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Ciencias Holguín,                   Revista trimestral,               Año XX, octubre-diciembre 2014

Monitorización de partículas metálicas en lubricantes usados a través de la magnetización / Monitoring metallic particles in used lubricants through magnetization

Elio Rafael Hidalgo-Batista. elio@facing.uho.edu.cu *
Eder Gustavo Pelegrino-Batista **

Institución de los autores
Universidad de Holguín “Oscar Lucero Moya” *
CUBIZA Holguín **

PAÍS
: Cuba

RESUMEN

En el artículo se presenta un dispositivo que permite, a través de la magnetización monitorizar las partículas metálicas que se encuentran en los lubricantes usados. El trabajo se desarrolla aunque no se logran alcanzar las habilidades propuestas en el programa analítico de la asignatura Tecnología Proactiva y de Diagnóstico. La elaboración del dispositivo y los pasos a cumplir se fundamentan en la norma ISO 4406, la Guía Rápida de la compañía Pall Corporation y la ferrografía analítica. El análisis del lubricante permitió conocer abundante presencia de partículas metálicas. 
PALABRAS CLAVE: MONITORIZACIÓN; ANÁLISIS DE LUBRICANTES; PARTÍCULAS METÁLICAS;  MAGNETIZACIÓN Y DIAGNÓSTICO.

ABSTRACT
A device is presented which allows monitoring metallic particles in used lubricants through magnetization. The work proves that the skills proposed by the analytical program of the subject Proactive and Diagnostic Technology fail to be met. The device used and the steps to be followed are based on norm ISO 4406, the quick guide of Pall Corporation and analytical ferrography. Lubricant analysis yielded information about abundant presence of metallic particles.
KEY WORDS: MONITORING; ANALYSIS OF LUBRICANTS; METALLIC PARTICLES; MAGNETIZATION AND DIAGNOSIS.

 INTRODUCCIÓN
Un lubricante es una sustancia que se interpone entre dos superficies (una de las cuales o ambas se encuentran en movimiento), a fin de disminuir la fricción y el desgaste [Los lubricantes, 2012].

El  desgaste es un fenómeno inevitable que condiciona la vida útil de los equipos, aunque mediante un eficaz programa de mantenimiento predictivo es posible controlar su evolución y detectar a tiempo anomalías, que si no se corrigen a tiempo pueden ocasionar fallos graves, e incremento de las pérdidas por el costo de las reparaciones y las paradas de producción [Hidalgo, 2012].

Los análisis de lubricantes suministran a los grupos de mantenimiento de una valiosa información respecto al proceso de lubricación. Indican principalmente el estado del aceite y sirven para la toma de la decisión de continuar usando o no un lubricante determinado. Con un cuidadoso manejo de la información y un buen  historial se pueden valorar la información con respecto al estado de los componentes mecánicos y apoyar estrategias de mantenimiento predictivo [Rueda, 2005].

El análisis de lubricante consiste en una serie de pruebas que se realizan a nivel de laboratorio para evaluar la condición de los lubricantes usados o los residuos presentes. Al estudiar los resultados del análisis de residuos, se puede elaborar un diagnóstico sobre la condición de desgaste del equipo y sus componentes. Lo anteriormente expuesto, permite a los encargados de proceso del mantenimiento planificar las paradas y reparaciones con tiempo anticipado, reduciendo los costos y tiempos de interrupción. [Ordoñez, 2013].

La eficiencia con que un aceite cumpla su función (lubricante, refrigerante, hidráulica, aislante) depende de su estado de degradación y contaminación que en definitiva condiciona completamente la vida útil de las máquinas [Batista, 2005].
Es primordial el conocimiento y el control del mecanismo de desgaste en las diferentes piezas de un equipo para poder diagnosticarlo y reducirlo a niveles considerados normales [Domínguez, 2008].

La monitorización de partículas a través de la magnetización constituye uno de los diferentes tipos de análisis o técnicas existentes para establecer de forma proactiva la ocurrencia de fallo producto al desgaste de los pares tribológicos existentes en las máquinas [Pelegrino, 2014].

Conocer como se aplica esta técnica resulta primordial en la formación del ingeniero mecánico. No obstante, en el programa analítico de esta asignatura no se suministra ninguna actividad de laboratorio para desarrollar las habilidades relacionadas con la monitorización de las partículas metálicas que se encuentran dentro de los lubricantes productos al desgaste de los pares tribológicos de las máquinas. De aquí la necesidad de elaborar un dispositivo que permita monitorizar las partículas metálicas que se encuentran en el lubricante usado a través de la magnetización.

MATERIALES Y MÉTODOS

Para desarrollar la investigación cuyos resultados se exponen en este artículo se emplearon métodos de investigación teóricos como son: análisis y síntesis e histórico – lógico para el estudio del objeto a través del tiempo y llegar a un análisis lógico.
Las técnicas empleadas en la recolección de los datos fueron: revisión de documentos oficiales de la empresa: expedientes técnicos, registros de mantenimientos, documentos internos, entrevistas: Para conocer la estructura del parque de vehículos existente en CUBIZA de la provincia Holguín y consulta de experto: para obtener información relacionada con los resultados del análisis de lubricantes.
Los materiales utilizados en el trabajo fueron los siguientes: imán para formar el campo magnético y materiales de desecho.

RESULTADOS DEL TRABAJO

A continuación se muestra el dispositivo fabricado para monitorizar las partículas metálicas en lubricantes usados, los pasos necesarios para realizar a nivel del laboratorio el análisis de lubricantes y la aplicación de estos pasos al análisis del lubricante perteneciente a un vehículo de la Empresa de Izaje CUBIZA de Holguín.

1 del dispositivo para la monitorización de partículas a través de la magnetización

El dispositivo consta de cuatro partes fundamentales, la primera es la base (1) donde se encuentra situado el campo magnético, la segunda (2) es la plaqueta, donde se deposita el lubricante diluido para mejorar la precipitación de partículas y la adhesión a la plaqueta, la tercera (3) es el recipiente de recogida del lubricante luego de pasada la prueba y la cuarta (4) es un regulador de variación de ángulo (5º hasta 17º).

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Figura 1. Dispositivo de análisis por ferrografía analítica.

El campo magnético situado en la base (1) incide sobre las partículas de metal que contiene el lubricante, que se derrama caliente sobre la plaqueta (2) formando un espectro, debido al campo magnético las partículas ferrosas se alinean en cadenas horizontales a lo largo de la plaqueta; las partículas más grandes se depositan hacia el punto de entrada y las pequeñas hacia el punto de salida. Las no ferrosas se depositan aleatoriamente en toda la plaqueta acumulándose sobre las cadenas de partículas ferrosas las cuales actúan como diques. La ausencia de partículas ferrosas reduce sustancialmente la efectividad del análisis de las no ferrosas. La plaqueta preparada de esta manera con estas cadenas de partículas, se denomina ferro grama.

Pasos para realizar laboratorio sobre monitorización de partículas

Los principales pasos para la realización del monitoreo de partículas se fundamentan en la norma ISO 4406 y se denomina Método para codificar el nivel de contaminación por partículas sólidas, la Guía rápida de la compañía Pall Corporation y los principios de la ferrografía analítica. 
1. La toma de la muestra del lubricante en el equipo debe de poseer las características siguientes: el sistema debe funcionar al menos 30 minutos antes de seleccionar la muestra, la cantidad de la misma en el frasco debe estar entre 100 y 250 mililitros (la norma ISO 4406 la sitúa en 100) y el frasco debe estar señalado con la matrícula o número de inventario del equipo, horas trabajadas o kilómetros recorridos y tipo de lubricante.

  1. Realizar la prueba de crepitación o ruido seco para determinar si contiene agua el lubricante.

  2. Limpiar con gasolina la plaqueta (cristal) del dispositivo para eliminar posibles contaminantes.

  3. La muestra del lubricante en una vasija metálica para aumentar la temperatura del lubricante con el objetivo de bajar la viscosidad.

  4. Realizar el vertido de la muestra sobre la plaqueta para conocer la existencia de partículas metálicas en el mismo (se obtiene el ferro grama) Lavar con gasolina el ferro grama depositado en la plaqueta sobre la base.

  5. Analizar el contenido del ferro grama en el microscopio.

  6. Determinar el tamaño del grano existente el lubricante a través de la norma ISO 643.

Para la aplicación de los pasos del laboratorio, primeramente se seleccionó el vehículo a estudiar, siendo seleccionado un ómnibus Girón VI. Una vez definido el vehículo a emplear se procedió a la revisión técnica, la cual se desarrolló en el taller automotor de la propia entidad. En este proceso, los mecánicos y especialistas involucrados, concluyeron que el vehículo posee un buen estado técnico, lo cual fue debidamente certificado.

Análisis de la monitorización de partículas

  1. Se toma la muestra del lubricante en el equipo. La misma se realiza teniendo en cuenta las especificaciones señaladas en el punto 1.

  2. Se realiza la prueba de crepitación o ruido seco para determinar  si el lubricante contiene agua. La prueba se realiza colocando unas gotas del lubricante en un recipiente y calentándolo hasta 120 °C, realizada esta prueba se pudo constatar la inexistencia de agua en el lubricante.

  3. Se limpia con gasolina la plaqueta (cristal) del dispositivo para eliminar posibles contaminantes.

  4. Se vierte la muestra del lubricante en una vasija metálica para aumentar la temperatura del lubricante con el objetivo de bajar la viscosidad.

  5. Se vierte la muestra sobre la plaqueta bajo la acción del campo magnético, obteniéndose el ferro grama.

  6. Se lava con gasolina el ferro grama montado sobre la base, para eliminar restos de lubricante.

  7. Se analiza la muestra del ferro grama.

El análisis del lubricante se desarrolla en el laboratorio de Ciencias de los Materiales de la Universidad de Holguín. Para la realización del experimento se cuenta con un microscopio marca NOVEL, que contiene una cámara conectada a un ordenador. Por esta vía se pudo tomar las fotos, a un foco de 1 x 100.
Las fotos tomadas, se comparan con las presentadas en la Guía Rápida de la compañía Pall Corporation y teniendo en cuenta estas comparaciones se pudieron identificar las partículas encontradas y a partir de las mismas se definen  los fallos que pudiera presentar el equipo y diagnosticar las posibles roturas. 
A continuación se expone el resultado de los análisis desarrollados al lubricante 15W40, utilizado en el motor Mitsubishi modelo 4D33 del vehículo Girón VI, perteneciente a la Empresa de Izaje CUBIZA de Holguín.
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Figura 2. Ferro grama del lubricante. Partículas de sílice. [Fuente propia].

En la figura 2 (A) se presentan las partículas encontradas en el estudio y semejantes a las que se muestran en la figura 2 (B) perteneciente a la Guía Rápida de la Pall Corporation, comprobándose que se corresponden con partículas de sílice que se pueden encontrar en el ambiente en forma de polvo y que pueden llegar al motor al no encontrarse éste herméticamente sellado.
Entrevistas realizadas permiten conocer que el vehículo posee el filtro de aire y lo limpian frecuentemente, además el motor esta herméticamente sellado y posee la tapa.
En un recorrido por el almacén de lubricantes en la empresa, se constató la poca hermeticidad del local, facilitando que el aceite tenga muchas probabilidades de contaminarse con partículas de polvo.  
En la figura 3 (A y B) se representan las partículas encontrada en el estudio a la entrada y salida de la plaqueta, semejante a la que se muestra en la figura 2 (C).
 
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Figura 3. Ferro grama del lubricante. Metal negro. [Fuente propia].

Las partículas encontradas son de óxido de hierro y solo se puede generar de las camisas donde se alojan los pistones, las cuales se fabrican de este metal por lo fácil de reemplazar. La existencia de estas partículas en el aceite puede estar dada por algún desgaste producido dentro del sistema, a partir de una mala combustión, o por el aumento del contenido de azufre del combustible.
Por medio de la entrevista realizada al chofer y a la jefa del Departamento de Transporte, se pudo conocer que al motor Mitsubishi 4D33 no se le ha comprobado la bomba de inyección a lo largo de los años de explotación. La información brindada corrobora que si no existen fugas de aceite por juntas, se pude inferir que los efectos de la combustión incompleta está ocasionando un acelerado desgaste en la camisa.   
En la figura 3 (A) se muestran las partículas encontrada en el estudio, semejantes a la que se muestran en la figura 3 (B) descrita por Ordoñez (2013) en el sitio www.intertek.es.

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Figura 4. Ferro grama del lubricante. Partículas esféricas. [Fuente propia].

Ordoñez (2013) explica que frecuentemente la forma de la partícula es una clave importante para identificar el origen del desgaste. Si las partículas tienen forma curva similar a una hoz como se muestra en la figura 3 (B), esto caracteriza al desgaste cortante producido por contaminantes abrasivos.

  1. Determinación del tamaño del grano

La determinación del tamaño del grano existente en el lubricante se realizo a través de la Norma International Standard ISO 643 Steels — Micrographic Determination of the Apparent Grain Size.
En la figura 5 se realiza la comparación entre las partículas existentes en el lubricante y los tipos de granos normados en la norma ISO 643 donde se concluye que el tamaño de los granos se asemeja a los normados como tipo 9 los cuales poseen un diámetro de 15 µm.
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Figura 5. Tamaño de los Granos existentes en el lubricante. [Fuente propia].

Según Domínguez (2008) las partículas más perjudiciales son las que están alrededor de 10 µm, además la norma 4406 define en sus códigos, que cuando existan concentraciones de partículas mayor a 64 000 ppm el diámetro de las mismas es mayor a 10 μm siendo estas nocivas a los dispositivos y partes de los equipos, por lo tanto se concluye que en el lubricante analizado existen partículas mayores a 10 μm indicando en primer lugar que las mismas pueden continuar produciendo el desgaste de los pares tribológicos del equipo y en segundo lugar que el desgaste que poseen los elementos del motor de combustión interna no es normal.

CONCLUSIONES

  1. Se ha reconocido la presencia de partículas metálicas en el lubricante perteneciente al motor Mitsubishi 4D33 a través del dispositivo diseñado y elaborado.

  2. El análisis del lubricante ha permitido conocer la presencia en el ferro grama de sílice, partículas esféricas metálicas, metal negro producto a la oxidación y partículas en forma de curva similar a una hoz que caracteriza al desgaste cortante producido por contaminantes abrasivos.

  3. El desgaste que poseen los elementos del motor de combustión interna no es normal debido a que las partículas son mayores a 10 μm.

 BIBLIOGRAFÍA

  1. Los lubricantes. [Documento en línea] www.monografias.com/trabajos10/lubri.shtml [Consultado el 10/2/2012].

  2. Rueda, M. (2005). Análisis de Maquinaria. Tutorial de Ferrografía Directa, análisis de elementos presentes y ferrografía analítica. [Documento en línea]  www.a-maq.com [Consultado el 2/10/2013]

  3. Ordoñez Guerrero, A. Experto universitario en mantenimiento predictivo y diagnosis de fallos. Universidad de Sevilla. [Documento en línea] www.internet.es. [Consultado el 26/10/2013]

  4. Batista R., C, Urquiza S., R. (2005). Monografía de las técnicas de diagnostico. Holguín; Universidad Oscar Lucero Moya. (Conferencia)

  5. Domínguez M., O. (2008). Diagnóstico y control del desgaste en motores Diesel. Curso de experto universitario en mantenimiento predictivo y diagnóstico de fallo.

  6. Pelegrino B., E. G. (2014). Monitorización de partículas metálicas en lubricantes usados a través de la Magnetización. (Trabajo de diploma). Holguín; Universidad Oscar Lucero Moya

  7. Norma ISO 4406 (1999). Método para codificar el nivel de contaminación por partículas sólidas.

  8. Norma ISO 643. (2003). Steels — Micrographic determination of the apparent grain size.

Síntesis curricular de los Autores

M.Sc. Ing. Elio Rafael Hidalgo-Batista.*  Profesor Auxiliar.  elio@facing.uho.edu.cu

Ing. Eder Gustavo Pelegrino-Batista
.** Especialista del Departamento de Transporte y Mantenimiento CUBIZA Holguín. Calle 54 No. 2 entre Carretera Central y Camino del Infierno, Pedernales, Holguín.

Institución de los autores.
Universidad de Holguín “Oscar Lucero Moya” *
CUBIZA Holguín **




Fecha de Recepción: 07 de agosto 2014
Fecha de Aprobación: 12 de septiembre 2014
Fecha de Publicación: 14 de noviembre 2014

 

© Centro de Información y Gestión Tecnológica de Holguín. Cuba
 (CIGET de Holguín)

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