Sensibilidad a la contaminación de componentes hidráulicos y de lubricación: datos de holguras y objetivos ISO 4406

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Dimensiones de holgura por tipo de componente

Las holguras internas críticas definen los umbrales de daño por tamaño de partícula de cada clase de componente. Servoválvulas electrohidráulicas: espacio tobera-paleta de 18–63 µm; holgura radial corredera-alojamiento de 1–4 µm; orificio del tubo de chorro de 130–450 µm; la holgura corredera-alojamiento de 1–4 µm rige la sensibilidad. Válvulas direccionales proporcionales: holgura radial corredera-alojamiento de 3–8 µm. Bombas de pistones compensadas por presión: holgura radial pistón-cilindro de 5–10 µm; espacio de la placa de distribución de 0.5–5 µm (el espacio de la placa de distribución es la dimensión que rige la sensibilidad a la limpieza de la bomba de pistones). Bombas de paletas: espacio punta de paleta-anillo de 0.5–1 µm; holgura lateral del rotor de 10–25 µm; la holgura de la punta de la paleta es la dimensión más sensible de la máquina. Bombas de engranajes: holgura punta del engranaje-carcasa de 0.5–5 µm; holgura cara del engranaje-placa de 5–25 µm; holgura de los cojinetes de deslizamiento de 10–50 µm. Cilindros hidráulicos: espacio sello del pistón-cilindro (contacto del sello, sin holgura dura); sello del vástago: acabado Ra de 0.05–0.25 µm. Cojinetes de deslizamiento del motor: espesor de la película de aceite mínimo de 0.5–2 µm a plena carga; holgura de operación de 5–75 µm (varía según el tamaño y la carga del cojinete).

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Relación entre tamaño de partícula y umbral de daño

Las partículas causan daño cuando son mayores que el espesor mínimo de la película pero lo bastante pequeñas para entrar en la holgura. Las partículas menores que el espesor de la película pasan arrastradas sin contacto. Las partículas mayores que la abertura de la holgura se traban en lugar de entrar, lo que causa atascamiento de la válvula y posible bloqueo hidráulico en lugar de desgaste abrasivo. El tamaño de partícula más dañino para una holgura dada es aproximadamente 1–2× el espesor mínimo de la película: lo bastante grande para puentear el espacio y causar contacto abrasivo, y lo bastante pequeño para entrar y atravesarlo. Para una holgura de corredera de servoválvula de 2 µm, el tamaño de partícula más dañino es de aproximadamente 2–6 µm. El informe ISO 4406 en los umbrales de ≥4 µm(c), ≥6 µm(c) y ≥14 µm(c) está diseñado para captar estos rangos de tamaño críticos. Las partículas de ≥4 µm(c) rigen la protección de servoválvulas y bombas de paletas. Las de ≥6 µm(c) rigen la protección de válvulas proporcionales y bombas de pistones. Las de ≥14 µm(c) rigen la protección de bombas de engranajes y cilindros.

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Objetivos ISO 4406 por clase de componente

Objetivos de limpieza del sistema ISO 4406 recomendados (rige el objetivo del componente más sensible presente): servoválvulas (holgura de corredera de 1–4 µm): ISO 14/12/9 a ISO 16/14/11 según la criticidad de la aplicación; aeroespacial y máquinas herramienta de precisión en el extremo más estricto; aplicaciones servo industriales normalmente ISO 16/14/11. Válvulas direccionales proporcionales: ISO 17/15/12. Bombas de pistones compensadas por presión (alta presión, pistones axiales): ISO 17/15/12; algunos fabricantes especifican ISO 16/14/11 para presiones por encima de 280 bar. Bombas de paletas: ISO 17/15/12 (pese a la holgura submicrónica de la punta, el mecanismo de daño es el desgaste y no el atascamiento, así que rige el conteo de partículas a ≥6 µm(c)). Bombas de engranajes (industriales estándar): ISO 18/16/13. Válvulas de control direccional (corredera estándar, sin compensación): ISO 18/16/13. Cilindros hidráulicos (estándar): ISO 20/18/15 como mínimo; mejor práctica ISO 18/16/13. Cojinetes de deslizamiento de motor (automotriz): normalmente equivalente a ISO 17/15/12 en el contexto del aceite lubricante. Cojinetes de deslizamiento de motor (diésel de gran diámetro, marino): equivalente a ISO 16/14/11.

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Mecanismos de falla de las servoválvulas

Las servoválvulas fallan por contaminación mediante tres mecanismos, ordenados de menor a mayor daño: (1) Atascamiento de la corredera: las partículas se depositan en la holgura corredera-alojamiento y aumentan la fuerza de arranque; se detecta como deriva del punto nulo y menor ganancia; limpiarla y volver a montarla puede restablecer su funcionamiento. (2) Rayado de la corredera: las partículas duras (sílice, carburos metálicos, residuos de desgaste) atrapadas entre el diámetro exterior de la corredera y el interior del alojamiento crean rayas paralelas a lo largo del resalte de sellado crítico; una vez rayada, la fuga a través del resalte de la corredera aumenta y la ganancia de la válvula baja de forma permanente: hay que reemplazar la válvula. (3) Obstrucción de la tobera: en las servoválvulas de dos etapas de tobera-paleta, las partículas en el orificio de la tobera (normalmente de 130–450 µm de diámetro) causan una obstrucción parcial o total del orificio de control, lo que provoca la saturación de la señal de control. Cada mecanismo requiere un diagnóstico y una acción correctiva distintos; la distribución de tamaños de partícula del conteo ISO 11171 ayuda a identificar qué mecanismo está activo.

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Sensibilidad de la bomba de pistones y progresión de la falla

Las bombas de pistones axiales son la máquina hidráulica de alta presión más común y la más compleja desde el punto de vista de la contaminación. Interactúan tres holguras críticas: pistón-cilindro (5–10 µm): la contaminación en esta holgura causa fricción de deslizamiento intermitente del pistón y menor eficiencia volumétrica; el rayado aumenta la fuga interna. Placa de distribución-barril (0.5–5 µm): esta película hidrodinámica es la más delgada de la bomba; la contaminación causa picaduras por erosión de cavitación y rayado de la cara, detectables como partículas metálicas en el aceite y audibles como un cambio en el ruido de la bomba. Patín-plato inclinado (2–8 µm): el rayado de los patines reduce la fuerza de retracción del pistón y provoca el desprendimiento del pistón. Progresión de la falla por contaminación de la bomba de pistones: (1) pérdida de eficiencia volumétrica (detectable midiendo el caudal); (2) fuga de drenaje de carcasa elevada (>10% del caudal nominal indica desgaste avanzado); (3) ruido de alta frecuencia audible por el rayado de la placa de distribución; (4) falla catastrófica de cojinetes por el cambio de carga del plato inclinado. El monitoreo por análisis de aceite ICP (tendencia de partículas de Fe) detecta la progresión de las etapas 1–2 antes de la etapa 3.

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Sensibilidad de los cojinetes del motor y desgaste por contaminación

El espesor mínimo de la película de aceite de los cojinetes de deslizamiento del motor a plena carga (película hidrodinámica) es el parámetro crítico de la sensibilidad de los cojinetes a la contaminación. A la velocidad y carga nominales, el espesor mínimo de la película suele ser de 0.5–2 µm en los cojinetes de cabeza de biela de los motores de alta velocidad. El número de Sommerfeld rige el espesor de la película: h_min ∝ (η × N × L × D) / (W × c), donde η es la viscosidad, N la velocidad del eje, L y D las dimensiones del cojinete, W la carga y c la holgura radial. Las partículas mayores que el espesor mínimo de la película rayan las superficies de los cojinetes. La aleación de los cojinetes (Babbitt, cobre-plomo, aluminio-estaño) tiene una dureza de aproximadamente 20–40 HV, más blanda que las partículas contaminantes típicas (sílice: ~1,000 HV; carburo de hierro: ~1,500 HV). Esta diferencia de dureza significa que cada partícula contaminante más dura que la superficie del cojinete causa un desgaste medible en cada paso. Análisis de aceite ICP: Fe (desgaste de los muñones del cigüeñal), Cu y Pb (desgaste de cojinetes de cobre-plomo) y Sn (desgaste de la capa de Babbitt) son los marcadores específicos del deterioro de los cojinetes por contaminación.

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Sensibilidad específica de bombas de paletas y motores de engranajes

Las bombas de paletas operan con las puntas de las paletas en contacto con el anillo de leva con una holgura muy pequeña (radio de la punta de paleta de 0.5–1 µm; el contacto es nominalmente cero con sustentación hidrodinámica a velocidad). A baja velocidad (por debajo de la velocidad mínima de película hidrodinámica), las puntas de las paletas operan en lubricación límite: contacto directo con la superficie del anillo de leva. Las partículas contaminantes en esta interfaz rayan el anillo de leva, lo que avanza hasta el astillado de las puntas de las paletas y la fractura catastrófica de paletas con cargas de alta presión. El objetivo de limpieza ISO 17/15/12 para bombas de paletas es conservador pero necesario: la experiencia de campo muestra tasas de falla de bombas de paletas 3–5× mayores con ISO 18/16/13 que con ISO 17/15/12. Los motores de engranajes (internos y externos) sufren el daño por contaminación sobre todo en las caras de los dientes y en los cojinetes de deslizamiento. Las partículas abrasivas en la zona de contacto de los dientes causan picaduras y desprendimiento, detectables como aumento de vibración y Fe/Cr elevados en el análisis de aceite. La tolerancia a la contaminación de los motores de engranajes es mayor que la de las máquinas de pistones o de paletas porque la zona de contacto de los dientes admite un rango de partículas relativamente amplio, pero los motores de engranajes de alta presión (por encima de 250 bar) muestran una sensibilidad cercana a la de las bombas de pistones por la mayor carga en las caras de los dientes.

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