La curva de Stribeck: los tres regímenes de lubricación
La curva de Stribeck relaciona el coeficiente de fricción con el número de Stribeck (η·n/P), donde η es la viscosidad dinámica, n la velocidad de rotación y P la presión específica. El resultado es una curva en forma de "J" con tres zonas claramente diferenciadas que determinan el comportamiento tribológico del cojinete.
Contacto directo metal-metal. Aditivos EP y AW son los únicos que reducen el desgaste. Ocurre en arranque, parada y sobrecargas.
Película parcial. Algunas asperezas en contacto. Zona de transición durante aceleración y desaceleración. Parámetro lambda (λ) entre 1 y 3.
Película completa. Cero contacto metal-metal. El lubricante soporta toda la carga. Desgaste mínimo — la vida del cojinete depende solo de la limpieza del aceite.
Número de Sommerfeld
S = (η · n · L · D) / (W · (c/R)²). Donde η = viscosidad dinámica [Pa·s], n = velocidad [rps], L = longitud del cojinete [m], D = diámetro [m], W = carga [N], c/R = holgura relativa. Un valor de S > 4 garantiza régimen hidrodinámico completo. Por debajo de 1, el régimen es mixto o límite.
Tipos de cojinete liso y su lubricante óptimo
Babbitt (aleación Sn-Sb)
Bronce (Cu-Sn, Cu-Pb)
PTFE compuesto
Hidrostático (external pressure)
Tabla de selección de viscosidad por tipo de cojinete
La viscosidad se especifica siempre a la temperatura de operación del cojinete, no a temperatura ambiente. Un aceite VG 100 a 40°C tiene ~10 cSt a 100°C — si el cojinete opera a 90°C, la viscosidad efectiva es mucho menor que la nominal. El error más común: especificar el grado ISO VG a 40°C sin considerar la temperatura real del cojinete.
| Tipo de cojinete | Velocidad | Carga | ISO VG | Base recomendada |
|---|---|---|---|---|
| Cojinete radial alta velocidad | >3.000 rpm | Baja-media | VG 32-46 | Mineral Grupo II / PAO |
| Cojinete radial velocidad media | 500-3.000 rpm | Media | VG 68-100 | Mineral Grupo II |
| Cojinete radial baja velocidad | <500 rpm | Alta | VG 150-320 | Mineral Grupo I / II |
| Cojinete axial (empuje) | Cualquiera | Alta axial | VG 100-460 | Mineral / PAO |
| Cojinete de motor marino | 100-500 rpm | Muy alta | VG 100-150 | Mineral Grupo II BN |
| Cojinete hidrostático precisión | 0-Variable | Alta | VG 10-32 | PAO filtrado ≤ISO 15/13/10 |
| Cojinete Babbitt de turbina | 1.500-3.000 rpm | Media | VG 32-46 | Turbina R&O Grupo II |
| Cojinete de patillas (tilting pad) | >3.000 rpm | Variable | VG 32-46 | Turbina R&O baja espuma |
El arranque en frío: cuando la película aún no existe
Durante los primeros segundos de arranque, la velocidad es insuficiente para generar presión hidrodinámica. El cojinete opera en régimen límite o mixto. En cojinetes de Babbitt, el 80% del desgaste de vida ocurre durante estos instantes. La solución industrial depende del tamaño y criticidad del equipo.
Pre-lubricación hidrostática (jacking oil)
Bomba auxiliar que inyecta aceite a alta presión (6-15 bar) antes del arranque, levantando el eje y creando película antes de que gire. Estándar en turbinas de vapor y grandes compresores.
Aditivos antidesgaste (AW)
ZDDP o ésteres de fósforo crean una capa de sacrificio en las asperezas durante el régimen límite. Reducen el desgaste de arranque hasta un 70% vs aceite sin AW. Standard en aceites de motor y turbina.
Viscosidad baja para arranque rápido
Cuanto menor la viscosidad, más rápido se alcanza el régimen hidrodinámico. Equilibrio: demasiado baja no protege en estado estacionario. PAO con alto índice de viscosidad minimiza el compromiso.
Frecuencia de arranques
Cada arranque degrada el Babbitt. Un motor que arranca 50 veces al día tiene una vida de cojinete 20-50× menor que uno que gira continuamente. El intervalo de cambio de aceite debe considerar el número de arranques, no solo las horas.
Babbitt: temperatura límite crítica
La aleación de Babbitt funde a 240°C (Sn-Sb) o 210°C (Pb-Sb). Si la película se rompe bajo carga alta, la temperatura local puede superar 300°C en microsegundos y el Babbitt se funde parcialmente. Este fallo se llama "bearing wipe" y produce daño irreversible en segundos. La temperatura del aceite en el drenaje del cojinete es el indicador más fiable: alarma a 70°C, parada a 85°C.
Cojinetes hidrostáticos: película a velocidad cero
En un cojinete hidrostático, la película de aceite la genera una bomba externa, no la rotación del eje. El aceite se bombea a presión constante a bolsillos mecanizados en la superficie del cojinete, que "flotan" el eje incluso a velocidad cero. La rigidez del film es proporcional a la presión de suministro — 10× mayor que en un cojinete hidrodinámico equivalente, a igualdad de carga.
Limpieza del aceite
ISO 4406 ≤15/13/10. La holgura del bolsillo es 5-15 µm — una partícula de 5 µm raya la superficie de precision. El aceite nuevo en bidón llega ISO 19/17/14: hay que filtrar antes de usar.
Viscosidad PAO VG 10-32
Viscosidad baja para maximizar el caudal de aceite a través de los bolsillos. PAO Grupo IV tiene un índice de viscosidad 140-160 — la rigidez del film es más estable con temperatura que con mineral Grupo II (VI 95-105).
Aplicaciones de precisión
Husillos de rectificadoras de alta precisión, mesas de máquinas de medición por coordenadas (CMM), telescopios astronómicos, bombas de refrigerante de reactores nucleares — aplicaciones donde la fricción zero es fundamental.
Cojinetes de patillas basculantes (tilting pad)
Los cojinetes de patillas basculantes son la solución estándar en turbinas de gas, compresores centrífugos de alta velocidad y turbogeneradores. Cada patilla se auto-alinea creando su propia cuña de aceite, lo que elimina la inestabilidad dinámica (oil whip) que sufren los cojinetes lisos convencionales por encima de cierta velocidad crítica.
Requisitos del aceite
- Turbina R&O VG 32-46 (sin aditivos EP ni ZDDP)
- Baja tendencia a la espuma: ASTM D892 Secuencia I/II/III {'<'} 25/0/25 ml
- Demulsibilidad {'<'} 30 min (ASTM D1401) — vapor de purga en turbinas de vapor
- RPVOT {'>'} 500 min en aceite nuevo (ASTM D2272)
- Temperatura de operación: 60-90°C en el drenaje del cojinete
Fallo por aceite incorrecto
- EP con azufre activo: ataca el cobre-plomo de Babbitt moderno (Cu-Pb-Sn)
- ZDDP: incompatible con vida larga de aceite de turbina (precipita a altas temp)
- Aceite espumante: la espuma no transmite presión — colapso de film hidrodinámico
- Aceite con agua {'>'} 0,1%: formación de microburbujas en el bolsillo de aceite
- Barniz (varnish): obstruye los orificios de inyección de 0,8-2 mm en segundos
Cojinetes lisos en motores marinos de dos tiempos
Los grandes motores diésel de dos tiempos (MAN B&W, Wärtsilä) emplean dos aceites completamente separados: el aceite de cilindro (lubricación del cilindro y eje de pistón, BN 70-100 para HFO o BN 40-70 para VLSFO/LNG) y el aceite de sistema (cojinetes principales, cojinete de cruceta, cojinetes de biela, BN 5-15). La contaminación cruzada de ambos es el error de mantenimiento más frecuente en buques.
Cojinete principal
Cojinete de cruceta
Cojinete de pie de biela
Limpieza del aceite: ISO 4406 y partículas en cojinetes lisos
La holgura radial de un cojinete liso es 0,1-0,3% del diámetro — para un cojinete de 100 mm, la holgura es de 0,1-0,3 mm. Las partículas mayores de la mitad de la holgura rayan la superficie. En cojinetes de precisión (maquinaria CNC, turbinas) la holgura puede ser de 0,05-0,08 mm — cualquier partícula superior a 25 µm causa daño directo.
| Aplicación | Holgura típica | ISO 4406 objetivo | Filtración |
|---|---|---|---|
| Turbina de vapor / gas | 0,1-0,2 mm | ≤17/15/12 | Filtro 10-25 µm bypass |
| Motor marino diésel 2T | 0,2-0,5 mm | ≤18/16/13 | Filtro magnético + 25 µm |
| Cojinete hidrostático precisión | 0,005-0,02 mm | ≤15/13/10 | Filtro 3-5 µm full-flow |
| Compresor centrífugo | 0,08-0,15 mm | ≤16/14/11 | Filtro 10 µm full-flow |
| Máquina herramienta CNC | 0,01-0,05 mm | ≤15/13/10 | Filtro 3-5 µm + contador |
Programa de análisis de aceite para cojinetes lisos
Parámetros y frecuencia
Interpretación de metales
El análisis ICP detecta metales en solución o partículas < 10 µm. Partículas más grandes no se detectan — complementar con ferrografía analítica si se sospecha desgaste severo.
Envasado de lubricantes industriales
Aceites para cojinetes lisos en el formato que necesita tu planta
Aceite de turbina VG 32-46 en bidones de 200L y cubas de 1.000L para reposición de grandes equipos. Aceite hidrostático PAO VG 10-32 filtrado a ISO ≤15/13/10 en garrafas de 5L y 20L para servicio técnico. Aceites de sistema marino en IBC.
Conclusión
La selección de lubricante para cojinetes lisos no es solo elegir una viscosidad: es diseñar el régimen de lubricación correcto para cada condición de operación. El número de Sommerfeld orienta la selección inicial, pero la temperatura de operación real, la frecuencia de arranques y la calidad del aceite determinan la vida real del cojinete.
El Babbitt sigue siendo el material de referencia en turbinas y motores marinos precisamente porque es conformable y embebe partículas antes de que rayen el eje. Pero esa tolerancia tiene un precio: la temperatura de fusión de 240°C significa que cualquier interrupción de la película puede ser catastrófica en segundos. La pre-lubricación en arranque y el análisis de aceite mensual no son costes — son seguros contra la parada imprevista.
Los cojinetes hidrostáticos representan la evolución hacia precisión extrema: cero fricción a velocidad cero, rigidez controlable y la posibilidad de operar en condiciones donde ningún cojinete rodante sobreviviría. Su único requisito exigente es la limpieza del aceite — un estándar que el envasado a terceros debe garantizar desde el primer litro.