Los pistones de compresores de aire, máquinas de vapor y bombas de vacío suelen utilizar sistemas de lubricación por presión mediante bombas de aceite lubricante. Una falla en este sistema de lubricación puede tener efectos graves en el funcionamiento del pistón, por lo que una lubricación adecuada en el conjunto del pistón es un factor esencial al diseñar pistones tradicionales.

La alternativa sucia

Para evitar fallos en el sistema, algunos diseños de pistones aprovechan la lubricación por salpicadura. En lugar de suministrar aceite al pistón mediante una bomba, la lubricación por salpicadura se basa en el aceite que salpica hacia el pistón desde el cárter de aceite situado en la parte inferior del bloque de motor. Aunque la lubricación por salpicadura es una solución sencilla y más fácil de implementar que un sistema de lubricación forzada, tiene sus inconvenientes. La lubricación insuficiente, la lubricación excesiva y la contaminación del aceite son solo algunos de los posibles modos de fallo de un sistema de pistones lubricado por salpicadura.

La única forma infalible de eliminar los problemas relacionados con el sistema de lubricación es prescindir por completo de él.

La lubricación sin aceite se adapta a las necesidades actuales

Para evitar los posibles problemas derivados de un sistema de lubricación defectuoso y adaptarse a aplicaciones donde los lubricantes a base de aceite o grasa podrían contaminar el producto, como ocurre en muchas aplicaciones de las industrias alimentaria y farmacéutica, muchos ingenieros recurren hoy a diseños de anillos de pistón completamente libres de lubricación.

Además de eliminar los posibles modos de fallo asociados a un sistema de lubricación típico, los conjuntos de pistones sin lubricación permiten a los diseñadores manejar gases comprimidos sin que estos absorban aceite ni grasa durante la compresión.

Esto resulta crucial para diseñar sistemas como los compresores de aire, que deben producir aire a presión totalmente libre de aceites en suspensión. Al aprovechar materiales autolubricantes modernos como el  carbón grafito, los diseñadores de motores pueden eliminar por completo los sistemas de lubricación de sus diseños y abrirse a un nuevo mundo de posibles aplicaciones.

CÓMO HACER QUE LOS DISEÑOS AUTOLUBRICANTES FUNCIONEN EN SU APLICACIÓN

La resistencia al impacto relativamente baja del carbón grafito y su susceptibilidad al agrietamiento limitan los casos en los que puede utilizarse de forma segura. Solo las aplicaciones con un diferencial de presión relativamente bajo y velocidades de pistón moderadas pueden aprovechar las ventajas de los anillos de pistón de carbón grafito.

Por esta razón, normalmente no se encuentran anillos de pistón de carbón grafito en motores automotrices. Sin embargo, el carbón grafito es lo suficientemente duradero para utilizarse en aplicaciones de menor presión, como bombas de refrigerante o compresores de gas de funcionamiento en seco.

En aplicaciones de mayor presión, los diseñadores pueden compensar la capacidad limitada de sellado aumentando el número de anillos de pistón en el diseño, aunque con frecuencia están limitados por el espacio disponible dentro del alojamiento de los anillos.

El número aproximado de anillos de pistón de carbón grafito necesarios en una aplicación específica se relaciona con la diferencia de presión, medida en atmósferas, mediante la siguiente fórmula:

N.º de anillos ≈ 0,3 · Δp

Es importante señalar que esta fórmula es una aproximación. Siempre recomendamos a los diseñadores de anillos de pistón que prueben los nuevos diseños antes de su implementación.

COMBATIR EL DESGASTE: DIRECTRICES DE DISEÑO PARA ANILLOS EN APLICACIONES DE FUNCIONAMIENTO EN SECO

Dado que la mayoría de las aplicaciones que utilizan anillos de pistón de carbón grafito operan en seco, las tasas de desgaste suelen ser una preocupación importante durante la fase de diseño.

Para reducir las condiciones que provocan desgaste excesivo en aplicaciones de funcionamiento en seco, es importante que el diseño de los anillos considere ciertas directrices:

• Acabado fino de la superficie de la pared del cilindro, con una rugosidad de 12 Ra o superior.
• Las velocidades del pistón no deben superar los 10 pies/s.
• Los anillos de pistón de carbón grafito deben tener una sección transversal mayor que los anillos de pistón metálicos para compensar la menor resistencia del material.
• Utilizar un elemento de presión externo (por ejemplo, un resorte de lámina) para ejercer una presión hacia fuera de entre 1 y 3 psi sobre el anillo de pistón, garantizando así un sellado adecuado contra la pared del cilindro. Las presiones demasiado elevadas aumentan la tasa de desgaste sin aportar un efecto de sellado adicional.

Consideraciones especiales: resortes de apoyo y ranuras en los anillos

Los resortes de apoyo normalmente no representan una preocupación en los anillos de pistón tradicionales de hierro fundido, pero sí deben considerarse cuando se utiliza carbón grafito.

Dado que el carbón grafito no tiene tensión natural, la presión de sellado entre el anillo de pistón y la pared del cilindro debe provenir de una fuente externa. Esta fuente suele ser algún tipo de resorte.

Entre las opciones de resortes más comunes se incluyen:

• resortes de lámina
• bandas de muelles corrugados
• anillos de tensión de hierro fundido
• anillos de compresión en espiral

Los anillos de pistón de carbón grafito deben tener al menos un corte a lo largo de su circunferencia. Un anillo sólido no puede proporcionar suficiente presión de sellado alrededor de toda la circunferencia.

Aunque un solo corte diagonal en el anillo de pistón es suficiente en muchos diseños, también pueden utilizarse múltiples cortes. En ese caso, el anillo de pistón funciona esencialmente como un anillo de sellado segmentado.

En diseños de pistón más largos, donde un anillo con un solo corte no puede deslizarse fácilmente hasta su posición, los anillos segmentados ofrecen una instalación más sencilla. En estos casos, los segmentos pueden colocarse alrededor del pistón y mantenerse en su lugar mediante la pared del cilindro.

Los diseñadores de anillos de pistón buscan constantemente nuevas formas de mejorar diseños existentes para evitar problemas, reducir recursos adicionales y disminuir esfuerzos de mantenimiento. La adopción de materiales autolubricantes ha abierto nuevas posibilidades y ha mejorado la confiabilidad de muchos diseños de pistón.

Los avances en la tecnología del carbón grafito continúan ampliando los límites de las aplicaciones de anillos de pistón autolubricantes. A medida que se desarrollan más grados de material, se abren nuevas oportunidades para aprovechar esta tecnología.

Ponte en contacto con un ingeniero de Metcar para descubrir qué grado de material es el más adecuado para tu aplicación.