Estabilidad al Corte en Fluidos Hidráulicos

La maquinaria y los lubricantes que las protegen generalmente están expuestos a una variedad de temperaturas ambientes y de operación. Como resultado, se requiere que estos lubricantes mantengan buena bombeabilidad a bajas temperaturas y suficiente resistencia de película a altas temperaturas. Ejemplos perfectos son fluidos hidráulicos usados en aplicaciones de equipos industriales y móviles que operan en un amplio rango de ambientes y temperaturas. No es difícil encontrar un lubricante que cumpla con esos requerimientos, pero puede haber preocupaciones de desempeño si el fluido no está formulado apropiadamente. Los fluidos con un amplio rango de temperatura de operación generalmente son formulados con aditivos especiales mejoradores del índice de viscosidad para mejorar el comportamiento de la viscosidad tanto a altas como bajas temperaturas; y estos aditivos están sujetos a fuerzas de corte que pueden reducir su efectividad en servicio.

La relación entre viscosidad y temperatura

La viscosidad de los lubricantes cambia con la temperatura. A medida que la temperatura aumenta, la viscosidad disminuye y a medida que la temperatura disminuye, la viscosidad aumenta. A la medida del cambio de la viscosidad con relación a la temperatura se le llama el Índice de Viscosidad del fluido, o su IV.

Este Índice de Viscosidad es un número empírico, adimensional (sin unidades de medida), usado para cuantificar el cambio en la viscosidad con respecto a la temperatura. La viscosidad de un fluido con alto IV no cambia tan rápidamente con la temperatura al compararlo con un fluido de menor IV. Para fluidos hidráulicos minerales, el IV típico varía entre 90 y 110.

Mejoradores del Indice de Viscosidad

El IV de un fluido puede ser mejorado a través del uso de aditivos especializados llamados Mejoradores de Índice de Viscosidad. Estos aditivos son típicamente polímeros de alto peso molecular diseñados para minimizar el impacto de la temperatura sobre la viscosidad. Los Mejoradores del IV se dilatan cuando aumenta la temperatura lo que contrarresta la disminución de viscosidad en el fluido base. Esto resulta en un fluido que mantiene suficiente espesor de película de aceite a altas temperaturas. A temperaturas más bajas, los Mejoradores del IV se contraen y las propiedades del

aceite base dominan la viscosidad del fluido.

Mediciones de estabilidad al corte

Hay tres métodos usados comúnmente para determinar la estabilidad al corte de un fluido de alto IV.

DIN 51382 – La prueba del inyector Bosch es considerada la menos severa de las tres. El aceite de prueba es pasado por el inyector a 2,250 psi durante 250 ciclos y luego se mide el cambio en la viscosidad.

ASTM D5621 – El método de corte sónico funciona cortando la muestra de fluido hidráulico en un oscilador sónico durante 40 minutos para luego medir el cambio en la viscosidad de la muestra. Esta prueba es preferida por algunos fabricantes norteamericanos, pero está siendo gradualmente reemplazada por la prueba de cojinete de rodillos cónicos CEC L45-A-99 KRL.

CEC L45-A-99 – La prueba KRL de Cojinete de Rodillos Cónicos se está convirtiendo en la prueba preferida de muchos fabricantes (OEMs) alrededor del mundo, ya que es considerada la más severa y ofrece la mejor correlación con el desempeño real en campo. El aceite de prueba se hace funcionar en un cojinete de rodillos cónicos adaptado durante 20 horas bajo carga de diseño. Las viscosidades se miden antes y después de la prueba y luego se comparan para establecer el porcentaje de pérdida de viscosidad.

La gráfica que se muestra a continuación muestra un 12.6% de reducción de viscosidad por corte en un aceite inestable al corte en comparación con un aceite estable, como se demuestra en la prueba KRL de Cojinete de Rodillos Cónicos.

Aplicación de prueba de estabilidad al corte: bombas hidráulicas Si bien las pruebas de laboratorio brindan datos útiles sobre estabilidad al corte de fluidos hidráulicos, otro método es medir la estabilidad al corte en una bomba hidráulica en operación. Hacer pruebas en una bomba hidráulica replica las fuerzas y condiciones encontradas en el uso diario. En el ejemplo mostrado más abajo, se recabaron datos de dos fluidos en un equipo de prueba consistente de una Bomba de Paletas Vickers 25VQ funcionando a 138 Bar (2,000 psi) y 52ºC por 168 horas.

En este ejemplo, el aceite hidráulico de alto IV pero inestable al corte sufrió una pérdida de viscosidad cercana al 30% en sólo dos días, cayendo fuera del grado de viscosidad ISO en menos de un día de operación de la bomba. Por otra parte, una formulación más estable al corte retiene una viscosidad consistente durante toda la prueba. La diferenciación tiene una implicación significativa en la lubricación y operación de un sistema hidráulico.

 

Impacto de la estabilidad al corte: Ventana de Temperatura de operación y la “fatiga de la tarde”

Un corte permanente y excesivo, como se muestra en el ejemplo anterior, tiene serias implicaciones para un sistema hidráulico. A medida que el corte aumenta, la Ventana de Temperatura de Operación disminuye. El concepto de “ventana” para un sistema hidráulico es una medida del rango de temperaturas de operación mínimo y máximo. La Ventana de Temperatura de Operación de los fluidos hidráulicos depende de la viscosidad inicial, IV y estabilidad al corte.

Aumentar el corte reduce las propiedades a alta temperatura del fluido bajando su viscosidad. Como un ejemplo, considere los dos fluidos usados en la bomba de prueba. El fabricante del equipo recomienda un fluido hidráulico ISO VG 46 para las temperaturas esperadas de operación. Con base en la prueba del equipo con la bomba de paletas, en lo que transcurre un día, el aceite inestable al corte ISO VG 46 ha caído a un ISO VG 32; en menos de dos días, el aceite ha caído incluso por debajo del grado ISO VG 32. Esta pérdida en la viscosidad podría causar probablemente un aumento del desgaste durante las elevadas temperaturas de operación, lo cual podría llevar a fallas en el equipo.

 

Adicionalmente, la menor viscosidad podría resultar en lo que muchos operadores llaman la “fatiga de la tarde”. Aumentos tanto en temperaturas de sistema como ambiente comúnmente ocurren a medida que una máquina trabaja más tiempo durante el día. Cuando las temperaturas suben, la viscosidad disminuye y la eficiencia volumétrica de las bombas del sistema disminuye. El resultado es una reducción en el caudal que entregan las bombas, haciendo más lenta la velocidad de respuesta de los actuadores en el sistema. Fluidos con una gran cantidad de pérdidas por corte pueden experimentar proporcionalmente más “fatiga de la tarde” en comparación con fluidos que tienen mayores estabilidades al corte, lo que finalmente reduce la productividad de la máquina.

 

Conclusión

La capacidad de un aceite hidráulico para mantener una viscosidad óptima bajo una amplia ventana de temperatura de operación puede alcanzarse con un fluido hidráulico estable al corte y de alto IV. Bien formulados, este tipo de fluidos hidráulicos han probado mantener óptima viscosidad del lubricante manteniendo una amplia ventana de temperatura de operación y prevenir disminuciones en la eficiencia volumétrica.

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