del embolo.
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8.1.3. Cortador para grasas en bloque.
El cortador para grasas en bloque es un mecanismo que permite obtener
una muestra de grasa en bloque de 5cm (2 in) de lado. Consta
principalmente de la cuchilla en acero inoxidable y de dos cuñas que dan
la inclinación que la norma exige para la cuchilla.
Figura 4. Cortador para grasas en bloque.
8.1.4. Baño de aire o de agua para la muestra de grasa.
El baño de agua se requiere para llevar la muestra de grasa a la cual se le va a
realizar el ensayo a la temperatura de prueba 25 °C (77°F). El baño de aire tiene la
misma función del baño de agua, pero se utiliza para las grasas en bloque.
8.1.4.1. Baño de agua.
El baño de agua consta de una resistencia que permite calentar el agua en la cual se
encuentra la muestra de grasa. La tapa del recipiente que contiene la muestra esta
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provisto de un mecanismo que permite introducir el termómetro para controlar la
temperatura de la muestra.
Figura 5. Baño de agua con el termómetro que permite el control de la temperatura
de la muestra.
8.1.4.2. Baño de aire.
El baño de aire utiliza una resistencia que permite calentar el aire en donde se
encuentra la muestra de grasa en bloque. El recipiente esta provisto de un
mecanismo que permite utilizar el termómetro para la medición y control de
temperatura de la muestra.
Figura 6. Baño de aire para grasas en bloque.
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8.2. COSTOS DEL MECANIZADO DE LAS PIEZAS
Los costos del proyecto incluyen los materiales necesarios para la fabricación de las
piezas así como el costo del mecanizado como tal. Se incluyen algunos costos
adicionales como el termómetro y la resistencia que utilizan tanto el baño de aire
como el baño de agua.
8.2.1. Penetrómetro.
8.2.1.1. Base. (hierro).
Material $8000. Maquinado (roscado, cepillado) $45000
8.2.1.2. Dispositivo de centrado. (hierro)
Material $3500. Maquinado (taladrado, corte, pulido) $15000
8.2.1.3. Base para el comparador de carátula.(acero inoxidable)
Material $4500.Maquinado (roscado, refrentado) $15000
8.2.1.4. Cono (aluminio y acero inoxidable)
Material $ 30000. Maquinado (torneado, roscado) $65000
8.2.1.5. Costo total Penetrómetro.$182500
8.2.2. Tratador de grasas
8.2.2.1. Recipiente para la muestra (hierro)
Material $ 8000. Maquinado (torneado, roscado) $85000
8.2.2.2. Tapa y tapón (hierro y aluminio)
Material $ 10000. Maquinado (torneado, roscado) $95000
8.2.2.3. Embolo (aluminio y hierro)
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Material $ 10000. Maquinado (torneado, roscado) $75000
8.2.2.4. Costo total Tratador de grasas $273000
8.2.3. Cortador para grasas en bloque
8.2.3.1. Base del cortador (hierro)
Material $ 8000. Maquinado (torneado, roscado) $25000
8.2.3.2. Cuchilla (acero inoxidable)
Material $ 4000. Maquinado (torneado, roscado) $30000
8.2.3.3. Cuñas (hierro)
Material $5000. Maquinado (torneado, roscado, fresado) $75000
8.2.3.4 Manija (aluminio)
Material $4000. Maquinado (corte, pulido) $10000
8.2.3.5. Costo total Tratador de grasas $171000
8.2.4 Baño de aire y de agua
8.2.4.1. Resistencia y base de la resistencia (cerámica)
Material $ 3500.
8.2.4.2. Recipiente para el baño de agua (aluminio)
Material $ 4000
8.2.4.3. Recipiente para el baño de aire (vidrio)
Material $15000.
8.2.4.4 Termómetro $15000.
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8.2.4.5. Costo total Tratador de grasas $37500
8.2.5. Costo total del proyecto $661500
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BIBLIOGRAFÍA
ALBARRACIN, Ramón. Tribología y Lubricación industrial y automotriz. Medellín: Copservicio, 1993. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. ASTM D217-82. Standard Test Methods for Cone Penetration of Lubricating Grease. CAMERON, Walter. The Principles of Lubrication. London: Lungmans, 1966 MARTINEZ, Francisco. La tribología, ciencia y técnica para el mantenimiento. México: Limusa Noriega Editores,1996. WALLACE, Robert. Lubricants and their applications. New York: Mc Graw Hill, 1993. WILLS , George. Lubrication Fundamentals. New York: Marcel Dekker, 1980.
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ANEXO A
GUIAS DE LABORATORIO PARA LA REALIZACIÓN DEL ENSAYO DE
PENETRACIÓN POR CONO EN GRASAS LUBRICANTES.
CONTENIDO
Pág.
Guías de laboratorio para la realización del ensayo de penetración por cono en
grasas lubricantes.
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