CAVITO EROSION Mecanismos de Formación en Cojinetes Planos

Ing. Roberto J. Leonetti – TRIBOMECANICA Consultoría de Desgaste y Lubricación

Introducción

La CAVITACION es la creación espontanea de burbujas en un líquido cuando la presión cae por debajo de la Presión de Vapor a la temperatura local. La EROSION producida por el colapso de estas burbujas se denomina CAVITO EROSION.

CAVITO EROSION en Cojinetes de Motor

La Cavito Erosión en los Cojinetes de los Motores de Combustión Interna (C.I.) es una fatiga por impacto producida por el colapso de las burbujas formadas en la película de aceite por los cambios de presión durante el ciclo del cigüeñal.

El cigüeñal equilibra las fuerzas a que está sometida mediante la presión hidrodinámica creada en la película de aceite (Figura # 1).

Pero como las fuerzas aplicadas al cigüeñal varían en dirección y magnitud, este debe cambiar de posición dentro del cojinete para equilibrarlas adoptando diferentes ubicaciones (Figura # 2). 

Estos cambios en la posición del cigüeñal crean espacios que deben ser llenados, pero la demora del aceite en completarlos crean una fuerte caída de la presión. Si la presión cae por debajo de la presión de vapor del lubricante se generan burbujas. Al restablecerse la presión, las burbujas colapsan y producen CAVITO EROSION. (ver linea roja en la Figura #2)

La EROSION de la superficie de los cojinetes se produce por fatiga del impacto de las implosiones de las burbujas siempre que  la energía de la misma alcance un valor suficientemente alto. Esta energía depende del tamaño de la burbuja y del diferencial de la presión interior y la de la presión restaurada del lubricante al momento de colapsar.

Las burbujas tienden a nuclearse aumentando su tamaño. Pero esto necesita tiempo físico por lo que la CAVITO EROSION es más frecuente en motores de velocidades bajas y estables porque hay más tiempo para la nucleación de las burbujas y el aumento de la energia de la implosion.

 La velocidad del jet de líquido en la implosión es directamente proporcional a la energía de colapso y se calcula:

 υ = ((P x V)/ б)²                          υ                Velocidad del colapso
                                                     P                Presión del Colapso
                                                     V               Volumen de la Burbuja
                                                     Ϭ               Densidad del Líquido

 Ejemplo: La velocidad de Colapso para una Presión de  Colapso de 1 atm (0,1MPa) y una Burbuja con  Radio de 1mm supera los 100 m/seg.

 Cuando una burbuja colapsa en el seno del líquido solo genera una onda de presión sin daños a las partes. Pero cuando la burbuja se apoya sobre la superficie del cojinete pierde el equilibrio interno de presiones y colapsa asimétricamente formando un microjet que impacta directamente en la superficie (Figura # 3).

Con la implosión cae la presión local y las burbujas cercanas pierden también su equilibrio y colapsan impactando la misma zona.

Las zonas erosionadas en la superficie del cojinete sirven de gatillo para concentrar la implosión de las próximas burbujas  generando temperaturas muy altas que maximizan el proceso de EROSION.

 La CAVITOEROSION es un proceso acumulativo que primero destruye la micropelícula del cojinete (espesor de 0,02 a 0,03 mm) y luego ataca al sustrato de Cobre Plomo o Aluminio.

Si se detecta en etapas tempranas y se reemplaza los cojinetes, se evita que derive en una falla catastrófica pero la CAVITO EROSION puede continuar.

 Al destruirse la micropelícula del cojinete se expone el material antifricción al ambiente acido del motor, el cual puede ser corroído, especialmente el Plomo de la aleación. El material corroído es lavado mecánicamente por la presión hidrodinámica dejando al descubierto nuevo material virgen propenso a la corrosión.

El sustrato del cojinete termina desgranándose y deteriorándose su superficie de trabajo. Esto facilita el contacto metálico del cojinete con el cigüeñal y un aumento de la temperatura que inicia un ciclo de rotura del cojinete.

Los cojinetes de Cu-Pb son más susceptibles que los de aluminio  porque el plomo al corroerse se disuelve como un jabón dejando una estructura de Cobre remanente, totalmente porosa que termina rompiéndose por las presiones de hidrodinámicas.

 CASOS de CAVITOEROSION

Existen distintos mecanismos que crean los cambios de presión en el interior de los cojinetes que producen la CAVITO EROSION de los cojinetes.

 INERCIA del Lubricante  Las burbujas se crean por la caída de presión creada al separarse el eje del cojinete y la demora del aceite en llenar los espacios creados (ver zona inferior en figura # 4 - línea azul). Al revertirse el movimiento se restablece la  presión y colapsan las burbujas. 

El patrón típico de esta forma de CAVITOEROSION  son marcas circunferenciales situados en los laterales del cojinete y a los bordes de las ranuras como se muestra en la Figura # 4.

APLASTAMIENTO de la pelicula de aceite   El cigüeñal al acercarse muy rápidamente al cojinete aplasta al lubricante allí ubicado desplazándolo. La propia inercia del lubricante crea una zona de muy baja presión detrás de él generando burbujas. El restablecimiento de la presión produce las implosiones de las mismas.

Las zonas erosionadas se observan en forma de “mariposa” o “splash” (ver Figura  # 5). Es una de las Cavito Erosión más destructivas por ocurrir en una zona cargada y las presiones al restablecerse son muy altas.

DISCONTINUIDADES  Geométricas  El lubricante arrastrado por el cigüeñal pasa a alta velocidad por los borde de las ranuras y de los orificios de lubricación produciéndose una abrupta caída de su presión. El espesor de la película de lubricante es de aproximado 0,01 mm y al pasar por el orificio de lubricación  se expande a más de 1 mm (más de 100 veces).

Esta expansión hace caer instantáneamente la presión y crean burbujas que rápidamente colapsan al  concluir el pasaje por el orificio y restablecerse la presión. Es una erosión que progresa lentamente y no afecta el rendimiento del cojinete ni genere una falla catastrófica. La erosión se produce en el borde de salida del orificio (Figura # 6).

También es común que se produzca en la traba del cojinete o en la finalización de la ranura de lubricación como se observa en la Figura  # 7.

Al finalizar la ranura se produce un rápido incremento de la presión que hace implotar las burbujas creadas.  

EROSION por Impacto Hidráulico  Es creada por el impacto debido a la aceleración del flujo del lubricante en los conductos de lubricación del cigüeñal por las depresiones creadas durante el ciclo del cigüeñal.

Sucede en los cojinetes de bancada con ranura de lubricación solo en su medio superior y sin ranura en el medio.  La alimentación del  lubricante al cojinete de biela se produce por el interior del cigüeñal mediante un conducto en el muñon con dos entradas a 180 grados (Figura # 8). Este conducto se alimenta por la ranura superior y alterna entre una y otra entrada al girar el cigüeñal. Siempre una entrada estará conectada para asegurar un flujo permanente. 

Cuando una entrada del conducto deja la ranura se interrumpe su alimentación y se produce un brusca descompresión del lubricante en la boca de dicho conducto por el espacio creado atrás de la columna del lubricante (círculo rojo en Figura #8).  Esto crea burbujas de aceite. 

El flujo de aceite que comienza a ingresar por la otra entrada es acelerado por la depresión creada y aplasta con violencia a las burbujas creadas haciéndolas colapsar. 

La foto adjunta es la de un cojinete de un motor que opero a velocidades constantes por extensos periodos mostrando diferentes aéreas erosionadas de acuerdo a la velocidad de servicio. Esta falla es  más común en motores que funcionan a velocidades constantes por el efecto acumulativo en un mismo lugar. 

Es una CAVITOEROSION muy peligrosa porque puede alcanzar velocidades de erosión  muy altas y producir la destrucción de los cojinetes muy rápidamente como se muestra en la Figura 10. La CAVITO EROSION destruyo los cojinetes de biela y produjo la rotura de la biela (Figura # 11). 

Las causas en este caso se explica por el ciclo del motor. En el momento de la COMBUSTION (360 grados del ciclo), la fuerza de los gases sobre la biela provocan que el cigüeñal y cojinete se acerquen en la zona superior   creando una caída de presión en la zona opuesta (lado inferior del cojinete-circulo naranja Figura #11). Esto crea una CAVITACION del lubricante con creación de burbujas de vapor de aceite.                                                    

Al girar 90 grados (450 grados del ciclo) una entrada del orificio de lubricación del cigüeñal coincide con esa zona de muy baja presión (Flecha naranja Figura # 11). La gran diferencia de presión entre la de alimentación del lubricante y esta zona acelera el aceite en el conducto de lubricación haciéndolo impactar violentamente contra el cojinete en la otra entrada del orificio colapsando las burbujas y provocando una erosión muy localizada de la micropelícula  

La Figura # 12 muestra la erosión producida a 45 grados de la zona de mayor carga y del lado de la uña del motor perfectamente circular y sin signos de desgaste adhesivo.

Analizando otros cojinetes del motor se pudo reconstruir la evolución de la falla. El material del sustrato sin  la protección de la micropelícula sufre corrosión ayudada por la difusión de gases reactivos en la superficie del material y por la permanente remoción mecánica de las capas corroídas.

El cojinete de la Figura # 13 solo tenía 1800 horas de uso y el material antifricción ya esta desgranado con signos de corrosión y con marcas de roce por la destrucción parcial de la superficie portante del cojinete. El deterioro de la superficie de trabajo del cojinete produjo una disrupción de la película de aceite con rozamiento mecánico y un aumento local de la temperatura. 

El rozamiento mecánico recalentó el muñón del cigüeñal por el roce mecánico y transmitió la temperatura al cojinete con el cual comparte el muñón afectándolo (Cojinete de biela nro.13 de la Figura # 14). La temperatura se transmitió hasta los muñones de las bancadas adyacentes afectando su lubricación por lo que sufrieron un fuerte rozamiento del material antifricción (Bancadas Nro. 3 y 4 de la Figura # 15).

Las temperaturas locales fueron superiores a los 800 grados por la coloración alcanzada. La destrucción del cojinete produjo la rotura de la biela y afecto severamente al cigüeñal.

La lubricación del motor era correcta por el estado de los otros cojinetes de bancada (Figura # 16). 

Al analizarse otros motores idénticos de la misma central se observo una erosión localizada en casi todos los cojinetes de biela, en la misma ubicación (a 45 grados de la corona y del lado de la uña) y únicamente en los cojinetes de la fila de los cilindros 1 a 10 (lado izquierdo) y ninguno de la fila 11 a 20 (lado derecho). Esto sucedía porque en los cojinetes del lado derecho de este motor V20 no se producía la coincidencia entre el orificio de lubricación y la zona de baja presión.

La sinergia entre la CAVITACIONEROSION  y la CORROSION produjo en menos de 1800 hs la destrucción del motor con la rotura de la biela, el deterioro del cigüeñal y fisuras en el block.

 Analizando diversos cojinetes del mismo motor pudimos reconstruir la evolución de la destrucción de la superficie de trabajo del cojinete por esta CAVITO EROSION. 

En el detalle a) la erosión es apenas perceptible (ver con detenimiento en el interior del circulo naranja), en el b) ya se observa la desaparición local de la micropelícula, en las c) la acción combinada de la CORROSION y la EROSION ha desgranado la estructura del material antifricción y en la d) aparecen los primeros signos de fuerte roce mecánico.

 

La destrucción de la micropelícula por la CAVITO EROSION expuso el material antifricción de Cobre/Plomo al ambiente acido del interior del motor permitiendo la corrosión y el deterioro de la fase Plomo de la aleación. El plomo corroído se disuelve como un jabón y es eliminado mecánicamente por la presión hidrodinámica y las ondas de presión de la CAVITACION. El material del cojinete se convierte en una estructura de Cobre totalmente porosa que se desgrana con la presión hidrodinamica.

En este motor una de las causas de la CAVITOEROSION fue la re potenciación de los motores con pistones de acero que aumento la temperatura del motor y del lubricante. Esto disminuye la presión de vapor necesaria para la aparición de la CAVITO EROSION y acelera la CORROSION.

 Recomendaciones

La CAVITOEROSION no tiene un método correctivo único para eliminarlo y deben aplicarse todas las medidas posibles para minimizar o eliminar su efecto. La Cavito Erosión es afectada por factores como las luces de armado, presión de alimentación del lubricante, temperatura del aceite, diseño de los conductos y canaletas de lubricación, vibraciones torsionales del cigüeñal, etc.  No es un solo factor sino la coincidencia de varios los que producen la energía necesaria para disparar la CAVITOA EROSION.

 PRESION DE ACEITE de SUMINISTRO: un aumento de la Presión de Suministro del sistema de lubricación garantiza una más rápida reposición del aceite y reduce sensiblemente la Cavitación. En la bibliografía (1) se indica un caso que con el aumento de la presión de 2 kg/cm2 y la reducción de la luz de armado en un 25% se logró eliminar la CAVITOEROSION del motor.

·       CONTROLAR la TEMPERATURA DE ACEITE: el aumento de la temperatura del lubricante reduce su viscosidad (permite movimientos más violentos del eje dentro del cojinete) y disminuye la presión de vapor necesaria para la creación de las burbujas de aceite. Los pistones de acero incrementan la temperatura del aceite por trabajar a más temperatura que los de aluminio.

·       DISEÑO de las ranuras, trabas y orificios suavizando los cambios de geometría

·       LUCES de ARMADO: Utilizar valores medios de las luces de aceite de armado de los cojinetes  evitando los máximos porque permiten mayores movimientos al eje que facilitan la CAVITOEROSION.

·       MATERIAL de la MICROPELICULA y del SUSTRATO: la Micropelícula aplicada por Sputtering es la más resistente a la EROSION. Recomendamos el uso de cojinetes sin Plomo para disminuir el riesgo de CORROSION.

·       NIVEL de POTENCIA: mayor potencia produce mayor carga en los cojinetes y mayor violencia en los movimientos del eje dentro del cojinete. Con temperaturas del ambientes de altas debe regularse la potencia de acuerdo a fin de mantener bajo control las temperaturas internas del motor.

·       CONTROLAR LOS COJINETES al menos cada 5,000 horas. Reemplazar los cojinetes al menor signo de Cavito Erosión.

·       NO DEJAR DETENIDO MUCHO TIEMPO EL MOTOR el ataque corrosivo se incrementa en motores detenidos por largos periodos por no renovarse el aceite que los moja.

·       ESTABILIDAD de los LUBRICANTES Los lubricantes deben tener un alto valor de TBN para mantener la resistencia a la corrosión y evitar la corrosión del sustrato de COBRE PLOMO cuando se desgasta la micropelícula. La pérdida de la capacidad anticorrosiva del aceite aumentan drásticamente con el aumento de la temperatura.

·        BIBLIOGRAFIA

1) Erosion Damage Engine Bearings- R.O. James – Glacier ltd
2)  Semienaberichte- BHW – 2008
3) Bearings Failures – Glacier
4) Mechanism of Cavitation –STLE nor 89-TC-58-1
5) Federal Mogul Technical Center. Technical Reports
6) ASTM Volumen 18
7) Cavito-Erosión en Cojinetes de Motores -AAT eTRIBOS nro. 1 –Marzo 2014
8)  Cavitation Estimates by Orbit Prediction of a Journal Bearing - Tribology 1 vol 33/2015