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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y
LUBRICADAS
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA
P R E S E N T A:
ING. EZEQUIEL ALBERTO GALLARDO HERNÁNDEZ
DIRECTOR
DR. MANUEL VITE TORRES
MEXICO, D.F. SEPTIEMBRE 2002
ÍNDICE ii
ÍNDICE DE FIGURAS vi
ÍNDICE DE TABLAS xiii
SIMBOLOGÍA xiv
RESUMEN xvii
ABSTRAC xviii
INTRODUCCIÓN xix
ANTECEDENTES xxii
JUSTIFICACIÓN xxii
OBJETIVOS xxiv
CAPÍTULO I
1. DESARROLLO DE LA TRIBOLOGÍA
1.1 Pasaje histórico de la tribología. 2
1.2 Impacto de desgaste. 10
1.3 Aplicaciones de la tribología. 13
1.3.1 Cojinetes de contacto por deslizamiento. 14
1.3.2 Cojinetes con rodamientos o contacto giratorio. 15
1.3.3 Sellos mecánicos. 16
1.3.4 Engranajes. 17
1.3.5 Levas y seguimientos giratorios. 17
1.3.6 Anillos de pistón. 18
1.3.7 Micro-componentes. 19
1.3.8 Herramientas con recubrimientos duros. 20
CAPÍTULO II
2. TEORIA DE LA FRICCIÓN Y DESGASTE
2.1 Contacto mecánico entre dos superficies. 23
2.2 Geometría de superficies en contacto no conformable. 23
2.3 Superficies y sub-superficies con esfuerzos sometidas a carga. 27
2.3.1. Línea concentrada de esfuerzos. 27
2.3.2 Distribución de cargas normales. 35
2.3.3 Presión normal uniforme. 38
2.4 Fricción adhesiva. 41
2.4.1 Deformación. 41
2.4.2 Fricción. 46
2.4.3 Fricción adhesiva. 48
2.4.4 Fricción estática. 55
2.4.5 Fricción rodante. 57
2.5 Desgaste. 58
2.6.1 Desgaste adhesivo. 59
2.6.1.1 Desgaste adhesivo suave. 61
2.6.1.2 Desgaste adhesivo severo. 62
2.6.2 Análisis del desgaste adhesivo y lubricado. 63
CAPÍTULO III
2. PRINCIPALES CONFIGURACIONES DE LAS PRUEBAS DE DESGATSE
3.1 Pruebas de desgaste. 75
3.2 Arena seca disco / metálico vulcanizado. 75
3.3 Arena húmeda / disco metálico vulcanizado. 77
3.4 Erosión por flujo de partículas sólidas, aplicando gas a presión. 80
3.5 Bloque sobre anillo. 83
3.6 Cilindros cruzados. 85
3.7 Perno sobre disco. 87
3.8 Discos encontrados. 89
3.9 Perno sobre – placa (reciprocante). 90
CAPÍTULO IV
4. DISEÑO DE LA MÁQUINA TRIBOLÓGICA ESFERA SOBRE DISCO
4.1 Características de las máquinas tribológicas, comercializadas
por las empresas manufactureras. 94
4.1.1 Descripción general. 94
4.1.2 Motor. 95
4.1.3 Contador de revoluciones. 95
4.1.4 Porta espécimen y brazo de palanca. 95
4.1.5 Sistema de carga. 95
4.1.6 Contra peso. 96
4.1.7 Tina. 96
4.1.8 Porta disco. 96
4.1.9 Celda de carga. 96
4.2 Características técnicas de la máquina pin on disk. 97
4.3 Metodología del diseño para el desarrollo
de la máquina tribológica esfera sobre disco. 99
4.3.1 Identificación del cliente. 101
4.3.2 Determinación de los requerimientos y expectativas del cliente. 102
4.3.3 Determinación de la importancia de los requerimientos
y expectativas del cliente. 103
4.3.4 Estudio comparativo a productos de la competencia
(benchamarking). 104
4.3.5 Traducir los requerimientos y expectativas en términos
mensurables de ingeniería. 106
4.3.6 Establecimiento de metas de diseño. 107
4.4 Diseño conceptual. 110
4.4.1 Clarificación de los requerimientos del cliente. 111
4.4.2 Definición del modelo funcional. 113
4.4.3 Generación de conceptos. 114
4.5 Evaluación de conceptos. 121
4.6 Dibujos de detalle de cada uno de los elementos diseñados
para la máquina tribológica de configuración esfera sobre disco. 126
4.6.1 Plato base. 126
4.6.2 Flecha transmisora. 127
4.6.3 Tina. 127
4.6.4 Postes. 127
4.6.5 Base del brazo. 127
4.6.6 Bloque para guía. 128
4.6.7 Guía. 128
4.6.8 Tornillo. 128
4.6.9 Bastidor. 128
4.6.10 Eje del brazo. 128
4.6.11 Brazo. 129
4.6.12 Tornillo posicionador. 129
4.6.13 Pesa. 129
4.6.14 Eje del contrapeso y contrapesos. 129
4.6.15 Mandril. 129
4.6.16 Casquillo de bolas. 130
4.6.17 Bomba. 130
4.6.18 Contenedor. 133
4.6.19 Mandril porta esfera. 133
4.6.20 Costos de los componentes. 133
4.7 Diagrama de ensamble de los componentes del prototipo esfera sobre disco. 131
CAPÍTULO V
5 PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL, ESFERA SOBRE DISCO PARA
PRUEBAS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO
5.1 Presentación de la máquina esfera sobre disco. 133
5.2 Manual de operación. 135
5.3 Metodología experimental. 136
5.4 Pruebas preliminares. 136
5.4.1 Pruebas de desgaste por deslizamiento en seco. 136
5.4.2 Prueba lubricada. 151
5.5 Discusión de los resultados. 155
CONCLUSIONES 157
TRABAJOS FUTUROS 158
REFERENCIAS 159
ANEXOS
ÍNDICE DE FIGURAS
Fig. 1.1 Ciencias que apoyan a la tribología. 2
Fig. 1.2 Tribosistema. 3
Fig. 1.3 Escultura de un hombre primitivo afilando una herramienta. 4
Fig. 1.4 En el frente de la colosal piedra, un hombre vierte una sustancia
líquida como lubricante, para facilitar el deslizamiento de la esta 5
Fig. 1.5 Esculturas llevadas afuera de las pirámides por medio de trineos. 5
Fig. 1.6 Lubricador egipcio (Fuente: Physics Today, sep., 1998). 6
Fig. 1.7 Fotografía que ilustra las construcciones antiguas de la cultura romana. 6
Fig. 1.8 Esquema de un bloque sobre una superficie, para deducir las leyes que rigen el
deslizamiento 7
Fig. 1.9 Superficies de diferentes materiales y estados superficiales. 7
Fig. 1.10 Equipos diseñados por Leonardo De Vinci, para medir la
fuerza de fricción. (Fuente: Leonardo De Vinci and Artrabas book). 8
Fig. 1.11 Esquemas de cojinetes antifricción,
realizados por Leonardo De Vinci. 8
Fig. 1.12 Superficies analizadas por Guillaume Amontons. 9
Fig. 1.13 Ilustración de la industria del papel
que se ve afectada por el desgaste. 10
Fig. 1.14 Pérdidas anuales por fricción y desgaste. 11
Fig. 1.15 Fotografía de la industria metal-mecánica. 13
Fig. 1.16 Cojinetes de deslizamiento, utilizados en el deslizamiento. 14
Fig. 1.17 Cojinetes de Ciclismo. 14
Fig. 1.18 Cojinete con rodamientos. 15
Fig. 1.19 Sello mecánico de alto volumen de producción y de uso general. 16
Fig. 1.20 Engranes de bronce. 17
Fig. 1.21 Ilustración de levas y seguidores. 18
Fig. 1.22 Anillos para cilindros neumáticos. 19
Fig. 1.23 Microcomponentes para abrir arterias al flujo sanguíneo. 19
Fig. 1.24 Piezas metálicas con recubrimiento aplicado con la técnica de PVD. 20
Fig. 1.25 Disco duro de computadora con recubrimiento. 20
Fig. 1.26 Herramientas con recubrimiento (NiT). 21
Fig. 2.1 Contacto geométrico entre un cilindro deformable y una superficie
plana: a)sin carga; b) carga por unidad de longitud W/L.
c) contacto entre dos esferas deformables. 25
Fig. 2.2 Línea de carga normal uniforme de intensidad W/L
por unidad de longitud sobre la superficie de un sólido semi-infinito. 32
Fig. 2.3 Franjas foto-elásticas; a) Línea concentrada de carga ; b)presión
uniforme sobre una área infinita; c) Línea nominal
de contacto entre dos cilindros. 33
Fig. 2.4 Círculos de Mohr para esfuerzos localizados en un punto. 33
Fig. 2.5 Cargas simétricamente distribuidas, dos dimensiones. 36
Fig. 2.6 Geometría de una presión de carga de magnitud P. 38
Fig. 2.7 Trayectorias de esfuerzo cortante constante,
bajo una presión uniformemente distribuida. 40
Fig. 2.8 Superficie deformada a causa de una carga
uniformemente distribuida sobre ella. 41
Fig. 2.9 Esquema de dos superficies adheridas. 42
Fig. 2.10 Interacción esquematizada, a)interacción de las asperezas,
b)superficies en deslizamiento. 42
Fig. 2.11 Esquema de diferentes partículas duras,
a)cónica, b)esférica y c)cilíndrica. 43
Fig. 2.12 Coeficientes de fricción. 45
Fig. 2.13 Ilustración esquematizada de, a)un cuerpo en
deslizamiento en una superficie, b)superficie deslizándose
con ayuda de lubricante y c)un cuerpo rodando en una
superficie horizontal; W es la carga normal y F la fuerza de fricción. 46
Fig. 2.14 Fuerza tangencial en función del tiempo o desplazamiento.
Fricción estática, fuerza requerida para iniciar el movimiento
y fricción cinética, así como la fuerza
requerida para mantener el movimiento. 47
Fig. 2.15 a)Dos superficies rugosas en contacto de deslizamiento
y b)diagrama de cuerpo libre de las fuerzas involucradas. 48
Fig. 2.16 Coeficientes de fricción en función de la rugosidad superficial. 52
Fig. 2.17 Identación de una aspereza en un cuerpo dúctil. 54
Fig. 2.18 Coeficientes de fricción en función de Wad/H. 55
Fig. 2.19 Coeficientes de fricción estática en función
del tiempo expuesto al aire. 57
Fig. 2.20 Coeficientes de fricción estática en función del tiempo al aire. 57
Fig. 2.21 Dos cuerpos en contacto no deformable, respecto a un punto O. 58
Fig. 2.22 Fotografías del daño causado por el desgaste adhesivo.
(a) Acero AISI D1. 59
(b) Deformación de la superficie de un espécimen de bronce,
después de interactuar contra un acero grado de herramienta.
(Fuente: ASM Handbook Vol. 18, 1992). 60
Fig. 2.23 Fotografías del daño causado por el desgaste adhesivo.
Escama de bronce desprendida de la superficie.
(Fuente: ASM Handbook Vol. 18, 1992). 60
Fig. 2.24 Influencia de la carga y la velocidad sobre el desgaste de deslizamiento. 62
Fig. 2.25 Naturaleza de los contactos en superficies. 64
Fig. 2.26 Efecto del incremento de carga en un área real de contacto. 65
Fig. 2.27 Naturaleza general de la fuerza entre átomos en
función de la separación entre ellos. 65
Fig. 2.28 a)Muestra la variación en la energía adhesiva
entre superficies Al y Zn, en función de la separación,
b)Ilustración de la fuerza repulsiva y de atracción entre las superficies. 66
Fig. 2.29 Posible ruptura de superficies unidas. 67
Fig. 2.30 Modelo de formación de un fragmento
semi-esférico en contacto adhesivo. 71
Fig. 3.1 Máquina abrasiva arena seca / disco metálico vulcanizado,
construida en el laboratorio de tribología de la SEPI-ESIME-IPN. 76
Fig. 3.2 Máquina abrasiva arena seca / disco metálico vulcanizado,
por Falex Corporation. 76
Fig.3.3 Huella de desgaste perfectamente alineada. 77
Fig. 3.4 Configuración arena húmeda disco metálico vulcanizado,
prototipo diseñado y construido en el laboratorio de tribología
de la SEPI-ESIME-IPN. 78
Fig. 3.5 Huella de desgaste (a) TiN02/H13, (b) H13 sin recubrimiento. 79
Fig. 3.6 Prueba de desgaste por erosión. 80
Fig. 3.7 a)Impactos normales sobre la probeta. b)Efecto debido
al ángulo de impacto y al rozamiento de las partículas. 80
Fig. 3.8 Morfología de las huellas de la erosión. 81
Fig. 3.9 Curva de desgaste de una prueba de erosión
de acero AISI 1020. 82
Fig. 3.10 Configuración bloque sobre anillo. 83
Fig. 3.11 Maquina bloque sobre anillo, comercializada
por la casa Falex corporatión. 83
Fig. 3.12 Huellas de desgaste para el bloque. a)Huella ideal,
b)huella no uniforme, c)rayado asociado con el tipo de probeta. 85
Fig. 3.13 Cilindros cruzados. 86
Fig. 3.14 Configuración perno sobre disco. 87
Fig. 3.15 Huella de desgaste generada por la acción del
perno sobre el disco. 88
Fig. 3.16 Maquina perno sobre disco con condiciones
atmosféricas controladas. 89
Fig. 3.17 Configuración para el desgaste deslizado. 90
Fig. 3.18 Daño causado a un engrane por este tipo de desgaste. 90
Fig. 3.19 Configuración de prueba reciprocante. 91
Fig. 3.20 Maquina tribológica reciprocante. 91
Fig. 3.21 Ejemplo de curvas de desgaste en pruebas reciprocantes. 92
Fig. 3.22 a)Ejemplo de una pieza afectada por este tipo de desgaste.
b) Efecto de la transición en una forma media de desgaste. 92
Fig. 4.1 Esquema de una máquina tribológica de configuración
esfera sobre disco. 94
Fig. 4.2 Máquina tribológica perteneciente a la Facultad
de Ingeniería de la UNAM. 97
Fig. 4.3 Máquina tribológica manufacturada por Falex coporation. 98
Fig. 4.4 Máquina tribológica manufacturada por Micro Photonics. 98
Fig. 4.5 Máquina tribológica perteneciente a la Universidad de Cambrige. 99
Fig. 4.6 Diagrama de las etapas de la metodología del diseño. 100
Fig. 4.7 Despliegue de funciones de calidad. 109
Fig. 4.8 Metodología de la fase conceptual. 111
Fig. 4.9 Funciones globales. 112
Fig. 4.10 Funciones de la máquina esfera sobre disco. 113
Fig. 4.11 Diagrama de secuencia de ensamble para el tribómetro. 131
Fig. 5.1 Prototipo tribológico funcional de configuración esfera
sobre disco, desarrollado en la SEPI-ESIME, IPN (vista frontal). 133
Fig. 5.2 Prototipo tribológico funcional de configuración esfera
sobre disco, desarrollado en la SEPI-ESIME, IPN (vista lateral). 134
Fig. 5.3 Balanza Analítica con sensibilidad de 0.0001 135
Fig. 5.4 Probetas utilizadas en las pruebas preliminares,
en condiciones secas. 137
Fig. 5.5 Dinamómetro utilizado para registrar la fuerza de fricción. 138
Fig. 5.6 Curva característica de resistencia al desgaste deslizado
en aluminio y latón, utilizando esfera de acero AISI 52100. 139
Fig. 5.7 Curva característica de resistencia al desgaste deslizado
en babbitt, utilizando esfera de acero AISI 52100. 139
Fig. 5.8 Ilustra la pérdida de volumen en mm3. 140
Fig. 5.9 Ilustra la pérdida de volumen en mm3. 141
Fig. 5.10 Curva característica de resistencia al desgaste deslizado
en aluminio y latón, utilizando esfera de acero
inoxidable AISI 440. 142
Fig. 5.11 Curva característica de resistencia al desgaste deslizado
en babbitt, utilizando esfera de acero inoxidable AISI 440. 143
Fig. 5.12 Ilustra la pérdida de volumen en mm3. 144
Fig. 5.13 Ilustra la pérdida de volumen en mm3. 144
Fig. 5.14 Huella de desgaste en aluminio, usando esfera de acero
AISI 52100 de diámetro 7mm. (a)15 minutos.
(b)45 minutos y (c) 90 minutos. 145-146
Fig. 5.15 Huella de desgaste en latón, usando esfera de acero
AISI 52100 de diámetro 7mm. (a)15 minutos.
(b)45 minutos y (c) 90 minutos. 146-147
Fig. 5.16 Huella de desgaste en babbitt, usando esfera de acero
AISI 52100 de diámetro 7 mm. (a)15 minutos.
(b)45 minutos y (c) 90 minutos. 147-148
Fig. 5.17 Huella de desgaste en aluminio, usando esfera de acero
inoxidable AISI 440 de diámetro 8 mm. (a)15 minutos.
(b)45 minutos y (c) 90 minutos. 148-149
Fig. 5.18 Huella de desgaste en latón, usando esfera de acero
inoxidable AISI 440 de diámetro 8 mm. (a)15 minutos.
(b)45 minutos y (c) 90 minutos. 149-150
Fig. 5.19 Huella de desgaste en babbit, usando esfera de
acero inoxidable AISI 440 de diámetro 8 mm. (a)15 minutos.
(b)45 minutos y (c) 90 minutos. 150-151
Fig. 5.20 Probeta utilizada en la prueba con lubricante. 152
Fig. 5.21 Curva característica de resistencia al desgaste deslizado
en aluminio, utilizando esfera de acero AISI 52100 y
lubricante TIPO “A” para transmisión. 153
Fig. 5.22 Ilustra la pérdida de volumen en mm3. 154
Fig. 5.23 Huella de desgaste en aluminio, usando esfera de acero
AISI 52100 de 8 mm de diámetro y lubricante para transmisión
TIPO “A”. (a)15 minutos. (b)45 minutos y (c) 90 minutos. 155-156
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1 Valores de K para desgaste adhesivo. 69
Tabla 3.1 Condiciones de prueba, para desgaste erosivo. 82
Tabla 4.1 Determinación de la importancia de los requerimientos. 103
Tabla 4.2. Listado de requerimientos del cliente obligatorios y deseables. 105
Tabla 4.3 Traducción de los requerimientos, en términos mensurables. 106
Tabla 4.4 Funciones globales. 114
Tabla 4.5 Soluciones propuestas para mover el brazo de palanca. 116
Tabla 4.6 Propuestas para el pivoteo del brazo de palanca. 116
Tabal 4.7 Alternativas para la sujeción del perno. 117
Tabla 4.8 Opciones a considerar para equilibrar el sistema. 117
Tabla 4.9 Posibles soluciones para la sujeción del disco. 118
Tabla 4.10 Dos propuestas para efectuar pruebas con lubricante. 118
Tabla 4.11 Opciones para colocar las partes críticas de la máquina. 119
Tabla 4.12 Sugerencias para el desplazamiento del prototipo tribológico. 119
Tabla 4.13 Opciones de cómo aplicar la carga normal. 120
Tabla 4.14 Alternativas para la transmisión de potencia. 120
Tabla 4.15 Evaluación movimiento lineal. 121
Tabla 4.16 Pivoteo del brazo. 122
Tabla 4.17 Sujeción del porta perno. 122
Tabla 4.18 Punto muerto. 122
Tabla 4.19 Nivelación. 123
Tabla 4.20 Levantar y bajar el perno. 123
Tabla 4.21 Movimiento transversal del brazo. 123
Tabla 4.22 Sujeción del perno. 124
Tabla 4.23 Fijación del disco. 124
Tabla 4.24 Transmisión de potencia. 125
Tabla 4.25 Dispositivo contenedor de líquidos. 125
Tabla 4.26 Base para la máquina. 125
Tabla 4.27 Soporte de la máquina. 125
Tabla 4.28 Aplicación de la carga normal. 126 Tabla 4.29 Costo de los componentes. 134
Tabla 5.1 Peso perdido acumulado. 138
Tabla 5.2 Volumen perdido acumulado (mm3). 140
Tabla 5.3 Coeficientes de fricción. 141
Tabla 5.4 Peso perdido acumulado. 142
Tabla 5.5 Volumen perdido acumulado (mm3). 143
Tabla 5.6 Coeficientes de fricción. 145
Tabla 5.7 Peso perdido acumulado. 152
Tabla 5.8 Volumen perdido acumulado (mm3). 153
Tabla 5.9 Coeficientes de fricción. 154
SIMBOLOGÍA
Z Distancia entre la superficie rígida del plano y el perfil del cilindro.
wz Desplazamientos verticales de la superficie cilíndrica.
h Altura total.
21 zz ww + Distancia fuera de la zona de contacto.
∆ Incremento del desplazamiento.
)/1( R Distancia relativa de aproximación entre los centros de los dos cilindros.
R Radio de curvatura.
xε Esfuerzo elástico en x.
zε Esfuerzo elástico en z.
xzγ Deformación según la ley de Hooke.
xσ Esfuerzo respecto a x.
zσ Esfuerzo respecto a z.
xzτ Esfuerzo cortante.
rσ Esfuerzo en coordenadas polares
θσ Esfuerzo en coordenadas polares
θτ r Esfuerzo cortante en coordenadas polares.
rε Esfuerzo elástico en r.
θε Esfuerzo respecto a θ.
θγ r Deformación según la ley de Hooke.
φ El esfuerzo elástico de acuerdo a Timoshenko y Goodier.
2,1σ Esfuerzo máximo y mínimo.
1τ Esfuerzo máximo de corte.
A1 Área de contacto.
F Fuerza aplicada.
pµ Coeficientes de fricción deformativo.
Fa Fuerza de fricción adhesiva.
τ1 Resistencia de corte en condiciones lubricadas.
aµ Coeficiente de fricción adhesiva.
µ Coeficiente de fricción.
rA Área real de contacto.
aτ Fuerza de corte media.
µs(t) Coeficiente de fricción estática en función del tiempo.
n Número de uniones.
N Número de uniones por unidad de distancia.
dxdV Desgaste volumétrico por unidad de deslizamiento.
V Desgaste volumétrico.
νl Acumulación de la energía plástica.
νE Acumulación de la energía plástica en una región hemisférica.
Es Acumulación de la energía plástica en la región hemisférica en ambos lados.
´d Diámetro mínimo de unión.
aL Carga soportada por la aspereza.
yσ Esfuerzo generado en la aspereza.
Γ Energía superficial. ´aL Carga generada en el desgaste adhesivo.
´´d Tamaño mínimo de los fragmentos.
V Volumen de desgaste.
Ir Importancia relativa de los requerimientos.
RESUMEN
El presente trabajo, consiste fundamentalmente en el desarrollo de un prototipo tribológico
funcional para medir el desgaste por deslizamiento de piezas metálicas, cerámicas, etc.
Mismo que se desarrolló para el grupo de tribología en el Departamento de Ing. Mecánica
de la SEPI, ESIME, IPN. Sus principales parámetros de funcionamiento son establecidos
por la norma ASTM G99-95, los cuales fueron de gran importancia para realizar todo el
proceso de análisis, que permitió diseñar aplicando la metodología de diseño, para
posteriormente manufacturar y ensamblar los componentes respectivos. En consecuencia,
se logra un ahorro económico considerable; ya que el costo de un equipo de estas
características construido por una casa comercial internacional es de $ 35, 000.00 USD, en
cambio el construido en la SEPI- ESIME fue de aproximadamente $ 40, 000.00 MN.
ABSTRAC
This work, consist fundamentally in the development of a tribology prototype used to
measure the adhesion wear in dry and lubricate conditions in metallic and ceramic pieces.
This prototype, was development by the tribology group of SEPI-ESIME-IPN. The
principals functional parameters are according to ASTM G99-95 standar, that were many
importance to make all process of analysis for design using QFD metodology of design,
and to after build and join all the pieces. In consequence, the group obtained a tribometer
named like ball on disk and important economy; because the cost of this machine
manufactured by an international corporation is of $ 35, 000. 00 USD, while the it built was
of approximately $ 40, 000. 00 pesos.
INTRODUCCIÓN
Todas las máquinas en sus piezas móviles, sufren pérdida en sus dimensiones. Esta
disminución geométrica, es provocada por el fenómeno de desgaste, el cual, si no es
atendido con oportunidad, provocan pérdidas económicas de magnitudes insospechadas que
se remonta a millones de dolares por año. Uno de los costos implicados, que se pierden por
el mal funcionamiento en los pares cinemáticos, es la energía empleada para el
funcionamiento de los equipos, la cual, varía dependiendo del tiempo de funcionamiento y
el tipo de mantenimiento. Esto sirve como antecendente para diseñar y construir un
prototipo de máquina tribológica de esfera sobre disco a fin de evaluar el desgaste adhesivo
en condiciones secas y lubricadas de materiales ingenieriles tales como; aluminio, latón y
babbitt.
La búsqueda de nuevos materiales, que soportan el desgaste y sean económicos, ha
impulsado el desarrollo en las investigaciones tribológicas.
Por otra parte la adquisición de equipos tribológicos es prácticamente imposible debido a su
alto precio y a la amortización que se realiza en un tiempo muy grande y no es costeable,
dado que en las instituciones de educación superior los recursos no son suficientes para
satisfacer esas necesidades. Es por ello que se hace indispensable construir equipos que
permitan equipar los laboratorios, en particular los que se dedican al estudio de fenómenos
tribológicos.
La necesidad de tener nuevos materiales, capaces de resistir las altas velocidades y las
cargas que experimentan los elementos de las máquinas, que disminuya los fenómenos de
fricción y desgaste, orientó la investigación a nuevos campos, en donde los metales
principalmente, así como, los recubrimientos y tratamientos térmicos, abren nuevas
expectativas en la utilización de estos. Es por esta razón, que se ha hecho indispensable el
análisis de los diferentes desgastes existentes para su adecuada aplicación.
Con esta percepción, de las necesidades requeridas en la industria, se han desarrollado e
implementado métodos, capaces de realizar pruebas que puedan ser reproducibles en
cualquier lugar, debido a esto, organizaciones como la ASTM, DIN, ISO, entre otras, han
estandarizado estas técnicas, logrando con ello, el conocimiento general de las condiciones
de funcionamiento de las máquinas, de sus dimensiones, velocidad de operación, cargas,
sensibilidad de los equipos de medición, de igual modo, especifica las características y
composición que deben de tener los materiales que producen el desgaste.
El análisis que se realiza en este trabajo, está dirigido a el desgaste por deslizamiento que
ocupa una parte importante en la cinemática; siendo el segundo en importancia después del
desgaste abrasivo. El desgaste deslizante puede ser estudiado empleando algunas
configuraciones como son: el de cilindros cruzados, máquina reciprocante, placa sobre
anillo, esfera sobre disco, etc. Este ultimo es el propuesto para realizar estudios, que
permitan estudiar y analizar el comportamiento tribológico de materiales, recubrimientos, y
tratamientos térmicos. Los parámetros de funcionamiento de prueba se rigen por la norma
ASTM G99-95.
Esta tesis, está conformada por cinco capítulos. El capitulo I, describe el desarrollo
histórico de la ciencia de la tribología, desde los primeros conceptos establecidos por
Leonardo De Vinci, hasta los más recientes obtenidos en la década de los sesentas,
establecidos por el profesor Peter Jost. También, se hace mención del impacto del desgaste
en México, así como las aplicaciones de esta ciencia en la Ingeniería Mecánica, en
elementos tales como cojinetes, sellos mecánicos, engranes, levas, anillos de pistón y
microcomponentes.
El capítulo II, presenta un análisis de superficies rugosas en contactos no conformables, así
como líneas concentradas de carga generadas por los mismos y los correspondientes
esfuerzos generados por consecuencia de la distribución de las cargas siempre presentes.
De igual forma, se plantea la naturaleza del desgaste deslizado y rodante y los fenómenos
que de ellos se derivan, como es la fricción tanto estática y dinámica.
El capítulo III, explica algunas de las principales configuraciones geométricas existentes
para las máquinas tribológicas. Así como, los parámetros de prueba, control, verificación,
obtención de datos y reportes técnicos para las mismas.
El capítulo IV, describe el desarrollo del diseño del prototipo tribológico funcional esfera
sobre disco para medir el desgaste por deslizamiento en condiciones secas y lubricadas.
Para ello, se empleó una metodología de diseño, basada en el despliegue de funciones de
calidad, QFD por sus siglas en ingles, misma que fue de gran importancia, para alcanzar los
objetivos planteados.
En el capítulo V, se muestra el prototipo en la SEPI ESIME ZACATENCO, donde se
observan sus elementos mas importantes, calibración y metodología experimental.
Asimismo, se exponen los resultados preliminares obtenidos en esta configuración de esfera
sobre disco, mismos que comprenden el desgaste acumulado en pérdida de peso y volumen,
así como los respectivos coeficientes de fricción en cada material analizado.
ANTECEDENTES
En la actualidad, la importancia de implementar programas que procuren el ahorro de
energía debido a sus altos costos, se ha incrementado en los países industrializados sobre
todo en países como México.
Es por eso que se ha impulsado la formación de especialistas, que buscan minimizar el
problema de consumo de energía que tanto le cuesta a la economía nacional.
El papel que juegan las Universidades Públicas, es el de contribuir a la formación de
recursos humanos altamente especializados, así como, proporcionar asesorías, cursos y
capacitaciones para un mejor desarrollo científico tecnológico en toda la republica. Por lo
antes mencionado, la Ciencia de la Tribología, contribuye en conocer la naturaleza y
comportamiento de los fenómenos de fricción, desgaste y lubricación.
En este sentido, con el apoyo de esta ciencia se pueden desarrollar programas de reducción
en el consumo de energéticos.
Por otra parte, el grupo de tribología de la SEPI-ESIME, ha abordado la difícil tarea de
diseñar y construir prototipos de máquinas tribológicas que simulen los diferentes
mecanismos de desgaste. Para ello, la CGPI del IPN, ha aprobado varios proyectos de
investigación en esta dirección. Puesto que se tiene la experiencia en la construcción de
algunos prototipos tribológicos, como es el caso del de Arena Seca / Disco Metálico
Vulcanizado y Arena Húmeda / Disco Metálico Vulcanizado, se procedió a desarrollar una
Máquina Tribológica de Esfera sobre disco, para Medir el DESGASTE deslizado en
Condiciones Secas y Lubricadas.
JUSTIFICACIÓN
La búsqueda de nuevos materiales, que soporten el desgaste y sean económicos, ha
impulsado el desarrollo en la investigación para determinar las características y propiedades
tribológicas de materiales que constituyen los elementos de máquina. Para ello, se han
desarrollado máquinas tribológicas de diferente configuración geométrica. Sin embargo, la
compra de estos equipos, ha sido imposible por sus costos, ya que si se desea adquirir
alguno de ellos, el precio es muy alto y la amortización se realiza en mucho tiempo. Por
otra parte, en las instituciones públicas de educación superior del país, los recursos
financieros que se manejan para la adquisición de equipo sofisticado, no son los suficientes
para satisfacer las actuales necesidades de educación. El uso de tribómetros es
indispensable en los laboratorios, para poder realizar estudios sobre la resistencia de los
materiales e identificar las propiedades de los lubricantes en general.
El desarrollo de la máquina esfera sobre disco se hace en función del mecanismo de
desgaste por adhesión, que ocupa una parte importante en la Tribología. Los parámetros de
diseño del modelo que aquí se presenta, están regidos por la norma ASTM G99-95.
Esta, es usada extensamente para estudiar el desgaste en diversos materiales metálicos y
cerámicos de uso ingenieril. Asimismo, este proyecto ha permitido desarrollar el sistema de
autoequipamiento del laboratorio de tribología de la SEPI-ESIME, lo que a la vez ha
facilitado el realizar trabajo experimental, cuyos resultados han sido expuestos en
congresos nacionales e internacionales.
OBJETIVOS
- Conocer la naturaleza de los fenómenos de la fricción y el desgaste, principalmente, los
referidos al mecanismo de adhesión en seco y en condiciones lubricadas.
-Diseñar los principales componentes del prototipo tribológico funcional esfera sobre disco.
-Manufacturar las piezas y ensamblarlas para armar el prototipo.
-Ensamble de las piezas manufacturadas para la máquina tribológica.
-Obtener los coeficientes de fricción de los materiales utilizados en las pruebas
preliminares.
AGRADECIMIENTOS
A Dios y a la Santísima Virgen de Guadalupe
Por haberme permitido vivir y ver concluido este trabajo
A mi Padres:
Ofelia Hernández Campos Nicolas Gallardo Ojeda
Quienes a lo largo de toda mi vida me han apoyado incondicionalmente en todo lo que hago, y sobre todo nunca haber perdido su confianza en mi, permitiendo de esta manera alcanzar todos los objetivos que me
he planteado
A mis Hermanos:
Pepe y Dulce
A mi Abuelita
Josefa Campos
A mis Tíos
Por todo su apoyo, Cirilo, José, Cocoy, Martín, Agustina y Rosa
A mis Primos
Mayra, Octavio, Paulina, Brenda y Melissa
Al Instituto Politécnico Nacional:
Por haber formado en mi con sus valiosos maestros, un profesionista con nuevos retos para el beneficio del país
Al Dr. Manuel Vite Torres:
Quien con sus conocimientos y dedicación, me ha permitido explorar nuevas fuentes del conocimiento
A mis Compañeros:
Alfredo, Ricardo y Joel
xxv
xxvi
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
1
CAPÍTULO I
DESARROLLO DE LA
TRIBOLOGÍA ____________________________________________ Este capítulo describe la historia de la tribología, desde la época muy remota en donde la
cultura egipcia desempeña un papel muy importante en esta ciencia. Trabajos mas recientes
son el de Leonardo De Vince, quien desarrolló las primeras máquinas tribológicas para
medir los coeficientes de fricción de los materiales. Posteriormente en el siglo XX, surge el
concepto de Tribología propuesta por el profesor Peter Jost. Así también, se argumenta la
importancia de esta ciencia en la industria en diferentes ramas de la producción , así como
las pérdidas generadas por el impacto de la fricción y el desgaste en México y otros países.
Así mismo, se describe su aplicación industrial en los diversos elementos mecánicos como
son: cojinetes, sellos mecánicos, anillos para pistones, recubrimientos superficiales,
engranes, etc.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
2
1.1 PASAJE HISTÓRICO DE LA TRIBOLOGÍA
La tribología, es la ciencia que se encarga del estudio de las superficies que se encuentran
en contacto y movimiento relativo, así como de los fenómenos que se producen por la
interacción de las mismas [1].
Tribología, se deriva del griego, de la palabra tribos que significa rozamiento ó fricción
(τριβοσ) y logos (λογοσ) que es estudio o tratado, de esta manera su traducción literal es
“La ciencia del frotamiento” ó el estudio de los fenómenos de la frotación o fricción. Es
común que en el idioma inglés su equivalencia sea el estudio de la fricción y el desgaste, o
como alternativa considerarla como la ciencia de la lubricación. Sin embargo, este concepto
ha sido modificado, por el profesor Peter Jost quien la definió como “la ciencia y tecnología
que estudia a las superficies que se encuentran en contacto y movimiento relativo, así como
los fenómenos que de ello se derivan”. En consecuencia, la fricción, el desgaste y la
lubricación son tópicos de estudio de la misma [2].
Las superficies interactuantes en una interfase tribológica, son altamente complejas,
requiere del conocimiento de varias disciplinas, como la física, química, matemáticas
aplicadas, mecánica de fluidos, mecánica de sólidos, ingeniería mecánica, termodinámica,
transferencia de calor, ciencia de los materiales, lubricación, diseño mecánico [1], en la
figura 1.1 se muestra las disciplinas del conocimiento que apoya a la tribología.
Fig. 1.1 Ciencias que apoyan a la tribología.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
3
Es necesario estudiar tanto las características como las condiciones en que se lleva a cabo
las interacciones de las superficies de los pares mecánicos, a este entorno, se le conoce
como tribosistema, cuyos elementos se presentan en la figura 1.2.
Pérdida de material(Tasa de desgaste)
intermedia
Cambios en la superficie(Inicio del desgaste)
Sustancia
Medio ambiente
Desgaste característico
Base
Contracuerpo
Factores combinados carga/fatigaEstructura
Fig. 1.2 Tribosistema.
1. Base: cuerpo primario de fricción, en condición de desgaste.
2. Contracuerpo: cuerpo secundario de fricción bajo condiciones de desgaste.
3. Sustancia intermedia: aceite lubricante, polvo, fibras, granos, agua, vapor, gases,
etc.
4. Medio ambiente: es el entorno donde se encuentra el sistema; éste puede estar
constituido por gases y/o líquidos en diferentes condiciones de presión; ya sean muy
elevadas o al vacío; a temperaturas extremas, etc.
Donde se involucra cualquier posible combinación de triboelementos, que incluyen al medio ambiente. Los primeros antecedentes de esta ciencia datan desde tiempos muy remotos, apuntan que
este conocimiento fue aplicado empíricamente por el hombre, para producir fuego o hacer
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
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agujeros, así como volantes de alfareros ó piedra de molienda, en la figura 1.3 se observa a
un hombre primitivo afilando una herramienta de trabajo.
. Fig. 1.3 Escultura de un hombre primitivo afilando una herramienta.
Registros de 3500 años antes de Cristo, demuestran el uso de trineos en el antiguo Egipto,
donde un grupo de personas tratan de reducir la fricción en la translación de bloques y
piedras para la construcción y para estatuas, aplicando lubricante en la parte inferior de
dichos trineos, como se puede observar en las figuras 1.4 y 1.5. La primera representación
pictórica, cuenta con cerca de 172 esclavos, que fueron utilizados en ese momento para
arrastrar una gran figura de piedra con un peso cercano a los 600 KN a lo largo de unos
rieles de madera. Asimismo, se puede observar un hombre de pie sobre la estatua que
proporciona un liquido cerca de las partes en movimiento, como se observa en la figura 1.6.
Es probable que éste, sea uno de los ingenieros dedicados a la lubricación [3]. Se tiene
estimado que el esfuerzo que realizaban cada uno de los hombres es cerca de 800 N. Sobre
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
5
este fundamento, el esfuerzo total, puede igualar a la fuerza de fricción al mínimo. Dando
como resultado un coeficiente de fricción cercano a 0.23 [1].
Fig. 1.4 En el frente de la colosal piedra, un hombre vierte una sustancia líquida como lubricante, para
facilitar el deslizamiento de la estatua [1].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
6
Fig. 1.5 Esculturas llevadas afuera de las pirámides por medio de trineos.
Fig. 1.6 Lubricador egipcio (Fuente: Physics Today, sep., 1998) [3].
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7
Durante y después de la gloria de los emperadores romanos, ingenieros militares con
conocimiento en maquinaria de guerra y métodos de fortificación, aplicaron principios
tribológicos, en la figura 1.7 se puede observar el coliseo Romano una de las
construcciones mas importantes durante el apogeo de esta cultura.
Fig. 1.7 Fotografía que ilustra las construcciones antiguas de la cultura romana.
Muchos siglos después, durante el Renacimiento, el ingeniero y artista Leonardo de Vinci
(1452-1519), formuló primeramente una aproximación cuasi científica de la fricción. Fue él
quien dedujo las leyes que rigen el movimiento del deslizamiento en un bloque rectangular
sobre una superficie plana, como se observa en la figura 1.8. Se introduce, por primera vez
el concepto de coeficiente de fricción, así como la relación de la fuerza de fricción para una
carga normal. También observó que el movimiento de cuerpos de distintos materiales,
presentan diferentes peculariedades para realizarlo. Esto, es debido a la naturaleza y
rugosidad superficial de los mismos. De esta manera, encontró que los materiales mas lisos
tienen un menor coeficiente de fricción, como se observa en la figura 1.9 [4]. Su trabajo no
tiene una influencia históricamente hablando, ya que sus libros de notas se quedaron sin ser
publicados por varios siglos, en la figura 1.10 se observa un documento perteneciente a su
libro Atlanticus. Otro de sus meritos, de trascendencia, es que realizó varios esquemas para
representar cuatro tipos de cojinetes antifricción [4], esto se observa en la figura 1.11.
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8
Fig. 1.8 Esquema de un bloque sobre una superficie,
para deducir las leyes que rigen el deslizamiento.
Fig. 1.9 Superficies de diferentes materiales y estados superficiales.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
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Fig. 1.10 Equipos diseñados por Leonardo De Vinci, para medir la
fuerza de fricción. (Fuente: Leonardo Da Vinci and Artrabas book) [4].
Fig. 1.11 Esquemas de cojinetes antifricción,
realizados por Leonardo De Vinci [4].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
10
No fue hasta que en 1699, el físico Francés Guillaume Amontons, después de hacer varios
estudios del deslizamiento en seco entre dos superficies planas, desarrollo las dos leyes de
la fricción, válidas hasta la fecha. La primera de ellas, establece que la fuerza de fricción
resistente al deslizamiento en una interface, es directamente proporcional a la carga normal
aplicada. Mientras que la segunda ley, enuncia que la cantidad de fuerza de fricción no
depende del área aparente de contacto, como se ilustra en la figura 1.12. Posteriormente,
esta observación fue verificada por el físico francés Charles Agustín Coulomb.
Proponiendo una tercera ley, la cual contempla a la fuerza de fricción como independiente
de la velocidad de deslizamiento. Otra de sus aportaciones es una clara distinción entre la
fricción estática y la fricción cinética [5].
Fig. 1.12 Superficies analizadas por Guillaume Amontons.
En 1648, Robert Hooke, sugirió la combinación de piezas grandes de acero para superficies
inferiores de madera con hierro en ruedas de cojinetes.
En la primera parte del siglo XIX se desarrolló la lubricación con el crecimiento de la
industrialización. Primeramente lo hizo en la industria del petróleo, iniciando en Escocia,
Canadá y Estados Unidos.
Aunque las leyes esenciales del flujo viscoso fueron postuladas, siglos atrás por Sir Isaac
Newton en 1668; científico inglés con conocimientos en operación con cojinetes
lubricados.
Sin embargo, la comprensión del principio de lubricación hidrodinámica, fue posible por
los estudios experimentales de Beauchamp Tower en 1884 y la interpretación teórica de
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
11
Osborne Reynolds en 1886, que lo relacionó con el trabajo de N.P. Petroff en 1883. Desde
entonces se aplicó la teoría de cojinetes hidrodinámicos en maquinaria de uso industrial.
El desgaste es un conocimiento mucho muy reciente después de que la fricción y del
desarrollo de los cojinetes fue iniciado sobre grandes bases empíricas.
Estudios científicos de la evolución del desgaste en pequeñas cantidades fueron
desarrollados hasta mediados del siglo XX. Ragnar Holm, hizo una de las primeras
contribuciones substanciales para el estudio del desgaste en 1946.
Desde los inicios del siglo XX, la enorme demanda de la industria de establecer los
conocimiento tribológicos en todas las áreas lograrán tener un tremenda expansión, siendo
los científicos Bowden y Tabor en 1950; Kraglesky y Kruschov Archard en 1952 y Burwell
en 1957; Bhushan en 1992 y 1996; Bushan y Gupta en 1997, quienes contribuyeron a dicha
expansión [6].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
12
1.2 IMPACTO DEL DESGASTE
Las pérdidas en la producción están presentes en todas las industrias. Como no es posible
estudiarlas todas, se mencionan las más comunes como son la minera, agrícola, celulosa,
del papel y la alimentaría, En la figura 1.13, se observa una de las industrias más afectadas
por fallas tribológicas, mientras que en la figura 1.14 se presenta las pérdidas de energía por
la fricción y el desgaste.
Fig. 1.13 Ilustración de la industria del papel que se ve afectada por el desgaste.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
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Fig. 1.14 Pérdidas anuales por fricción y desgaste.
Las primeras conclusiones son que las pérdidas por desgaste siempre son mayores que las
ocasionadas por la fricción, como sucede en la industria metalúrgica, donde las sangrías
económicas son apreciables. Para reducir éstas, las industrias manufactureras comenzaron a
usar técnicas especiales tales como: lubricantes no muy comunes, implantación iónica, el
temple superficial con láser y el recubrimiento con materiales resistentes al desgaste. Esto,
permitió disminuir las pérdidas anualmente en un 9%, lo que representa 9,5 MM USD, sólo
por el concepto de disminución de fricción, y 70.3 MM USD por concepto de disminución
del desgaste [6]. En el sector del transporte significa un elevado porcentaje, del orden de
26% de todo el consumo energético en Estados Unidos. El alto consumo de energía, es
fundamentalmente debido a problemas con los lubricantes, frenado, mecanismos de
distribución del movimiento, pistones, aros, etc., del motor.
De acuerdo a algunas estimaciones en la industria, el resultado de ignorar a la tribología, le
representa en términos monetarios a Estados Unidos, cerca del 6% del Producto Interno
Bruto, o sea del orden de $200 billones de dólares por año en 1996. Aproximadamente una
tercera parte de la energía del mundo se desperdicia por presencia exagerada de la fricción.
Esta ciencia, busca minimizar los efectos nocivos de la misma, así como reducir el
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
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desgaste de los materiales en constante rozamiento, mediante una lubricación apropiada y
por medio de técnicas de recubrimientos para prolongar la vida útil de los productos.
En México, inadecuadas prácticas de uso y la falta de tecnología moderna, han propiciado
que el consumo de los aceites, en el país, sea similar al de Alemania y equivalente a una
sexta parte del de Estados Unidos; aunque sea 20 veces más pequeños en tamaño industrial.
La utilización de tribo-tecnologías, no solamente podría contribuir a la considerable
reducción del consumo de lubricantes, también se traduciría en ahorros energéticos
considerable.
La industria Mexicana ha permanecido en un letargo tecnológico durante la época del
proteccionismo económico; Debido a la apertura comercial de México, así como a la firma
de diversos acuerdos comerciales como el TLC y el GATT, se ha destacado la necesidad de
que ésta debe transformarse para alcanzar la competitividad internacional y producir con
mayor calidad.
En su oportunidad, Odón de Buen presidente de la Comisión Nacional para el Ahorro de
Energía, reconoció los rezagos de México en la materia; para algunas empresas es más
atractivo esperar oportunidades de operación por conducto de intermediarios, que hoy
venden y mañana desaparecen, elevando notablemente el costo de algunos procesos
productivos.
Sin embargo, la ciencia de la tribología no sólo puede ayudar a la industria, si no también a
los prestadores de servicios como a los médicos, en relación de los materiales utilizados en
prótesis; más todavía cuando de todo el padrón de clínicas y hospitales del país solamente
139 están certificados con la norma ISO 9000.
La precariedad de la industria mexicana pública y privada para asimilar los avances
tecnológicos; en muchos casos es difícilmente accesible, pues existen dificultades para
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
15
introducir al mercado innovaciones tecnológicas. En la figura 1.15, se puede apreciar la
industria metalmecánica, que se ve afectada por los fenómenos tribológicos [6].
Fig. 1.15 Fotografía de la industria metal-mecánica.
1.3 APLICACIONES DE LA TRIBOLOGÍA
El conocimiento de la tribología es extremadamente importante en numerosas aplicaciones
industriales donde se requiere un movimiento relativo, por ejemplo, automóviles (motores
de combustión interna), industria aérea, vías de ferrocarril, máquinas automatizadas, entre
otras.
Esta ciencia, ha sido utilizada en aplicaciones tales como: El contacto por deslizamiento,
contacto giratorio en cojinetes, sellos, mecanismos de transmisión (engranes), levas,
mecanismos de seguimiento de levas, anillos de pistones, carbones de motores y
recubrimientos en la fabricación de herramientas de corte. Mas recientemente, se le ha
empleado en sistemas microelectromecánicos ó microcomponentes, que son producidos
utilizando técnicas de microfabricación. Algunas aplicaciones generales, en la industria,
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
16
incluyen procesos de materiales o procesos de manufactura, máquinas de combustión
interna para aplicaciones automotrices, turbinas de gas para la industria aeroespacial,
caminos o vías metálicas y acumuladores magnéticos. Para una mejor vida de los
componentes mecánicos, deben presentar mejor resistencia a la fricción y al desgaste, con
el fin de ser optimizados o minimizados para una mejor aplicación.
Actualmente se han construido novedosos componentes tribológicos que operan con cargas
aproximadas de 5 MPa, en los que se incluye a los cojinetes, sellos, anillos para pistones y
carbones eléctricos. Asimismo, se han construido otros dispositivos que soportan altas
cargas, aproximadamente de 3500 Mpa, los cuales comprenden a los rodamientos o
cojinetes giratorios, mecanismos de transmisión, levas y seguimientos giratorios [6].
1.3.1 COJINETES DE CONTACTO POR DESLIZAMIENTO
Son elementos de máquina, los cuales soportan el movimiento de una pieza en su interior.
Consta de una parte estacionaría, que le permite el deslizamiento de la misma.
Generalmente, son llamados cojinetes de contacto por deslizamiento. Estos, pueden ser
lubricados con una película de aire, agua, aceite, grasa u otro fluido, en la figura 1.16 y 1.17
se puede observar diferentes cojinetes de este tipo.
El deslizamiento de los cojinetes, por lo general, se ve interrumpido por el desgaste, ya sea
adhesivo, abrasivo y/o corrosivo, que se presentan en sus elementos. La selección de sus
materiales, para su construcción, es un problema multifuncional de optimización. En
general, los requerimientos estandarizados son los siguientes; confortabilidad, resistencia a
la compresión, resistencia a la fatiga, conductividad térmica, resistencia al desgaste,
resistencia a la corrosión y su costo [6].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
17
Fig. 1.16 Cojinetes de deslizamiento, utilizados en el Fig. 1.17 Cojinetes de deslizamiento.
Ciclismo.
1.3.2 COJINETES CON RODAMIENTOS O CONTACTO GIRATORIO
Los contactos rodantes o cojinetes antifricción, emplean un cierto número de esferas,
situadas entre dos superficies conocidas. Una interna y la otra externa. Una de ellas, es
portadora de una flecha giratoria. Mientras que la otra pista, es montada sobre una
envoltura metálica o parte estacionaria. Los baleros, también llamados elementos rodantes,
tienen un espacio angular para encapsularlas, denominado retenedor o separador. Los
elementos rodantes son acomodados de tal forma que puede realizar un movimiento
relativo entre ellos, lo cual a su vez provoca un giro con menor deslizamiento;
manifestándose una fuerza de fricción muy pequeña en las superficies interactuantes que se
oponen a dicho giro. Por otra parte, los cojinetes giratorios presentan mucho menor
coeficiente de fricción de aquellos que son deslizantes. Por esta razón a los primeros se les
conoce como cojinetes antifricción. Además, su capacidad de carga es mucho más grande
para los de contacto deslizante. Cuando se aplican cargas de aproximadamente 500 Mpa o
mayores, son usados con mejores resultados. Existen muchos tipos de cojinetes de baleros,
ya sea de contacto angular, con rodamientos cilíndricos y de husillo de bolas, etc. En figura
1.18 se observa un cojinete giratorio [6].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
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Fig. 1.18 Cojinete con rodamientos.
1.3.3 SELLOS MECANICOS
La función primaria de los sellos, también llamados sellos de fluidos, son para evitar el
paso de una cantidad de lubricante (líquido o gas) que pueda escapar de ciertos sistemas,
previniendo, la contaminación de los sistemas de operación, donde estos se encuentran.
Los sellos, se clasifican en dos grandes clases: Estáticos y dinámicos. Los primeros, son
colocados a modo de que rellenan cierta parte de un sistema como sucede con los anillos
juntos, que son usados en las conexiones de tuberías especiales. En tanto que un sello
dinámico, se le emplea para restringir un flujo de líquido a través de una abertura estrecha,
para un deslizamiento entre superficies con movimiento relativo, como se puede ver en la
figura 1.19.
El régimen de la lubricación, en las superficies de los sellos, va desde la hidrodinámica
hasta la no lubricación. El desgaste adhesivo, es el dominante en este tipo de sellos. Aunque
también se presentan otros mecanismos de desgaste, como es el abrasivo, corrosivo, por
fatiga y por cavitación.[1]
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
19
Los materiales utilizados para construir los sellos, dependen del diseño y de los
requerimientos de operación de los mismos. Dado que éstos, se localizan en lugares donde
se emplean diferentes aceites lubricantes y diferentes condiciones de operación, éstos son:
cerámicos, cementos, bronces, grafitos y resinas termoplásticas [6].
Fig. 1.19 Sello mecánico de uso general.
1.3.4 ENGRANAJES
Son ruedas dentadas usadas para la transmisión de movimiento giratorio de un cuerpo a
otro, así como para cambiar la velocidad rotacional. Existen, diferentes tipos de engranajes,
como son los de dientes cónicos, helicoidales y otras aplicaciones como es en un tren de
engranajes y transmisiones de potencia por medio de engranajes colocados
asimétricamente.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
20
Los engranajes dentados, pueden ser operados con un límite de fuerza, en una combinación
de regímenes de lubricación. Algunas fallas típicas en los mismos, son fatiga,
escoriaciones, escofinado (severa forma de desgaste adhesivo con pérdida de lubricante),
abrasión, desgaste corrosivo y fractura de sus dientes. La figura 1.20 muestra engranajes de
diferentes características [6].
Fig. 1.20 Engranajes de bronce.
1.3.5 LEVAS Y SEGUIMIENTOS GIRATORIOS
Las levas y seguimientos giratorios, son extensamente empleados en máquinas de
ingeniería, sirven para transformar el movimiento giratorio en movimiento reciprocante
deslizante o viceversa, como sucede en equipos automáticos y en máquinas textiles. En la
figura 1.21, se presenta una leva con su seguidor que presenta una trayectoria giratoria. Las
condiciones de contacto, son puntos nominales, o sea líneas de contacto.
El desgaste de levas y de los seguidores puede ser reducido considerablemente, por la
combinación y selección de materiales duros, así como por medio de tratamientos térmicos
o termoquímicos u otra opción [1].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
21
Fig. 1.21 Ilustración de levas y seguidores.
1.3.6 ANILLOS DE PISTÓN
Los anillos de pistón, son dispositivos de sellamiento mecánico, usados para sellar,
émbolos de pistones, vástagos reciprocantes, etc. Ya sea en cilíndros neumáticos o
hidráulicos, en motores ya sea de gasolina o diesel, compresores y bombas, etc. Los anillos,
son generalmente metálicos; Cuando se colocan en los árboles del pistón, son provistos de
un lubricante. Un movimiento, los lleva a sellar, colocándolo entre el pistón y el cilíndro.
Por otra parte se dividen en anillos por compresión y anillos con control de aceite. Los
primeros, generalmente, dos o más, son localizados cerca del frente del pistón para
bloquear el flujo de aceite de la parte inferior del cilíndro. Mientras que los otros,
frecuentemente, uno o más, son colocados debajo de los anillos de compresión para evitar
el paso de aceite a la cámara de combustión de un automóvil.
Los materiales con que se fabrican los anillos, obedecen a los requerimientos como: pobre
fricción, desgaste mínimo, resistencia superior al escofinado, tolerancias para una mejor
lubricación, rápida adaptación en diferentes medios, adecuada carrera, durabilidad,
consistencia y costo de producción reducido. La figura 1.22 muestra algunos anillos de
pistón empleados en la industria automotriz [1].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
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Fig. 1.22 Anillos para cilíndros de uso automotriz.
1.3.7 MICROCOMPONENTES
Los avances en procesos tecnológicos desde los años sesentas, tuvieron primeramente
desarrollo de microcomponentes, así como sistemas de electro-mecanismos. Más
recientemente la aplicación de Rayos X, así como los procesos de litografía, donde se tiene
buen desarrollo para la manufactura de materiales, que carecen de silicón. Recientemente, a
éstos últimos se les complementa con los procesos micromecánicos, para la fabricación de
componentes de muy pequeña escala. Se emplean para fabricar una amplia variación de
artefactos miniatura, sensores de presión y químicos, actuadores lineales, giratorios,
motores eléctricos, turbinas de gas, toberas, bombas, válvulas de fluido, interruptores [7].
En la figura 1.23, se presentan algunos microcomponentes.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
23
Fig. 1.23 Microcomponentes para abrir arterias al flujo sanguíneo.
Mas recientemente, en la década de los ochentas se construyen componentes mecánicos,
usando tecnologías de microfabricación, y es ahí donde la tribología ha cobrado mucho
mayor importancia, en el estudio y caracterización de recubrimientos. Actualmente se
aplican técnicas de recubrimiento en diferentes tipos de piezas y discos duros de
computadora [7], como los que se muestra en las figuras 1.24 y 1.25.
Fig. 1.24 Piezas metálicas con recubrimiento Fig. 1.25 Disco duro de computadora con
aplicado con la técnica de PVD. recubrimiento.
1.3.8 HERRAMIENTAS CON RECUBRlMIENTOS DUROS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
24
Estas son usadas para cortar, formar flechas, platos, troquelar, forjar, etc; El desgaste de las
mismas, usualmente, se presenta sobre la cara o el flanco, como resultado de un
astillamiento a través de un movimiento de la cara de la herramienta. La extensión y
localización del desgaste causado, afecta considerablemente al filo de la misma, el cual
debe tener una gran fuerza de corte. El mecanismo de desgaste predominante, ocurre por
adhesión, químico o electroquímico. Las más importantes propiedades de una herramienta
de corte con recubrimiento duro, son; alta resistencia al calentamiento, dureza, tenacidad,
estabilidad química y reactividad. Otras propiedades relevantes son el módulo elástico,
fuerza de ruptura, fuerza de compresión y coeficiente de expansión térmica [1]. La Figura
1.26 muestra algunas herramientas que han sido recubiertas con capas de Nitruro de Titanio
(TiN).
Fig. 1.26 Herramientas con recubrimiento (TiN).
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
25
CAPÍTULO II
TEORÍA DE LA FRICCIÓN Y
DESGASTE ____________________________________________ En este capitulo, se presenta un análisis de superficies rugosas en contactos no
conformables, así como líneas concentradas de carga generadas por los mismos y los
correspondientes esfuerzos generados por consecuencia de la distribución de las cargas
siempre presentes. De igual forma, se plantea la naturaleza del desgaste deslizado y rodante
y los fenómenos que de ellos se derivan, como es la fricción estática y dinámica.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
26
2.1 CONTACTO MECÁNICO ENTRE DOS SUPERFICIES
El contacto mecánico, se produce cuando dos superficies interaccionan, encontrándose en
movimiento relativo y sometidas a carga. Después de un tiempo, cada una de ellas sufre
alguna deformación. Ésta, puede ser puramente elástica o plástica. Las deflexiones y
deformaciones de las superficies, pueden ser vistas en dos diferentes escalas. Una de ellas
considerar el contacto donde una carga excesiva actúa en un elemento esférico sobre otro
rodante como un cojinete. Al revisar el grado de planicidad del primer elemento, se puede
expresar la deflexión como una proporción del radio del mismo. Esto es, la distorsión a
nivel microscópico. El otro ejemplo, es observado a macro-escala donde los elementos que
se encuentran en contacto con la superficie son planos. Ellos, hacen contacto, inicialmente,
en un número de puntos o asperezas. La suma de todos esos puntos, conforman el área real
de contacto, ésta es, una pequeña porción del área de contacto nominal. Algunas
deformaciones de material ocurren en pequeña escala, cerca de las áreas reales de contacto.
Ésto es, donde el esfuerzo se genera. La presión de contacto aparente, es la carga normal
dividida entre el área nominal de contacto, donde los valores son mucho menores
comparados con los que se logran con la presión real de contacto [7].
2.2 GEOMETRÍA DE SUPERFICIES EN CONTACTO NO CONFORMABLES
Par realizar el análisis de superficies no conformables, cuyo radio de curvatura son
opuestos al punto de contacto; se debe considerar a un cilíndro que presiona una superficie
plana, la cual se supone rígida. Este estudio puede ser aplicado para los casos en que ambas
superficies son curvas y deformables en dos dimensiones como es el caso de dos esferas,
posteriormente, se puede considerar el caso de tres dimensiones. Cuando no están
sometidas carga, como se observa en la figura 2.1(a), la distancia Z entre la superficie rígida
del plano y el perfil del cilíndro es obtenida por la aplicación del teorema de Pitágoras, ésto
es:
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
27
{ }2/1
2
22/122 1
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
−−=−−=RXRRXRRZ (2.1)
Si x<< R, que generalmente ocurre, se puede desarrollar el término que contiene la raíz
cuadrada aplicando el teorema binomial , o sea X .
2/1
2
2
1⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
−−=RXRRZ +...+ términos de más alto orden
RX (2.2)
Ésto es,
RXZ2
2
≅ (2.3)
En otras palabras, se selecciona un modelo parabólico del perfil de la superficie, sobre una
pequeña región cerca del contacto.
Se supone que al momento de aplicar la carga normal por unidad de longitud W/L, el
cilíndro es deformado, tal que su centro se mueve a una distancia vertical δ hacia el plano.
El área real de contacto, es una zona delgada, simétrica cerca del eje z. Si se supone que
ésta, es de una anchura que va desde X =- a hasta X = +a, como se ilustra en la figura
2.1b. Si se intenta relacionar el tamaño de la zona, descrita por la magnitud de a con carga,
la normal W/L y la geometría, así como las propiedades del material del cilíndro, como se
observa en la misma figura, se presenta el perfil en forma continua o discontinua, si se
supone que las condiciones dentro de dicha zona son: –a< X< +a, entonces:
Z+ wZ=δ, (2.4)
donde wz, representa los desplazamientos verticales de la superficie cilíndrica.
En la región, donde ⏐x⏐<a, wZ=δ -z, es decir:
D
SOBRE D
28
En una región:
wz=δ- (x2 -2R) (2.5)
Fuera de ésta, la zona h y la magnitud de la distancia ⏐x ⏐> a, permanece en un espacio
libre entre el cilíndro y el plano, así que wz > δ-(x2/2R)
δδ −+=−+= 22
2
2w
Rxwzh (2.6)
Fig. 2.1 Contacto geométrico entre un cilíndro deformable y una superficie
plana: a)sin carga; b) carga por unidad de longitud W/L. c) Contacto entre
dos esferas deformables.
ESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA ISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
29
Una segunda superficie, previamente considerada rígida y plana, se deforma, siendo esta de
una forma cilíndrica, con los ejes paralelos como en el primer caso. Entonces, se obtienen
las ecuaciones 2.7a y 2.7b como:
Fuera de la zona de contacto 2
2
1
2
2121 22 Rx
Rxww zz −−+=+ δδ (2.7a)
Los subíndices 1 y 2 se refieren a las dos superficies, y δ2 es el movimiento del segundo
cilindro dirigido respecto al primero.
Estas ecuaciones pueden ser escritas de otra forma, para definir el incremento del
desplazamiento ∆ = δ1+δ2, que es el total de la distancia relativa de aproximación entre los
centros de los dos cilíndros.
)/1()/1()/1( 21 RRR += 2.7(b)
R = Radio de curvatura.
R1 y R2 son positivos por ser superficies convexas, pero negativas para aquellas que son
cóncavas. Dentro de la zona de contacto, en la región ⏐x⏐ ≤a, se tiene:
Rxww zz 2
2
21 −∆=+ (2.8)
Fuera de la zona de contacto ⏐x ⏐> a:
Rxww zz 2
2
21 −∆>+ (2.9)
En tres dimensiones, se incluye el contacto entre dos esferas.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
30
Si se considera que las superficies son esféricas, entonces el contacto en la región es
circular en la forma como lo muestra la figura 2.1, en donde existe un radio a; cuyas
expresiones son las siguientes:
Ry
Rxww zz 22
22
21 −−∆=+ para x2 + y2 ≤ x2 + y2 a2 (2.10)
Si se remplaza x2 + y2=r2, se describe la zona de contacto, como es, {r}<a,
R
rww zz 2
2
21 −∆=+ (2.11a)
la cual para ⏐r ⏐> a.
Rrww zz 2
2
21 −∆>+ (2.11b)
En donde no se encontró una distribución de la presión a través del área de contacto, la cual
es resultado de las superficies desplazadas. En el caso de dos cilíndros en contacto los
desplazamientos deben satisfacer las ecuaciones 2.10 y 2.11 a y b [8].
2.3 SUPERFICIES Y SUB-SUPERFICIES CON ESFUERZOS SOMETIDAS A
CARGA
2.3.1 LÍNEA CONCENTRADA DE ESFUERZOS
Cuando dos cuerpos se encuentran en contacto, el esfuerzo desarrollado en cada uno de
ellos es elástico ó plástico según sea la carga aplicada. Si la deformación es tal que el
esfuerzo elástico sea predominante, como en el caso de los metales (para los que poseen
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
31
módulos de Young suficientemente grandes), los esfuerzos generados son relativamente
pequeños. Dado que áreas reales de contacto, son pequeñas comparadas con las típicas
dimensiones, que caracterizan las formas microscópicas de las superficies, puesto que es
despreciable para el ancho de la zona de contacto a, la cual es pequeña comparada con el
radio de las superficies curvas, o sea a/R<<1. Por ello, la distribución de esfuerzos dentro
de a/R<<1, no son fuertemente influenciados por las condiciones de distancia que existe
entre ellos. Para el propósito de análisis, es perfectamente razonable considerar que ambos
cuerpos sólidos están extendidos en una distancia infinita en el mismo sentido del punto de
contacto; se considera cada uno de ellos como semi–infinitos en el espacio.
En el caso de dos dimensiones donde un cuerpo sólido es sometido a la acción de una carga
se presentan esfuerzos elásticos acompañados de deformaciones sobre una zona angosta del
mismo sólido. Es posible, que la distribución de presión y los esfuerzos asociados, tiendan
a desarrollar cambios en la forma de ésta, mismos que son descritos por las ecuaciones 2.10
y 2.11a, 2.11b.
Una solución para el caso elástico, proporciona un entendimiento de las componentes del
esfuerzo y las deformaciones δ, dentro del sólido: Los esfuerzos se equilibran en el bulto
del material, así como también el balanceo de la carga aplicada sobre él. Entonces, se puede
derivar las componentes de la deformación, las cuales deben satisfacer las condiciones de
compatibilidad geométrica. Es necesario asumir, en un gráfico en dos dimensiones, esos
desplazamientos expuestos paralelos al eje “y” y simétrico a éste. Donde el material se
encuentra en un plano de deformación, ésto es εy = 0. Para esta suposición se justifica el
ancho de los desplazamientos que son grandes comparados con la anchura de la zona de
contacto, que sucede frecuentemente en problemas prácticos.
En la zona de deformación, las ecuaciones de equilibrio y compatibilidad son resumidas en
coordenadas cartesianas por derivación como en las ecuaciones 2.12, 2.13, según los textos
de la resistencia de los materiales, por ejemplo, Timoshenko y Goodier 1951 [9]. Para
satisfacer equilibrio, se tiene que:
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
32
0=∂
∂+
∂∂
zxxzx τσ
(2.12)
y
0=∂
∂+
∂∂
xzxzz τσ
(2.13)
Donde σx, σz, son los esfuerzos principales y τ xz, es el esfuerzo de corte actuando sobre un
elemento de material en el punto (x,z).
Por compatibilidad, las deformaciones correspondientes εx, εz, y γxz, deben satisfacer la
ecuación:
zx
yzzx
xz ∂∂∂=
∂∂
+∂∂ γεε 2
2
2
2
2
(2.14)
Donde la deformación es relacionada con el desplazamiento wx y wz, de un partícula
característica en la coordenada (x,y) para áreas reales.
xwx
x ∂∂
=ε
zwz
z ∂∂
=ε
xw
zw zx
xz ∂∂
+∂
∂=γ (2.15)
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
33
Los esfuerzos elásticos y la deformación según la ley de Hooke pueden ser descritos de la
siguiente manera:
( ) ( ) )111 2zxx E
σννσνε +−−= ;
( ) ( ) )111 2zxz E
σννσνε +−−=
xzxz
xz zG
τντγ
Ε+
=∂=2 (2.16)
En la que E, es el módulo de Young, G, es el módulo elástico de corte, y ν, es la relación de
Poisson. Las ecuaciones 2.14, 2.15, y 2.16 son satisfechas, si los esfuerzos son derivados de
la función esfuerzo φ(x,z). Por lo tanto se tiene que:
2
2
zx ∂∂
−=φσ
2
2
xz ∂∂
−=φσ
zxxz ∂∂∂
−=φτ
2
(2.17)
De esta manera la función φ(x,z), satisface la ecuación biarmónica:
02
2
2
2
2
2
2
2
=⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
∂∂
+∂∂
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
∂∂
+∂∂
zxzxφφ (2.18)
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
34
Para coordenadas polares cilíndricas (r,θ), ó bien para establecer el esfuerzo φ(r,θ), es
mucho más apropiada para la solución de la ecuación biarmónica.
011112
2
22
2
2
2
22
2
=⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
∂∂
+∂∂
+∂∂
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
∂∂
+∂∂
+∂∂
θφφφ
θ rrrrrrrr (2.19)
Los esfuerzos correspondientes son derivados de las siguientes ecuaciones:
2
2
2
11θφφσ
∂∂
+∂∂
=rrrr ; ;2
2
r∂∂
=φσθ
⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
∂∂
∂∂
−=rrrrφτ θ
1 (2.20)
Las deformaciones εr, εθ, y γ rθ, son en este caso relacionados para los desplazamientos
wr y wθ de una superficie ( r,θ ), donde:
rwr
∂∂
=εz
wrr
wr
∂∂
+∂
∂= θ
θε 1r
wr
wwr
r θθθ θ
γ −∂
∂+
∂∂
=1 (2.21)
Aplicando la ley de Hooke, se obtiene que:
( ) ( )[ ]θσννσνε +−−= 111 2rr E
( ) ( )[ ]rrrE
νννε θθ +−−= 111 2
( )θ
θθ τντ
γ rr
r EG+
==12 (2.22)
El análisis se realiza considerando los esfuerzos y deformaciones causados por la carga
W/L, a lo largo de eje “y” sobre la superficie del sólido, lo cual es ilustrado en la figura
2.2.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
35
El esfuerzo elástico en el plano (r,θ) se obtiene fácilmente de acuerdo a las funciones de
Timoshenko y Goodier (1951).
( ) θθπ
φ senrLWr −== 0, (2.23)
Este esfuerzo tiende a elevarse hasta una simple distribución radial compresiva de esfuerzos
directamente hacia el punto O, donde se aplica la carga; los esfuerzos internos son descritos
por las ecuaciones:
θσ cos2LrW
r −= , y σθ = τr θ = 0 (2.24)
La superficie, está libre de esfuerzos (σr = τrθ = 0) excepto donde se aplica la carga, donde
r = 0.
Fig. 2.2 Línea de carga normal uniforme de intensidad W/L por
unidad de longitud sobre la superficie de un sólido semi-infinito.
Por ello, los esfuerzos son, teóricamente, infinitos, como consecuencia de asumir que la
carga se concentra a lo largo de una línea; en la práctica en caso de ser pequeña, el área de
contacto debe siempre tener una anchura finita en el plano donde se aplica. Es posible hacer
notar dos características en la ecuación 2.24; La primera, cuando r, es suficientemente
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
36
grande y los esfuerzos tienden a cero. La segunda, se refiere cuando se tiene una magnitud
constante de –2W/πD sobre el círculo de diámetro D, que pasa a través del punto O (D cos
θ = r).
Como τrθ=0, por lo tanto σr y σθ, son los esfuerzos principales y el esfuerzo de corte τ1 en
el punto (r,θ), tiene un valor de σr/2. De esta manera, los esfuerzos cortantes son máximos
y de forma circular pasando a través del punto O. Cada trayectoria de máximo esfuerzo es
localizada experimentalmente, usando técnicas de foto-elasticidad como se observa en la
figura 2.3, en donde cada una de las predicciones del modelo propuesto es claramente
observado en la figura 2.4. Se puede expresar igualmente en términos de coordenadas
cartesianas: las transformaciones de un sistema de coordenadas a otro, se realiza por medio
del circulo de Mohr, para esfuerzos en un punto representativo como es el “A” en la figura
2.4 [9].
Fig. 2.3 Franjas foto-elásticas; a) Línea concentrada de carga ; b)presión
uniforme sobre una área infinita; c) Línea nominal de contacto entre dos cilíndros.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
37
Fig. 2.4 Círculos de Mohr para esfuerzos localizados en un punto.
El procedimiento se ilustra en la figura 2.4, así como las ecuaciones correspondientes:
222
22
)(2
zxzx
LWsenrz +
−==π
θσσ
222
32
)(2cos
zxz
LW
r +−==
πθσσ (2.25)
222
2
)(2cos
zxxz
LWsenrxz +
−==π
θθστ
Para encontrar el cambio en la forma del material sometido a carga, se pueden sustituir los
esfuerzos dados por las ecuaciones 2.24 ó 2.25 por una estimación propuesta por la ley de
Hook, una vez que los esfuerzos son establecidos, para volver a trabajar con los
desplazamientos asociados, empleándose coordenadas polares o cartesianas. El primer
punto de interés, es la forma que toma la superficie deformada. Esto es de acuerdo a los
desplazamientos radiales wr y wθ, respectivamente, cuando θ = ±π/2. Las ecuaciones que
los describen son:
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
38
( )( )LE
Wenwr 21212/( ννπ +−
−=±= (2.26)
y
ωθ(en θ= ±π/2) = -ωθ(en θ = -π/2) = ( rrInEL
W/0
2 2)1(π
ν−− ) (2.27)
La ecuación 2.26 describe todos los puntos en la frontera del sólido donde ocurre un
desplazamiento constante con dirección hacia el origen O. En la ecuación 2.27, la constante
r0, refleja la selección de los datos de los desplazamientos que son obtenidos desde r0, hasta
ωθ. La inadecuada selección de los mismos, es una inevitable característica de este
problema que involucra deformaciones en dos dimensiones en un espacio elástico. La
forma de la superficie
deformada se presenta en la figura 2.2, sobre el cual el valor de r0 es indicado [9].
2.3.2 DISTRIBUCIÓN DE CARGAS NORMALES
La carga W se distribuye sobre un área de contacto finita, generándose una presión p. El
valor de ésta, en la interface, varía con la posición a lo largo del eje “x”, es decir, p es una
función de x, por lo que la distribución es simétrica con respecto al eje “z”; como se
observa en la figura 2.5. Por lo tanto, es necesario establecer las resultantes de esfuerzo en
cualquier punto de A(x,z), en el bulto del sólido y el desplazamiento vertical de algún punto
característico en C(x,0).
Esto se lleva a cabo para una carga total, que es representada por un área sometida a una
presión distribuida, con el fin de aplicar un número infinito de cargas lineales básicas. En
este trabajo se plantea el método de superposición para soluciones simples, el método de la
función de Green, descrito de una manera más completa por Johnson (1985); basado en
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
39
potencias complejas y transformaciones integrales encontradas por Glandwell (1980). Un
elemento con carga de intensidad pds, es observado actuando en el punto B(s,0) en la figura
2.5.
Los esfuerzos en el punto A, debidos a una línea de carga, son descritas por la ecuación
2.25, remplazando x por x–s y W/L por pds [9]. De esta manera, al integrar todos los efectos
y cada uno de las cargas se obtiene, que:
( ){ }∫+
− +−
−−=
α
απσ 222
2))((2
zsx
dssxspzx
( ){ }∫+
− +−−=
α
απσ 222
3 )(2
zsx
dsspzz (2.28)
( ){ }∫+
− +−
−−=
α
απτ 222
2 ))((2
zsx
dssxspzxz
Esto significa que si la forma de la distribución de presión p(s) es conocida, entonces el
mínimo estado de esfuerzos en cualquier punto del sólido puede ser evaluado por las
ecuaciones. En la práctica, la evaluación de las integrales es únicamente en ciertos casos
especiales.
Los desplazamientos elásticos de la superficie de un sólido pueden ser establecidos
similarmente, sumando el doble de los desplazamientos para cada incremento de carga de
magnitud pds. Denotando los desplazamientos tangenciales y verticales del punto C para wx
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
40
y wz respectivamente [9]. Donde wx = wr en θ=±π/2 y wz = wθ, sustituyendo en las
ecuaciones 2.25 y 2.26, donde se tiene que:
( )( )⎭⎬⎫
⎩⎨⎧
−+−
−= ∫ ∫−
x
xx dsspdssp
Ew
α
ανν )()(2
121 (2.29)
( ) dssx
rinsp
Ewz
⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
−−
−= ∫+
−
α
απν 0
2
)(21(2 (2.30)
La magnitud del desplazamiento en el origen, se encuentra implícita en la ecuación (2.29),
es necesario la partición en el rango de integración de las ecuación 2.30. Debe notarse la
ecuación para los desplazamientos verticales de las superficies que contiene una constante
r0, que representa los valores del nivel donde estos cambios son obtenidos.
Fig. 2.5 Cargas simétricamente distribuidas, en dos dimensiones.
Estas ecuaciones son las más aplicadas para cálculos de gradientes de desplazamientos,
∂wx/∂x y ∂wz /∂x, por lo tanto se tiene que:
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
41
( )( ) )(121 spEx
wx νν +−−=
∂∂
(2.31)
y
( ) dssx
spEx
wz ∫+
− −−
−=∂
∂ α
απν )(12 2
(2.32)
Donde la deformación εx, es igual a ∂wx/∂x, entonces las ecuaciones quedan definidas por
las ecuaciones 2.31 y 2.16.
( ) ( ) ( ) ( ) ( ),211)1( 2 xpxpx νννσν +−=++−
y se tiene que:
)(xpx −=σ (2.33)
que es numéricamente igual a σz,
Esto se observa en cualquier superficie con una carga normal. El esfuerzo local en el
planoσx, donde aparece la presión es de igual magnitud que la presión normal actuando en
el mismo punto. Estos esfuerzos de compresión, localmente generados son particularmente
importantes, dado que retardan la deformación plástica en la zona considerada [9].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
42
2.3.3 PRESIÓN NORMAL UNIFORME
Una carga normal uniformemente distribuida, es una presión que se extiende sobre un
rango de –a < x < +a. Suponiendo que la magnitud de ésta es p, como se indica en la figura
2.6. La ecuación 2.28 es aplicada para este caso, donde p es considerada como la constante
de integración. Usando la notación de la figura 2.6, el resultado del esfuerzo es:
( ) (( ),2222¨ 2121 θθθθ )π
σ sensenPx −+−−=
( ) (( ,2222¨ 2121 θθθθπ
σ sensenPz −−−−= )) (2.34)
( 21 2cos2cos2
θθπ
τ −=P
xz )
Fig. 2.6 Geometría de una presión de carga de magnitud P.
Donde θ1 y θ2 son los ángulos que definen los desplazamientos que van desdeθ12 = z/(x±a).
Tanto el esfuerzo máximo como el mínimo, están dados por:
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
43
( ){ } 2/12221
2.1 2 xzzxzx τσσ
σσσ +−±
+=
( ααπ
σ senpm−=2,1 ) (2.35)
El esfuerzo máximo de corte τ1 tiene la magnitud ⏐σ1-σ2⏐/2, por lo tanto se tiene que:
απ
τ senp=1 (2.36)
En este caso, para el perfil de esfuerzo de corte que genera la curva polar, es descrito por
senα=constante, serán círculos que pasan a través de los puntos de carga, siendo estos, O1 y
O2, como se observa en las figuras 2.7 y 2.8. Las experimentaciones foto-elásticas de estos
modelos de esfuerzo se muestran en la figura 2.3b.
La ecuación 2.31 indica que el esfuerzo principal de corte alcanza su máximo valor a lo
largo del semicírculo en donde α=π/2. Se puede hacer notar que la anchura a, la anchura
del área sometida a carga decrece, así como la sub-superficie que libera los esfuerzos
contenidos por ésta.
Para obtener los desplazamientos de la superficie es necesario aplicar la ecuación 2.35 y
2.36 dentro del área de contacto en la región –a < x <+a, por lo tanto se tiene que:
,)1)(21( pxE
wxνν +−
−= (2.37)
fuera de la región de contacto, ⏐x⏐>a,
paE
wx)1)(21( νν +−
−= acordando que x<-a ó x>a. (2.38)
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
44
Fig. 2.7 Trayectorias de esfuerzo cortante constante,
bajo una presión uniformemente distribuida.
La forma del perfil de la superficie deformada es dada por la expresión wz, donde puede ser
más fácilmente establecida la presión desarrollada por el gradiente de superficie, ecuación
2.23; entonces:
( )∫+
− −−
−=∂
∂ a
a
z
sxsdp
Exw )(12 2
πν desde p = o para ⏐x⏐>a. (2.39)
En la zona de contacto esta ecuación no se integra por la singularidad de que s = x. Esta
dificultad se puede superar considerando dos regiones, una extendiéndose de s = -a a s =
x-ε y la otra de s= x+ε a s=+a, siempre que el valor de ε sea demasiado pequeño.
Este procedimiento genera la siguiente ecuación:
( ) ( ) ( ) Ca
xaInxaa
xaInxapE
wz +⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
−+⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ +
+−
−=2221
πν (2.40)
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
45
Fig. 2.8 Superficie deformada a causa de una carga uniformemente distribuida sobre ella.
Donde C es una constante de integración. Fuera de la zona de contacto, ⏐x⏐>a, donde no
es difícil realizar la integración, resultando que:
( ) ( ) ( ) Ca
axInaxa
xaInaxpE
wz +⎪⎭
⎪⎬⎫
⎪⎩
⎪⎨⎧
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −
−−⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ +
+−
−=2221
πν (2.41)
La constante C, es nuevamente evaluada en el desplazamiento vertical obtenido. La figura
2.8 muestra la deformación, del perfil de la superficie correspondiente, tal que wz = 0
cuando x = ±a’.
Es notable que la naturalezas de los cambios del perfil superficial es descrito por las
ecuaciones 2.40 y 2.41 e ilustrados en la figura 2.8, que no son de la misma forma como
aquellas descritas por las ecuaciones 2.8 y 2.9, donde se genera el contacto entre dos
cilíndros. La implicación de esta observación, es que la presión a través de la zona de
contacto entre dos superficies cilíndricas inicialmente no es una simple distribución
uniforme de esfuerzos [9].
2.4 FRICCIÓN ADHESIVA
2.4.1 DEFORMACIÓN
Dos tipos de interacción pueden ocurrir durante el deslizamiento de dos superficies; una
microscópica, originando un deformación plástica para posteriormente generar un
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
46
desplazamiento de las superficies junto con las asperezas, y la otra es cuando el mayor
contacto se produce en la parte donde el material es sumamente rugoso dentro de una zona
propensa a una deformación plástica, que a la vez provoca una fractura, esto es ilustrado en
las figuras 2.9 y 2.10.
Fig. 2.9 Esquema de dos superficies adheridas.
Fig. 2.10 Interacción esquematizada, a)interacción de las asperezas,
b)superficies en deslizamiento.
Las líneas de contacto sufren grandes deformaciones después de ser sometidas a cargas por
cierto tiempo, produciendo posteriormente que los mecanismos de corte se localicen en las
uniones. Por ello, las superficies se adhieren. La generación de líneas frágiles pueden o no
ser significativas, según sea el caso; esto depende de la magnitudes de las mismas, así como
de la rugosidad, dureza, tamaño y forma de las partículas abrasivas atrapadas entre las
superficies en contacto. Antes de realizar una serie de deslizamientos entre dos superficies,
el coeficiente de deformación µd, debe superar al coeficientes de fricción estática.
La energía puede ser disipada por medio de la deformación de los cuerpos durante el
contacto y deslizamiento. El análisis de la deformación a micro escala de una sola aspereza,
se desarrolla en el campo de una línea de deslizamiento, en un material perfectamente
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
47
rígido, similar al usado por Green para el análisis de la fricción adhesiva. Por lo tanto, el
análisis de µd no depende de la adhesión.
Asimismo, si una de las superficies de deslizamiento es más dura con respecto a la otra,
éstas pueden penetrar a la línea quebradiza dentro de la superficie dúctil y producir la
fragmentación, una vez que se exceden los esfuerzos de corte. En consecuencia, la
interacción de dos superficies, bastantemente rugosas, son resultado de un comportamiento
interno en una micro o macro escala. La línea quebradiza, no surge únicamente
incrementándose la fuerza de fricción, también es producida por las partículas de desgaste,
donde ambos en cada oportunidad se incrementan.
En el caso de pares metálicos y cerámicos con superficies rugosas y entre ellos partículas
de desgaste atrapadas, la deformación se genera en proporción de la fuerza necesaria para
obtener dicha línea, dando como resultado una serie de fracturas en las superficies,
producto de la adhesión de las mismas. Los mecanismos de adhesión y de disipación de
energía en metales donde la deformación es plástica, es una característica de este
fenómeno, según lo propuesto por Rigney y Hirth, en 1979. Los materiales plásticos rígidos
son sometidos a esfuerzos más allá de producirse algún punto con deformación plástica,
volviendo a incrementarse la energía. En el caso de visco-elástico (materiales plásticos), la
deformación, incluyendo la pérdida de energía causada por una deformación del material es
obtenida después de la identación de una aspereza en particular, nombrándola como la
histéresis de la fricción [10].
Ahora se calculan los componentes de la línea quebradiza de la fuerza de fricción para tres
modelos propuestos de partículas de desgaste, que son cónicas, esféricas y cilíndricas con
dos orientaciones, figura, 2.11.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
48
Fig. 2.11 Esquema de diferentes partículas duras,
a)cónica, b)esférica y c)cilíndrica.
Durante el deslizamiento únicamente la superficie frontal de la aspereza está en contacto
con el cuerpo dúctil. La carga es soportada por el área (proyección horizontal de la aspereza
en contacto). A1, soporta la carga normal que es dada por:
A1 = ½ πr2 (2.42a)
La fuerza de fricción soportada por el área donde inician las asperezas (proyección vertical
del contacto con la aspereza), o sea que:
A1 = ½ (2rd)
r2 tan θ (2.42b)
Considerando que el cuerpo es isotrópo y que la presión producida es p, entonces:
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
49
F = p Ap (2.43a)
y
1AA
WF p
p ==µ (2.43b)
Por ello, µp, que es coeficiente de fricción deformativo, es calculado en términos del punto
del semi-ángulo del cono α = 90°- θ, por lo tanto se tiene que:
παµ cot2
=p (2.44)
Para ingeniería de superficies, los ángulos de las asperezas con respecto a la superficie
horizontal (ángulo de rugosidad), son muy pequeños y las componentes de la línea
quebradiza de fricción es correspondientemente pequeña. Por ejemplo, para una aspereza
cónica con un ángulo de ∅ = 5°, en una superficie muy rugosa, la componente de la línea
quebradiza es únicamente 0.056. Este valor es pequeño, porque la acumulación encima del
material al frente de la aspereza deslizada es descuidada en el análisis. Los materiales
abrasivos y las partículas de desgaste que toman contacto son angulares con valores
grandes de θ, los cuales resultan en valores grandes, debido a las componentes de los
cauces de fricción [10].
También, se considera una aspereza de forma esférica de radio R en contacto con un cuerpo
dúctil. Las expresiones para esta área son:
Rr
AAp
p πµ
34
1
== (2.45)
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
50
Para una relativamente ancha y grande zona formada de pequeñas protuberancias
comparada con el radio de una esfera en la expresión para µp, es dada por:
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= −
2/121
2
1sin2rR
Rr
rR
p πµ (2.46)
µp, incrementándose rápidamente con respecto a la relación, r/R, hacia la extensión de la
penetración de la esfera. Como se indica en la figura 2.12 [1].
Fig. 2.12 Coeficientes de fricción.
2.4.2 FRICCIÓN
Es la resistencia al movimiento durante el deslizamiento o giro, que presenta un cuerpo
cuando se desplaza tangencialmente con respecto a otro, como se representa en la figura
2.13. La fuerza tangencial resistiva, en dirección opuesta al movimiento es llamada fuerza
de fricción. Existen dos formas de estudiar los fenómenos de fricción, éstas son en seco,
también llamada fricción de “Coulumb” y en condiciones lubricadas.
DE
SOBRE DIS
La figura 2.13
existentes entre
fricción con lub
la que existe
velocidades rel
Si dos cuerpos
de fricción está
inicia el despl
ocurrido, la fue
fuerza de fricci
fricción estática
Fig. 2.13 Ilustración esquematizada de, a)un cuerpo en
deslizamiento en una superficie, b)superficie deslizándose con ayuda
de lubricante y c)un cuerpo rodando en una superficie horizontal;
W es la carga normal y F la fuerza de fricción.
SARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA CO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS 51
describe las componentes tangenciales de la fuerza en dos contactos
dos superficies secas, una deslizándose y la otra rodando. Mientras que la
ricante, describe las componentes tangenciales de la fuerza de contacto, en
una capa adyacente de algún fluido, el cual, es movido a diferentes
ativas por cada una de las partes.
sólidos están en contacto y sometidos a una carga, a fin de vencer la fuerza
tica, Fs, que existe en ellos, se aplica una fuerza tangencial con la que se
azamiento. Esto, toma varios milisegundos antes de ocurrir. Una vez
rza tangencial para mantenerlos en movimiento relativo, es conocida como
ón cinética, Fc. Ésta, por lo general resulta menor o igual que la fuerza de
, como se representa en la figura 2.14 [11].
DESARR
SOBRE DISCO P
52
La fricción no es u
y libres de película
ellas.
En las superficies
manera que sirva c
es decir una pequeñ
La fuerza de fricci
seria imposible cam
etc.
En algunas aplica
transmisiones fricc
máxima. Sin embar
sellos, la fricción
superficies en cont
2.4.3 FRICCIÓN
Fig. 2.14 Fuerza tangencial en función del tiempo o
desplazamiento. Fricción estática, fuerza requerida para iniciar
el movimiento y fricción cinética, así como la fuerza requerida
para mantener el movimiento.
OLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA ARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
na propiedad del material. Si dos superficies están perfectamente limpias
s químicas, al interaccionar presentan una fuerza de fricción grande entre
contaminadas con películas delgadas de polvo o alguna material de
omo lubricante, disminuye la fricción, observándose una débil adhesión,
a fricción.
ón es en ocasiones necesaria, pero en otras es perjudicial. Sin fricción
inar, usar llantas de automóviles en una carretera, o levantar objetos,
ciones de máquinas así como frenos de vehículos, embragues y
iónales de potencia (cinturones de seguridad), la fricción debe ser
go, en deslizamientos y componentes de rodadura tales como cojinetes y
es indeseable. Ésta es energía perdida, ocasionando el desgaste de
acto y movimiento relativo [11].
ADHESIVA
DESARR
SOBRE DISCO P
Cuando se tienen dos superficies nominalmente planas con interacción, el contacto se
origina en las pequeñas asperezas del material. La carga es inicialmente soportada por la
deformación de las asperezas en contacto; formando uniones como se esquematiza en la
figura 2.15. La suma de las áreas de todos los sitios en contacto constituye el área de
contacto (Ar) que resulta ser tan solo una pequeña fracción de la aparente área nominal de
contacto (Aa). La proximidad de las asperezas resultantes en contactos adhesivos es causado
por una u otra interacción ya sea física o química. Por lo tanto para separar las uniones
adhesivas es necesaria una fuerza [10].
La ruptura de las a
en contacto. Despu
decir se adhieren
adhesión, serán de
moléculas. Consec
Fig. 2.15 a)Dos superficies rugosas en contacto de deslizamiento y b)diagrama de cuerpo libre de las fuerzas involucradas.
OLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA ARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS 53
sperezas, ocurre en las regiones débiles de cada interfase de los cuerpos
és de separarse los contactos existentes, nuevos contactos se forman, es
por fuerzas moleculares entre las superficies. Por ello, las fuerzas de
la misma naturaleza así como las fuerzas existentes entre las mismas
uentemente, las interfases son más intensas en el bulto (bulk) de los
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
54
materiales. Durante el deslizamiento, se presenta la interrupción del proceso, lo que
ocasiona que el material se desgarre expulsando fragmentos del mismo. En este caso, la
fuerza de fricción dependerá de la fuerza de corte en el bulto [10].
Se ha desarrollado una teoría clásica para la fuerza de fricción adhesiva, para diferentes
rugosidades. Para un contacto seco los científicos ingleses Bowden y Tabor, la definieron
como:
(Fa) = Arτa (2.47)
y para un contacto con una película de lubricante.
(Fa) = Ar[ατa+(1-α)τ1] (2.48a)
y
hV1
1η
τ = (2.48b)
Donde Ar, es el área real de contacto, τa y τ1, son el promedio de la resistencia de corte en el
contacto seco y con película de lubricante; α, es una fracción de área no lubricada; η1 es la
viscosidad dinámica (absoluta) del lubricante; V es la velocidad de deslizamiento relativo y
h es el espesor de la película líquida. Un factor importante para vencer la fricción adhesiva
es trabajar en condiciones lubricadas y/o interfases expuestas continuamente a medios
húmedos, la presencia del líquido ocasiona la formación de puentes adhesivos y de
minúsculos efectos de viscosidad, el coeficiente de fricción adhesiva µa, para un contacto
de este tipo es:
WA ar
aτ
µ = (2.49a)
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
55
r
aa p
τµ = (2.49b)
Donde Pr, es la presión real media.
Si el corte ocurre en uno de los dos cuerpos en deslizamiento, entonces los esfuerzos de
corte requeridos para producir el deslizamiento por encima del plano de deslizamiento en la
ausencia de dislocación es del orden de G/30, donde G es el módulo de corte del material.
Si se presentan dislocaciones, los esfuerzos de corte son del orden de menos de mil veces
los esfuerzos para generar el deslizamiento. En la interfase los esfuerzos de corte son
usados para calcular la fricción. Según el científico Bhusan, debe asumirse que la
profundidad de la zona de corte (la distancia de transición entre una superficie en
movimiento y la superficie en donde la ruptura ocurre), es igual para las dimensiones
lineales de una partícula desgastada. Si el diámetro de ésta, es en promedio de 1 µm para
una velocidad de deslizamiento de 1 m/s, el valor de la fuerza de corte debe ser 1 x 106s-1
[10].
La fuerza de adhesión de las interfases depende de las propiedades mecánicas de los
materiales y de la interacción física y química de los cuerpos en contacto. Así mismo, la
presencia de contaminantes o la aplicación deliberada de una película de fluido ( aire, agua
o lubricante) tienden a reducir dicha fuerza. Generalmente, en interfases en vacío con
contacto sólido-sólido, dan origen a valores altos de adhesión y consecuentemente a un
coeficiente de fricción grande. Películas gruesas de lubricantes de varias micras reducen la
fricción, esto para disminuir el esfuerzo de corte en la película del fluido así como en el
contacto sólido-sólido.
Los contactos entre un esfuerzo elástico o plástico, depende primeramente de la rugosidad
en las superficies y de las propiedades mecánicas y/o de las características de cada
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
56
elemento. Substituyendo Ar, de la expresión para coeficiente de fricción µa, en la ecuación
2.49a. Se obtiene para contacto elástico:
( ) 2/1/2.3
pa
aa RE σ
τµ ≈ (2.50a)
ó
( )βατ
α/E
a (2.50b)
Donde E* es el modulo de elasticidad, σp y Rp son las componentes de la desviación
estandarizada, σ, es la desviación estandarizada de la altura de las superficies y β*, es la
correlación de composición de longitud. La µa, es en función de las superficies rugosas en
el régimen de contacto elástico [11].
Por otra parte, para una sola aspereza en contacto ó en donde el número de contactos
permanentes, Ar, es proporcional a (W)-1/3. Para esta situación se tiene que:
µa α W-1/3 (2.51)
Ha
aτ
µ = (2.52)
Donde H es la dureza ó ductilidad del material en contacto. La µa, es independiente de las
superficies rugosas no semejantes en los contactos elásticos. Comúnmente los datos por el
efecto de la rugosidad en el coeficiente µ a, en contactos elástico o plástico son presentados
en la figura 2.16. En un contacto elástico ó de una película delgada en una disco en
deslizamiento cerámico, como se observa en la figura 2.16a, µ, decrece con un incremento
en la rugosidad. En un contacto plástico de cobre contra cobre en la figura 2.16b, para
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
57
rangos moderados de rugosidades, µ, es independiente de las rugosidades. Esta tiende a ser
grande hasta muy pequeñas rugosidades, debido al área real que está en contacto [11].
Fig. 2.16 Coeficientes de fricción en función de la
rugosidad superficial.
Para el cálculo de µa, se requiere del conocimiento de τa. Aplicando un análisis límite se
puede obtener la fuerza interfacial de corte τa, que no podrá ser substancialmente excedida
en el bulto(bulk), k (la producción de esfuerzos de corte), para un contacto dúctil de
materiales en contactos plásticos. Si esto no sucede, en cada contacto ocurrirá un corte
debido a la blandura del material en metales dúctiles, para esto se tiene que:
H~5 k (2.53)
Donde,
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
58
51
≤aµ
El máximo valor de un coeficiente de fricción, es independiente del par cinematico. Los
valores del coeficiente, comúnmente están en el rango de 0.3, hasta algunas veces más
grande que 1. Este análisis también incluye efectos adicionales de otros factores semejantes
en el área de contacto en una zona rugosa y no comprende otro surgimiento de fricción en
la cual exista deformación.
En otros casos, los investigadores MacFarlane y Tabor, 1950, propusieron, que pm, es la
presión de contacto para todo la zona plásticamente deformada en compresión normal,
igual a la dureza H en toda la plasticidad, hasta una lugar i, para un área de contacto (Ar)i=
Wi/H [1]. Otra aplicación de las causas de esfuerzos de corte, es tener un valor crítico en la
presión normal p, es decir en un flujo plástico donde se presenta la disminución del valor
que se origina únicamente por una carga normal aplicada. Si la carga permanece constante,
entonces la plasticidad permanente desminuye y el área real de contacto crece. Una primera
aproximación es que:
( )2/12
0 1⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛+=WFAA rr α (2.54)
Donde (Ar)0 es el área real de contacto fuera de cualquier esfuerzo de corte. Otro factor, es
la influencia del área de contacto en el aumento de la temperatura en la interfase causada
por el calor generado por la fricción. Bajo cargas altas y ciertas condiciones de velocidad.
Esto tiene un efecto substancial sobre el área de contacto y consecuentemente en la fricción
según lo establecido por Bhushan, en 1996.
Rabinowicz en 1995, realizó una observación, refiriéndose al área real de contacto cuando
es mucho más grande; su conclusión es, que se presenta una deformación como resultado
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
59
de aplicar una carga en un contacto con adhesión. Por tanto, dos superficies en contacto,
tendrán presente un decremento total de la energía sobre las superficie sometida a trabajo
de adhesión (Wad). Para ilustrar esto, de una mejor manera, una aspereza cónica con una
rugosidad angular, o atacando en ángulo θ, penetra en un espacio medio, como se observa
en la figura 2.24, por una distancia dx, el trabajo proporcionado por la carga normal (W), es
igual al trabajo de la deformación del material y el cambio en la energía de superficie, dado
por la ecuación 2.55 [11].
Fig. 2.17 Identación de una aspereza en un cuerpo dúctil.
θππ
sendxWrpdxrWdx ad)2(2 −= (2.55)
pW
senr
pWrA ad
r θππ 22 +== (2.55a)
Donde p, es igual a H para contactos plásticos. Esta ecuación muestra el cambio en la
energía superficial como resultado de un incremento en el área real de contacto. Para
interfases con altos valores de Wad, la contribución de energía superficial para el área real
de contacto también es grande. En consecuencia, el coeficiente de fricción es:
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
60
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−
=)/(21
1θ
τµ
rHsenWH ad
aa (2.55b)
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ +≈
HW
KH
ada 1τ
(2.55c)
Donde k, es un factor geométrico (Suh y Sin, 1981). Si se incluye la energía superficial en
términos (Wad=0), entonces la ecuación 2.55b es simplificada a la ecuación 2.55c. En la
presencia de energía superficial, µ, crece considerablemente cuando Wad/H es grande o el
ángulo de las rugosidades es pequeño. Rabinowicz, demostró que la fricción es una función
de un cambio en la liberación de energía superficial para metales. Como se muestra en la
figura 2.18.
Fig. 2.18 Coeficientes de fricción en función de
Wad/H.
2.4.4 FRICCIÓN ESTÁTICA
Cuando dos superficies están en contacto, la fuerza de fricción requerida para iniciar el
movimiento es igual a la fuerza necesaria para mantener las superficies en constante
movimiento relativo. En otras palabras, el coeficiente de fricción estática µs es grande o
igual al coeficiente de fricción cinética µk. La fricción estática depende del tiempo de
permanencia (duración de contacto) de dos sólidos que están sometidos a un contacto
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
61
adhesivo, y consecuentemente por el coeficiente de fricción estático. El coeficiente de
fricción estática puede decrecer o incrementarse con el tiempo de permanencia del
empalme. Si presenta un pequeño esfuerzo de corte, dicho coeficiente tiende a decrecer. En
otra observación, si el contacto desarrollado es limpio y tenaz en las uniones interfaciales,
éste mismo tiende a incrementarse [10] [11].
Para una punta de una roca recién dividida, la formación de películas encima de las
superficies la fricción estática decrece, como se observa en la figura 2.19. Otro punto de
importancia, es que el avance de las superficies se observa, cuando el material metálico está
limpio y en superficies con diferentes características. Sampson, en 1943, demostró que el
coeficiente de fricción estática para pequeñas duraciones de contactos estacionarios, es
igual a la fricción estática. Coulomb en 1785, reportó que después de cuatro días de
permanencia de un contacto, el coeficiente de fricción estática en superficies de madera
(roble) deslizándose sobre una cama de hierro, se desarrollan coeficientes de cerca de 2.4.
Dokos en 1946, experimentó en un plano de µs para superficies de acero de acuerdo a una
función de aproximaciones de log t, para una línea de corte, como se presenta en la figura
2.20 Donde, para pequeños valores de t, el declive de µs contra el tiempo es una pendiente
lineal.
La fricción estática de superficies secas sometidas a carga, se empieza a incrementar,
debido al flujo plástico, arrastre de interfaces y a la degradación de la interacción de los
átomos [10]. Lo anterior son ejemplos que dependen del tiempo de permanencia de la
fricción estática, por lo tanto se tiene que:
µs(t)= µα-(µα-µ0) exp(-αts) (2.56a)
Donde µα, es el valor límite del coeficiente estático de fricción durante un tiempo
determinado, µ0, es valor inicial del coeficiente de fricción estático, ts, es el tiempo de
permanencia del contacto y α es una constante. Este modelo sugiere la búsqueda de un
máximo valor de la fricción estática después de un tiempo prudente. El segundo modelo es
basado en una fuerza de baja intensidad. Por lo tanto se tiene que:
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
62
µs(t)= µ0+αtsβ (2.56b)
Donde α y β son constantes, en este modelo, el valor del incremento en el descenso de la
fuerza de fricción se produce con el tiempo, pero éste no es asintótico en los límites. µ0, en
cada uno de los modelos siendo aproximadamente igual a µk.
El incremento de la fricción estática con el tiempo de permanencia no es deseable en
muchas aplicaciones industriales donde se requiere la operación intermitente de
mecanismos remotamente controlados, como antenas y otras partes en movimiento como
son los satélites, telescopios [10].
Fig. 2.20 Coeficientes de fricción estática en función del tiempo al aire.
Fig. 2.19 Coeficientes de fricción estática en función del tiempo expuesto al aire.
2.4.5 FRICCIÓN RODANTE
Esta fuerza es mucho más pequeña para superficies esféricas, que para aquellas que son
planas. La fricción por rodamiento, es la resistencia al movimiento cuando una superficie es
rodada sobre otra. El término de fricción rodante usualmente es restringido para cuerpos de
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
63
formas perfectas, es decir, continuas con muy poca rugosidad. En materiales duros el
coeficiente de fricción rodante entre un cuerpo cilíndrico o esférico, contra otro, de las
mismas características pero plano, se encuentra en el rango de 5 x 10-3 a 10-5 .
Durante la rodadura de dos superficies relativas, cualquier movimiento es observado como
una combinación de rodamiento y/o deslizamiento y giro, ésto fue establecido por Jonhson
en 1985 [1]. Considerando dos cuerpos no conformables, que llegan a tener contacto en un
solo punto O, como se puede observar en la figura 2.21. El deslizamiento, es ocasionado
por la velocidad relativa lineal entre dos superficies hasta el punto de contacto O, en un
plano tangente. El rodamiento, es la velocidad angular entre dos cuerpos alrededor de un
eje ficticio en el plano tangente, en tanto que el giro es la velocidad angular relativa entre
las superficies cerca de la normal en común en el punto O. Donde ocurrirá deslizamiento
ocasionado por las fuerzas no tangenciales. La rodadura de tracción es el giro donde la
fuerza de fricción o deslizamiento es diferente de cero. Éste, se observa en el manejo de
volantes de inercia o de un tren de engranes de camiones, donde grandes fuerzas
tangenciales son transmitidas. Una forma simple del rodamiento, se produce cuando dos
cuerpos tienen propiedades similares, tales como de elasticidad, geométricamente idénticos
y pequeñas deformaciones experimentadas en la región de contacto. En rodamiento de
tracción, la fuerza de fricción debe ser menor o igual a µW, donde µ, es el coeficiente de la
fricción deslizante y W es la carga normal [10].
Fig. 2.21 Dos cuerpos en contacto no deformable,
respecto a un punto O. 2.5 DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
64
El desgaste, es considerado un fenómeno tribológico, que se presenta cuando el material es
removido indeseablemente a causa de la interacción de dos sólidos sometidos a una carga,
en contacto y en movimiento relativo. La remoción provocada, en una superficie sólida
puede ser por causa de: fusión, disolución química o separación física de átomos. El daño
provocado, en algunas ocasiones, es irreversible, otras se presentan picaduras o grietas, en
la superficie [12].
La clasificación del desgaste puede describirse de tres diferentes formas. Una es en
términos de la apariencia en la huella de desgaste. Una segunda es el mecanismo físico de
desgaste. La tercera es respecto a las condiciones alrededor de la zona de desgaste.
Ejemplos de estos tres modos son: picado, exfoliado, rayado, pulido, agrietado, desgaste
por vibración, formación de canales, escufinado. Los términos: adhesión, abrasión,
delaminación e identación son ejemplos de la segunda forma de clasificación del desgaste
y para el tercer grupo los términos utilizados son: desgaste lubricado, desgaste sin
lubricante, desgaste deslizado, metal-metal, desgaste de rodadura, alta carga en
deslizamiento y alta temperatura en desgaste metálico [12]. Sin embargo, para el propósito
de este trabajo se analiza únicamente el desgaste por deslizamient
El desgaste adhesivo, se presenta siempre y cuando las condiciones de desgaste no sean lo
suficientemente severas en la remoción de dicha capa. También, se presenta cuando la
carga de deslizamiento es moderada y cuando las superficies interactuantes son de pobre
adhesión.
Las superficies endurecidas y los factores de orden microestructural, son factores que
incrementan el desgaste adhesivo moderado; aunque, si la estructura presenta
discontinuidad, éste se reduce drásticamente.
Durante el arranque inicial, las máquinas, en la mayoría de sus elementos experimentan
instantáneamente desgaste adhesivo severo. Partiendo de cero y a valores bajos de carga y
velocidad, se tiene un rango de desgaste adhesivo suave. Con el incremento de carga y
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
65
velocidad, súbitamente se presenta un cambio y el desgaste se vuelve severo.
Posteriormente, al aumentar sustancialmente los valores de carga y velocidad, nuevamente
se tiene otro rango de desgaste adhesivo suave.
Los tratamientos térmicos de baja temperatura, semejantes al fosfatado se utilizan para
mejorar la resistencia al desgaste y el gripado incipiente en pequeños engranes, sobre todo
durante el periodo de arranque inicial. Para minimizar el desgaste adhesivo, que se
manifiesta en forma de ranuras, se prefiere en la práctica que los pares de piezas deslizantes
sean de dureza superficial diferente [15].
2.6.1.2 DESGASTE ADHESIVO SEVERO
La tasa de desgaste adhesivo severo es, por mucho, mayor a la del desgaste adhesivo suave.
Se presenta cuando se tienen cargas medias y velocidades moderadas o cuando la capa de
óxido es estable en sus superficies. Existen valores de carga y velocidad críticos en los que
se presenta una transición entre el desgaste adhesivo suave y severo. Al seguir
incrementando los valores de carga y velocidad, nuevamente se presenta la transición de
desgaste adhesivo severo a suave. En el caso de incremento de velocidad, la tasa de
desgaste adhesivo severo se incrementa considerablemente hasta alcanzar su máximo, y
disminuye nuevamente cuando se vuelve suave. La figura 2.24, presenta en forma gráfica
este comportamiento, donde se establece la influencia que la carga y la velocidad tienen
durante el desgaste por deslizamiento.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
66
Figura 2.24 Influencia de la carga y la velocidad sobre el desgaste de deslizamiento.
Además de las altas cargas y velocidades, también el incremento de la temperatura puede
facilitar que nuevamente predomine la capa de óxido provocando un efecto reversible, en el
que se presenta un desgaste suave, aún cuando el proceso de desgaste severo ya haya
iniciado [16].
La tendencia de los materiales que son resistentes a la oxidación y a la corrosión es, que
presentan limitada resistencia al desgaste adhesivo. Sin embargo, cuando la presencia de
óxido libre es grande, puede llegar a presentarse dicho desgaste.
2.6.2 ANÁLISIS DEL DESGASTE ADHESIVO Y LUBRICADO
En muchas situaciones de ingeniería el área de contacto se ve afectada por macro-
geometrías. Comúnmente es dado por una proyección geométrica o por modelos donde se
observa una cantidad de deformación, elástica o plástica, que exhiben los materiales. Por
ejemplo la teoría de contacto Hertz, es frecuentemente aplicada no únicamente para
determinar niveles de esfuerzo en el contacto, sino también para determinar el tamaño de
las zonas de contacto [5].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
67
En esas aproximaciones las superficies son generalmente consideradas lisas, mientras tanto
otras superficies exhiben algún grado de rugosidad dando como resultado una situación
manifiesta de contacto diferente. La figura 2.25, ilustra la situación mencionada. En la
figura se observa un contacto físico que se origina en un lugar cerca de la zona de la macro-
geometría. En estos puntos de contacto se producen uniones. La suma de las áreas
individuales de contacto de esas uniones es generalmente llamada el área real de contacto.
Esta, es determinada a través de macro-consideraciones que son consecuencia del área
aparente de contacto; que puede ser observado fundamentalmente en modelos físicos que
presentan desgaste.
Fig. 2.25 Naturaleza de los contactos en superficies.
Las características de rugosidad de la superficie tienen una influencia importante en el
número de uniones formadas, así como en el radio del área real de contacto para el área
aparente de contacto. El grado de penetración de una superficie con respecto a la otra,
afecta a ambas superficies en contacto. La figura 2.26, muestra el área real, en los cambios
de contacto, suponiendo una superficie plana y otra con asperezas. En la ilustración, dicha
área, se incrementa no únicamente por el cruce-seccional del área de una aspereza, sino
también con la penetración de las mismas, así de esta manera; en la practica, esto ocurre
cuando la fuerza normal se incrementa, al presionarse ambas superficies. Las propiedades
de deformación de los materiales involucrados y las condiciones de carga sobre las uniones
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
68
también influyen en el área real de contacto. El tamaño y el número de esas uniones y las
relaciones para el área aparente de contacto tienen que ser investigadas teórica y
experimentalmente. Debido al potencial de los diferentes parámetros involucrados.
Diferentes condiciones de contacto son posibles, por lo tanto, alguna generalización puede
realizarse.
Estos contactos se llevan acabo en uniones individuales; donde el diámetro estimado de las
uniones, es aproximadamente de 1 a 100 µm. Los valores grandes son generados por
superficies muy rugosas y cargas grandes.
Diámetros de las uniones en el orden de 10 µm son característicos en contactos normales.
Estimaciones basadas y generadas en una zona de los materiales y el tamaño de las uniones
indican que el número de estas son del orden de 10 a 1000, iniciándose más probablemente
con 10 a 100 uniones.
En consecuencia, los puntos más importantes a considerase cerca del contacto entre dos
cuerpos, es cuando ocurren en las crestas individuales en una área aparente de contacto. Por
lo tanto, el área real de contacto solamente es una fracción del área aparente. La
característica observada en muchas micrográficas de las huellas producidas por condiciones
de deslizamiento son mantenidas así para observar tanto el contacto como sus
características [11].
Fig. 2.26 Efecto del incremento de carga en un área real de contacto.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
69
Es importante entender la naturaleza de la interacción que ocurre en esas uniones, tanto a
nivel de la aspereza como atómico. En la aspereza, se observa el tipo de deformación que
ocurre en esas uniones. Justamente, muchas de las uniones involucradas dependen de su
tamaño y de la carga total aplicada, así como de cada una de sus propiedades de los
materiales estudiados.
Para entender las interacciones a un nivel atómico, es mejor considerar primeramente las
fuerza atómicas para entender el comportamiento de la fuerza entre dos átomos, ésto se
ilustra en la figura 2.27 [11].
Fig. 2.27 Naturaleza general de la fuerza
entre átomos en función de la separación entre ellos.
Para separaciones grandes entre los átomos una débil fuerza de atracción toma lugar. Estas
separaciones son comparables para espacios intra-atómicos donde la fuerza de atracción se
incrementa rápidamente. Por lo tanto, con pequeñas separaciones se producen fuerzas
iniciales de atracción y al final se genera una fuerza repulsiva. En la figura 2.28, se observa
la variación en la energía potencial en cada uno de los contactos como una función de la
separación de los dos cristales. Este sentido, es lo más común para describir las
interacciones y es equivalente a la representación de las fuerzas. La fuerza es representada
por el declive de la curva. Un declive negativo indica una fuerza repulsiva y un crecimiento
positivo indica una atracción [11].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
70
Fig. 2.28 a)Muestra la variación en la energía
adhesiva entre superficies Al y Zn, en función de la separación, b)Ilustración de la fuerza repulsiva y de atracción entre las superficies.
Las uniones formadas son resultado de dos superficies presionadas una contra otra, la
naturaleza de las fuerzas inter-activas indican que la relación ocurre en esas uniones y por
encima de algunas porciones del área real de contacto de los átomos en las dos superficies
donde se encuentra el punto máximo de unión. Ésto es, únicamente cuando las fuerzas
puedan ser equilibradas. Esto implica que algunas de estas fuerzas “adhesivas” o uniones
deben ser vencidas para separar las dos superficies. Esto se aprecia atómicamente en
circunstancias donde se presentan las uniones producto del desgaste adhesivo.
Considerando el diagrama mostrado en la figura 2.29, el cual describe lo relacionado en una
unión. Si una ruptura ocurre a lo largo de la línea 2, en la que se origina la interfase, el
material no será la mínima cantidad para cada superficie, puesto que se adhieren,
presentándose también deformaciones plásticas. Si la ruptura ocurre a lo largo de alguna
otra línea, como es la línea 1, en la misma figura, la superficie de arriba perderá material.
La remoción de éste, es causado por el desgaste adhesivo.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
71
Fig. 2.29 Posible ruptura de
superficies unidas.
Un modelo matemático para desgaste adhesivo fue desarrollado, presentando éste buena
correlación con experimentaciones. Éste, es aplicado para describir el comportamiento de
este desgaste. Esta formulación fue desarrollada asumiendo, que el área real de contacto
compuesta tiene n uniones circulares de diámetro d. Mas ampliamente se considera que si
un fragmento de desgaste adhesivo se presenta, éste, es de forma semi-esférica con un
diámetro d. Por lo tanto, el área real total de contacto, Ar, es:
Ar = 4dnπ (2.57)
En la tribología se considera que todas las uniones son plásticamente deformadas.
Aplicando esta aceptación y también considerando que la ductilidad de dos materiales
involucrados es perfectamente plástica, Ar, ahora se tiene que:
Ar pP
= (2.58)
Donde P es la presión normal de dos superficies juntas y p es la dureza de penetración de
material dúctil. Combinando esas ecuaciones, se tiene que:
2
4pd
Pnπ
= (2.59)
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
72
Ahora, esta distancia de deslizamiento de cualquiera que presente una unión es
aproximadamente d, entonces en una unidad de distancia de deslizamiento de cada unión
debe ser remplazada por varias veces (1/d). Ahí, el total del número de las uniones por
unidad de distancia, N, es:
dnN = (2.60)
2
4pd
PNπ
= (2.61)
Si K es la probabilidad de que la ruptura de cualquier unión dada sea resultado de desgaste,
el número de interacciones producidas por el desgaste adhesivo en una unidad de distancia
deslizada, N, para esto se tiene que:
M = KN (2.62)
2
4Pd
PMπ
= (2.63)
Donde el volumen de un fragmento de desgaste adhesivo es πd3/12, el valor de desgaste
volumétrico, dV/dx, donde V es el volumen de desgaste y x la distancia de deslizamiento,
por lo tanto se tiene que:
12
3ddxdV π
= (2.64)
Integrando y substituyendo la siguiente ecuación se obtiene para desgaste adhesivo, que:
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
73
Pxp
KV3
= (2.65)
Esta ecuación fue desarrollada por Archard.
Un punto clave en el desarrollo de esta ecuación, es que K, es una probabilidad, donde no
puede ser más grande que la unidad. Cuando la ecuación 2.65 es aplicada para interpretar
los datos de desgaste deslizado se presentan varios casos, los cuales pueden ser vistos en la
tabla 2.1. Los datos también indican que los valores experimentales de K, varían para
diversas magnitudes y para otros casos de este tipo de desgaste. Ésto, es cierto, para muchas
aplicaciones de ingeniería, en los cuales generalmente tiene asociaciones con valores de K
en el rango de 10-5 o más pequeños [11].
Tabla 2.1 Valores de K para desgaste adhesivo. COMBINACIÓN K
METALES DEL MISMO TIPO
SECO 2 X10-4 -0.2
LUBRICADO 2 X10-7 -9X10-4
METALES NO DEL MISMO TIPO
SECO 6 X10-4 -2 X10-3
LUBRICADO 9 X10-8 -3 X10-4
PLÁSTICOS SOBRE METALES
SECO 3 X10-7 -2 X10-5
LUBRICADO 1 X10-6 -5 X10-6
Los valores propuestos para K, pueden tener variaciones cuando el desgaste adhesivo es
controlado. En un punto de vista de ingeniería de selección de malos parámetros de diseño,
para los materiales mencionados en la tabla, K es limitado cuando un valor bajo de
adhesión se genere.
Básicamente K, es determinado por el valor relativo de la resistencia de una interfase de
unión. La debilidad de ésta, es en comparación de las asperezas, los más bajos valores de K.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
74
Según una terminología consultada de la teoría adhesiva, podría ser apoyada para donde
sean más bajos que la resistencia adhesiva de la unión, sujetas a las fuerzas cohesivas, de
los valores más bajas de K. Por lo que, es simplemente más bajo en el sentido de reducir K,
para el desgaste adhesivo donde algunas condiciones inhiben la adhesión deberán ser
seleccionadas por arriba de esos valores, los cuales provocan la adhesión.
En estas bases algunos principios generales pueden ser establecidos con respecto al
desgaste adhesivo. Una de ellas es que los pares de materiales no sean iguales para que
tengan valores más bajos de K que pares similares o idénticos. Parámetros cerrados, así
como características mutuas de solubilidad pueden ser factores con determinado grado de
similitud. Un segundo principio es que para energías superficiales de los materiales
involucran la K a bajos valores que normalmente deben ser así, como los polímeros y óxido
de metales. Con respecto a la limpieza de la superficie del metal, una superficie lubricada
es con el propósito de contaminar la superficie. En donde los contaminantes encima de una
superficie también tienden a reducir la energía de superficie, un sistema lubricado provoca
valores bajos de K, comparado con un sistema no lubricado.
Los datos en la tabla 2.1 ilustran algunas de estas tendencias. Limpieza, sin usar lubricante,
y pares similares de metales, generalmente tienen valores altos para K. Cuando tenemos
condiciones lubricadas los valores son bajos y con condiciones de óxidos y polímeros tiene
valores intermedios.
El mecanismo de desgaste adhesivo es influenciado por la naturaleza de la aspereza con
carga y el tamaño de las distribuciones, las cuales pueden ser manifestadas en un mínimo
de carga crítica en una porción de desgaste adhesivo. El establecimiento de un punto
conceptual, es ilustrado con un simple modelo. Esto es, considerando una unión circular de
diámetro d y la formación de un fragmento desgastado de diámetro d. Esto, se observa en la
figura 2.30. Cada situación idealiza en el proceso de desgaste adhesivo, puede ser revocada
por el siguiente criterio [11]. Para este desgaste, debe tomar lugar la energía potencial
elástica en el volumen del fragmento, Eν, donde debe ser igual o más grande donde se
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
75
presenta la asociación de la energía con la nueva superficie, Es, matemáticamente se tiene
que:
Eν ≥ E
Fig. 2.30 Modelo de formación de un
fragmento semi-esférico en contacto adhesivo.
Asumiendo que la punta de la aspereza es plásticamente deformada la acumulación de la
energía plástica por unidad de volumen es:
Yy
2
2σν =l (2.66)
Donde σy es el esfuerzo producido y Y, es el módulo de Young. Donde el volumen de la
región hemisférica es πd3/12.
Yd
E y
24
23σπν = (2.67)
Ninguna de las dos superficies hemisféricas es formada, se supone que el material en
ambos lados es el mismo, por lo tanto se tiene que:
Es = πd2Γ (2.68)
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
76
Donde Γ es la energía de superficie. Sustituyendo el diámetro mínimo de unión, d´,
requerida para una fragmento de desgaste adhesivo formado es:
2
24´y
Ydσ
Γ= (2.69)
Si La es la carga soportada por la aspereza,
4
2pdLaπ
= (2.70)
Substituyendo esas dos ecuaciones y la utilización de las siguientes relaciones empíricas,
se obtiene que:
Yxy3103 −=σ (2.71)
3p
y =σ (2.72)
β
3/1p=Γ (2.73)
Donde β es una constante para diferentes clases de materiales, ésto es observado para una
aspereza con un mínimo de carga en desgaste adhesivo donde se origina y es inversamente
proporcional para la energía de superficie, especialmente se tiene:
Γ=
37´ 105.4 βxLa (2.74)
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
77
Donde la suma de las cargas en cada aspereza debe ser igual a la macro carga, L, una
relación similar existe en una nivel macro. Para el caso de una aspereza uniformemente
distribuida L´, el mínimo de macro-carga, debe ser N veces, donde N es el número de
asperezas en contacto.
Una aproximación similar puede ser utilizada para desarrollar expresiones respecto a la
formación de pérdida de fragmentos producto del desgaste adhesivo. La expresión para el
tamaño mínimo de éstos es:
pWX
d ab4102
´ =́ (2.75)
La expresión para un mínimo de carga es:
pWX
L ab2810
´´π
= (2.76)
Wab es la energía interfacial entre dos superficies y p la dureza de la ductilidad de dos
materiales. El concepto de estas relaciones, es que cuando la separación de las uniones
ocurre el depósito de la energía plástica de un fragmento unido provoca que éste se rompa,
si es que la energía elástica es mas grande que la energía de la interfase [1].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
78
CAPÍTULO III _________________________________
PRINCIPALES
CONFIGURACIONES DE LAS
PRUEBAS DE DESGASTE
En el presente capítulo, se exponen las configuraciones más importantes para las pruebas de
desgaste, haciendo hincapié en las principales partes de los tribómetros, así como las
características de cada uno de ellos. Asimismo, se mencionan los parámetros de prueba,
control, verificación, obtención de datos y los reportes técnicos para éstos. Las
configuraciones de las pruebas analizadas son: arena seca / disco metálico vulcanizado,
arena húmeda / disco metálico vulcanizado, erosión por partículas usando gas a presión,
bloque sobre anillo, cilíndros cruzados, perno sobre disco y desgaste en rodamientos,
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
79
mismas que son llevadas acabo de acuerdo a los estándares de las normas internacionales
ASTM.
3.1 PRUEBAS DE DESGASTE
Existen diferentes tipos de configuraciones geométricas de máquinas tribológicas. Éstas son
para llevar a cabo pruebas en áreas donde se presentan deficiencias y fallas, que son
frecuentemente encontradas en las pruebas de desgaste. El uso particular de las mismas, es
para desarrollar un diseño deseado y resolver algunos problemas que deben ser tratados.
Las pruebas de desgaste, son llevadas a cabo de una manera general para ciertos tipos de
desgaste, como el ocasionado por los mecanismos de deslizamiento, abrasivo, fatiga y
erosivo.
Los parámetros operacionales para realizar dichas pruebas, permiten crear las condiciones
de simulación de los elementos mecánicos que se desgastan cuando se encuentran en
contacto y movimiento relativo. En consecuencia, para la preparación de las mismas se
debe tomar en cuenta la aplicación, el tipo de carga, geometría y medio ambiente, seguido
de los mecanismos de desgaste [11].
3.2 ARENA SECA / DISCO METÁLICO VULCANIZADO
La prueba es desarrollada para simular el desgaste abrasivo, donde una carga contribuye a
producir una huella de abrasión, en una forma primaria de desgaste. Este mecanismo de
desgaste, es asociado con la pérdida de partículas abrasivas, generando la degradación del
material. De esta manera, si aplica una carga ligera, la cantidad de ellas obtenidas, es
menor, que cuando se aplica una carga mucho más grande.
La prueba, es utilizada para investigar la influencia de varios parámetros sobre el desgaste
abrasivo, como es el tamaño y forma de la partícula abrasiva, el flujo ó caudal del chorro de
arena y el deslizamiento total que se realiza durante la misma [11]. Ésta, se desarrolla
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
80
empleando un flujo abrasivo en caída libre a través del disco metálico vulcanizado y la
probeta, aplicando una carga por medio de un brazo de palanca, en la figura 3.1 se observa
una máquina de estas características construida en la SEPI-ESIME, y en la figura 3.2 una
comercializada por la compañía Falex Corporation.
Fig. 3.1 Máquina abrasiva arena seca / disco metálico vulcanizado, construida
en el laboratorio de tribología de la SEPI-ESIME-IPN [13].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
81
Fig. 3.2 Máquina abrasiva arena seca / disco metálico vulcanizado,
por Falex Corporation.
El desgaste es determinado por pérdida de peso en gramos. Sin embargo, el volumen
desgastado, es generalmente la manera por excelencia, más común de describir la magnitud
del desgaste. Para ello, basta dividir la masa entre la densidad del material sometido a la
prueba, lo que permite obtener el volumen perdido en mm3[17].
La velocidad de deslizamiento, carga y la duración del ensayo, son determinadas
empíricamente para generar un nivel de desgaste que puede ser medido con suficiente
exactitud para diversos materiales en una razonable duración de tiempo, para evitar
complicaciones, como es el excesivo calor por fricción y degradación de las partículas
abrasivas [17].
También es recomendable analizar la huella de desgaste visualmente para asegurar una
adecuada alineación de la probeta, como la que se muestra en la figura 3.3.
La evaluación de la prueba se hace pesando antes y después la probeta para obtener el peso
perdido, para que posteriormente sea dividida entre la densidad del material para obtener el
volumen desgastado en mm3. En caso de no conocerse la densidad, otras técnicas
semejantes de comparación del volumen de la huella de desgaste y de sus dimensiones,
pueden aplicarse para poder encontrar con bases firmes los resultados obtenidos [11].
Fig.3.3 Huella de desgaste perfectamente alineada [13].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
82
3.3 ARENA HÚMEDA - DISCO METÁLICO VULCANIZADO.
Esta configuración, es desarrollada para generar desgaste abrasivo en condiciones húmedas,
consiste en mezclar arena sílica y agua a la cámara de prueba a un determinado porcentaje
según señala la norma de la ASTM G 101. Posteriormente, se coloca la probeta y por medio
de un brazo de palanca es aplicada la carga, una vez realizado lo anterior se pone en marcha
la máquina para que con giro del disco vulcanizado con neopreno y con las paletas que
permite se obtenga una mezcla homogena de lodo que talla la probeta metálica, así de este
forma se espera obtener una huella similar a la prueba de arena seca - disco metálico
vulcanizado [11]. En la figura 3.4 se observa la máquina de este tipo construida en la SEPI-
ESIME.
Fig. 3.4 Configuración arena húmeda disco metálico vulcanizado, prototipo
diseñado y construido en el laboratorio de tribología de la SEPI-ESIME-IPN [13].
En la máquina tribológica húmeda, la abrasividad está presente en forma de lodo. El
desgaste es determinado por pérdida de peso para posteriormente convertirlo a volumen
perdido en mm3.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
83
Esta configuración, ofrece una ventaja con respecto al procedimiento normal, ésto es,
porque puede ser modificada utilizando una solución más acuosa representativa de una
aplicación especifica. En este sentido, efectos químicos asociados con cierta aplicación se
hacen presentes en la prueba [11].
Un coeficiente de variación entre una y otra prueba es del 5%, siendo característico en este
tipo de pruebas. Para ello, se requieren controles de los parámetros del ensayo. Ésto,
incluye una normalización en el diseño y construcción del equipo utilizado, técnicas de
medición, tolerancias de los especímenes, preparación de los mismos y el tipo de abrasivo.
La composición del lodo es definido en términos del tipo, tamaño y fuente del material
abrasivo, así como la cantidad y calidad del agua. En este sentido, es necesario tener una
aplicación uniforme de lodo en el punto de contacto entre la carga y la probeta.
Para preservar la uniformidad del lodo durante la prueba, la agitación es proporcionada por
unas paletas metálicas ubicadas en ambos lados de la cara del disco, ver figura 3.3. Los
procedimientos de prueba también requieren que los especímenes a desgastar sean
preferentemente desmagnetizados. Ésto, para evitar problemas como partículas magnéticas
desgastadas adheridas a la superficie con lodo.
Esta prueba requiere de tres discos metálicos vulcanizados con neopreno con diferente
dureza, que se utilizan para minimizar el efecto de la variación del disco empleado. Lo
anterior, llega a ocurrir por el uso y el desgaste obtenido por materiales con diferentes
dureza, con el cambio de los discos un mejor desbaste lineal del material abraido ocurre,
relacionado por la dureza y el registro del desgaste. Sin embargo, este procedimiento
resulta ser muy costoso por el continuo desgaste de los discos con neopreno.
Después de cada ensayo, es necesario limpiar la cámara que contiene lodo para utilizarse
nuevamente. Una inspección visual y una estabilidad crítica debe llevarse a cabo en
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
84
relación al procedimiento adecuado de prueba; Por ejemplo, la tolerancia en el desbaste
lineal del material abraido del recubrimiento de neopreno. Ahora bien, si esta variación es
más del 7% la prueba es considerada fuera de control y los procedimientos de prueba y
dispositivos de ensayo deben examinarse para determinar la causa de esta situación [18]. En
la figura 3.5ª y 3.5b se presenta una huella de desgaste generada en este tipo de máquinas.
Fig. 3.5 Huella de desgaste (a) TiN02/H13 (b) H13 sin recubrimiento [13].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
85
3.4 EROSIÓN POR FLUJO DE PARTÍCULAS SÓLIDAS, APLICANDO GAS A
PRESIÓN
Esta prueba, es apropiada para estudiar la resistencia a la erosión que presentan diversos
tipos de materiales. En la figura 3.6, se observa el diagrama de un sistema erosivo, usando
partículas de carburo de silicio (SiC) que inciden en una dirección normal, a la probeta
[11].
Figura 3.6 Prueba de desgaste por erosión.
La erosión, es originada por partículas duras que inciden sobre superficies. Las diferencias
en las condiciones de choque, son ilustradas en la figura 3.7a y 3.7b. El efecto del ángulo
de incidencia sobre la morfología de la huella, esto es mostrado en la figura 3.8.
Fig. 3.7 a)Impactos normales b)Efecto debido al ángulo de impacto
sobre la probeta. y al rozamiento de las partículas.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
86
Fig. 3.8 Morfología de las huellas de la erosión.
Usando los procedimientos establecidos, según la norma ASTM G 76, coeficientes de
variación de una prueba a otra es del 5 al 20%. Las condiciones de la prueba son mostradas
en la tabla 1, En ella, se describen los parámetros más importantes para ser controlados en
la prueba y las tolerancias, para la realización de la misma. El procedimiento de prueba,
requiere del uso de un material de referencia, así como el monitoreo de la boquilla por si
esta sufriera desgaste, si su diámetro se incrementa en un 10% de lo que marca la norma, es
necesario cambiarla. Los procedimientos para la preparación del espécimen, limpieza y la
repetitibilidad de la prueba son también planteados por dicha norma.
Se emplea el método de masa perdida en gramos, para calcular las pérdidas por erosión.
Posteriormente, al dividirse entre la densidad del material se convierte en volumen perdido
en mm3. Para visualizar el desgaste erosivo, se hace uso de un gráfico de referencia, que es
generado por mediciones de masa pérdida en diferentes intervalos de tiempo, como el que
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
87
se muestra en la figura 3.9. La desviación, es utilizada para determinar un promedio del
valor de la erosión.
Tabla 3.1 Condiciones de prueba, para desgaste erosivo. BOQUILLA DIMENSIONES
ORIENTACIÓN
POSICIÓN
1.5 MM ± 0.075 MM, LONGITUD MÍNIMA 50 MM
EJE A 90 ± 2° CON LA SUPERFICIE DEL ESPÉCIMEN
Gas
Partículas
Composición
Tamaño
Forma
Alimentación
Velocidad
Aire seco
Al2O3
50 µm
Angular
2.0 ± 0.5 g/min
30 ±2 m/s
Flujo Valor
Presión
8 L/min
140 kPa (puede ser diferente)
Duración Mínimo, 10 minutos; máximo, puede aceptarse cualquier profundidad de la huella que no exceda
1mm
Temperatura 18-20°
Fig. 3.9 Curva de desgaste de una prueba de erosión de acero AISI 1020.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
88
El valor del volumen desgastado, es normalizado para determinar la cantidad de material
erosionado que se produjo durante la prueba. Un menor valor de éste, indica una mayor
resistencia a este tipo de fenómeno.
Las líneas de la gráfica indican el tiempo de duración de la prueba. A partir de 2 minutos o
menos, se le considera estable, cuando la prueba se realiza con un tiempo menor a 10
minutos, la huella no excede a 1 mm de profundidad, por lo tanto no tiene validez [11].
3.5 BLOQUE SOBRE ANILLO
La configuración básica de esta prueba, es mostrada en la figura 3.10 y 3.11. Ésta, es uno
de los arreglos más comunes para el estudio del desgaste por deslizamiento, en diversos
tipos de materiales. Después de un cierto tiempo, ambos, el bloque y anillo, pueden
desgastarse; en primera instancia la prueba es realizada para evaluar el desgaste del
material del bloque. Asimismo, se emplea para evaluar lubricantes y aditivos. El método de
conducción, manejo de los datos obtenidos y el análisis de desgaste realizado son
estipulados por la norma ASTM G 77 [11].
Fig. 3.10 Configuración bloque sobre anillo.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
89
Fig. 3.11 Máquina bloque sobre anillo, comercializada por la
casa Falex corporation.
La diferencia en las pruebas empleando la norma mencionada, indica que la variación de
los resultados para los volúmenes de desgaste en el bloque son del orden del 20 % para
metales y 40 % para plásticos. Mientras que la variación entre distintos laboratorios, son
aproximadamente del 30 % y 40 %.
La variación de las lecturas para el anillo deben de ser cuidadas por ser significativamente
más grandes, que las obtenidas para el bloque. Esta variación asociada, impacta en la
exactitud de la lectura y en los resultados de desgaste, producto de los parámetros
involucrados en la misma. Los coeficientes de variación para el ancho de la huella de
desgaste sobre el bloque son directamente medidos, ésto es, para calcular el volumen
perdido. Por lo tanto, para las geometrías de la prueba, este es relacionado con la exactitud
con la que se mide dicha huella. Para el anillo, el volumen perdido es determinado
midiendo un pequeño cambio en la masa del mismo. Por ello, su variación asociada con el
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
90
volumen desgastado, es generalmente, utilizado en diversas replicas; en la figura 3.12 se
puede observar algunas huellas de desgaste de un bloque [19].
El método estandarizado de prueba, especifica dos tipos de velocidades utilizadas para
diferentes materiales para determinar la resistencia al desgaste. En consecuencia, este
método de prueba requiere de registros de la fricción al inicio, durante y al final de la
misma. Ésta, puede llevarse a cabo con una amplia variedad de materiales con diferentes
condiciones superficiales y detalles específicos a considerarse. La elaboración de la probeta
es importante porque el comportamiento del desgaste es muy sensible a la presencia de
lubricantes sobre la superficie, así como de su composición, rugosidad y capas de oxido;
Por lo tanto, es necesario contar con un buen control en la higiene de las probetas antes de
realizar las pruebas.
Algunas técnicas de limpieza pueden desarrollarse y aplicarse por el personal del
laboratorio. Por otra parte, si un lubricante es utilizado al inicio de la evaluación, es
también necesario un control apropiado en la calidad y la aplicación del mismo [11].
Fig. 3.12 Huellas de desgaste para el bloque. a)Huella ideal, b)huella no uniforme, c y d)rayado asociado con el tipo de probeta [19].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
91
3.6 CILÍNDROS CRUZADOS
Esta prueba puede llevarse a cabo para diferentes pares de materiales en circunstancias de
resistencia al desgaste deslizante. Este ensayo, ha sido aplicado por muchos años, en la
industria, para evaluar las propiedades mecánicas de acero grado herramienta y aleaciones
especiales. De este modo, procedimientos y parámetros involucrados en esta configuración,
son establecidos por la norma ASTM G 83 [20]. Su configuración básica se observa en la
figura 3.13. En ésta, una probeta de forma cilíndrica es fija y presionada contra otra de la
misma forma , generando una ángulo de 90° entre ambas. Esta prueba, es para diferentes
tipos de materiales con el fin de generar el desgaste después de un cierto número de ciclos.
Este, es directamente medido por la técnica de masa perdida y posteriormente es convertido
a volumen perdido en mm3, para realizar una comparación antes y después de la prueba.
Este procedimiento tiene una variación del 15 % en el mismo laboratorio, para pruebas en
diferentes laboratorios la variación es del orden del 30 % [19].
Fig. 3.13 Cilíndros cruzados.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
92
Este ensayo se emplea para evaluar metales en seco, así como para aplicar algún tipo de
lubricante. Propone tres procedimientos, A, B y C, excluye a los polímeros que difieren uno
del otro, en cuanto a la velocidad y el tiempo de duración para obtener diferentes niveles de
comportamiento al desgaste. El procedimiento A es la prueba mas severa, es recomendable
para materiales con mayor resistencia al desgaste. Procedimiento B, es una versión corta
del primero, se aplica para materiales con menor resistencia a este tipo de desgaste. El
procedimiento C, es una prueba ligera, a baja velocidad, la cual se realiza para evaluar
materiales que han presentado el mismo comportamiento en los procedimientos anteriores.
Un factor importante en esta prueba es el calor excesivo que se genera en el punto de
contacto, presentándose una adhesión en los materiales en la prueba que afectan en la
exactitud del ensayo. La selección de cual procedimiento a usar en la prueba, depende
considerablemente de la naturaleza de los materiales y el comportamiento de desgaste
asociado con cada uno de ellos. Las variaciones en el comportamiento del desgaste que
proporciona este tipo de máquinas pueden ser del 10 – 15 % [11].
3.7 PERNO SOBRE DISCO
Este tipo de configuración es utilizada para el estudio y evaluación del comportamiento del
desgaste deslizado ya sea para diferentes tipos de material o para pares del mismo tipo. Esta
consta de un perno con punta esférica que es presionado contra un disco giratorio por la
acción de una carga normal, como se muestra en la figura 3.14. El movimiento relativo
entre los dos, es una trayectoria circular que genera una huella sobre el mismo disco, como
se observa en la figura 3.15. Este dispositivo, cuenta con un elemento que sirve para
registrar la fuerza de fricción y un sistema de equilibrio del brazo para asegurar que
únicamente se aplique la carga normal en contra del disco [11]. La norma ASTM G99-95,
describe los parámetros de prueba, así como la selección de los mismos para desarrollar a
ésta, en una forma adecuada. Ciertos parámetros pueden variar, como es el tamaño y la
forma del perno, carga, velocidad de giro, deslizamiento, temperatura del medio, algún tipo
de lubricación y las condiciones atmosféricas [21].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
93
Fig. 3.14 Configuración perno sobre disco.
Por otra parte, si el perno permanece en el plano del disco hasta el final de la prueba, se
genera una huella de desgaste homogénea. Sin embargo, el desgaste se puede producir en
ambos especímenes.
Fig. 3.15 Huella de desgaste generada por la
acción del perno sobre el disco.
El desgaste es obtenido pesando el espécimen antes y después para obtener la masa perdida,
ya sea del perno ó del disco, según sean los elementos que se estén caracterizando.
Posteriormente, ésta se divide entre la densidad del material con el propósito de obtener el
volumen perdido en mm3. En el caso que el desgaste sea insignificante sobre uno u otro
miembro, la anchura de la huella de desgaste debe emplearse para obtenerlo. Para lo cual
se emplean las ecuaciones, 3.1 y 3.2 [22].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
94
V = (π/64) X (W4/R) desgaste del perno (3.1)
V = (π/64) X D X (W3/R) desgaste del disco (3.2)
Donde V es el volumen de desgaste, W es el ancho de la huella de desgaste; D es el radio de
la huella de desgaste; R es el radio esférico del perno. En ambos casos la huella es obtenida
en uno u otro elemento; Para el caso del perno es suficiente con obtener el volumen
desgastado. Pero en el disco la huella es un perfil de sección circular W. En este caso la
técnica de perfilómetro, es aplicada antes y después del desgaste con el fin de determinar
profundidad de la misma [11].
En la figura 3.16 se muestra una máquina perno sobre disco con condiciones atmosféricas
controladas, perteneciente al laboratorio de tríbologia de la Universidad de Shiffield.
Fig. 3.16 Máquina perno sobre disco con condiciones
atmosféricas controladas.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
95
3.8 DISCOS ENCONTRADOS
Esta es una de las configuraciones que tienen un buen resultado en aplicaciones, como es en
el caso de los rodamientos. Este método de prueba consiste, en un par de discos
manipulados y presionados uno contra otro, como se observa en la figura 3.17. El
procedimiento característico, es monitorear visualmente las superficies de los discos
después de haber llevado a cabo la prueba según un número de ciclos previamente
seleccionado. La apariencia después de interactuar ambos discos es una rajadura, así como
un cambio en la textura de la superficie, como la que se aprecia en la figura 3.18. Estas
pruebas, son realizadas durante mucho tiempo, extendiéndose a días o semanas.
Algunos elementos críticos de esta prueba a considerar son; el control de las velocidades de
los discos, su alineación y las tolerancias geométricas de los mismos. A diferencia de otras
pruebas, existe un punto en particular digno de considerarse, que es conocer las condiciones
de los bordes de los discos, debido a que es un concentrador de esfuerzos, lo cual se debe
tratar de evitar. El uso de los rodillos de la misma longitud pueden ayudar a minimizar esta
acción, así como el llevar correctamente la prueba según la norma de la ASTM G 98.
Es necesario tener un buen control en la preparación y limpieza de todos los elementos y
componentes, lo cual es sumamente importante, así como la presencia de una consistencia y
uniformidad del material y lubricación, si es que se utiliza.
Esta prueba, es conveniente para evaluar materiales pares, es decir, discos similares, como
ejemplo se tienen los engranes, levas, rodamientos y los baleros de los rodamientos [11].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
96
Fig. 3.17 Configuración para el desgaste por rodadura.
Fig. 3.18 Daño causado a un engrane por este tipo de desgaste.
3.9 PERNO SOBRE – PLACA (RECIPROCANTE).
Generalmente la prueba perno sobre placa es muy similar a la de perno sobre disco, tanto
una como la otra se consideran como una evaluación recíproca. La configuración es
mostrada en la figura 3.19. Una diferencia entre las dos pruebas, es la forma del espécimen
que se encuentra en contacto con el perno. Sin embargo, la diferencia fundamental, es el
tipo de movimiento que se le proporciona a la placa. En la primera de ellas, el movimiento
es unidireccional hasta alcanzar una velocidad constante. Mientras que en la segunda, la
dirección del deslizamiento es reversible y la velocidad puede llegar a variar durante un
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
97
ciclo y otro [9]; en la figura 3.20 se observa una configuración de este tipo, utilizada por el
laboratorio de tribología de la Universidad de Shiffield en Inglaterra. Una consecuencia del
cambio de dirección, es que cada ciclo contiene una porción de aceleración y
desaceleración, que a su vez, depende de la naturaleza del manejo de los mecanismos
utilizados.
Figura 3.19 Configuración de prueba reciprocante.
Fig. 3.20 Máquina tribológica reciprocante.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
98
Las diferencias en el movimiento influye, en el comportamiento del desgaste ocasionado,
así como en una serie de circunstancias, donde la influencia de las partículas desprendidas
del material que se desgasta contribuyen a aumentar el desgaste. Estas dos pruebas,
proporcionan una mejor simulación para una aplicación determinada según sean los
requerimientos. Además, ambas tienen un excelente uso para generar el desgaste en
probetas, en aplicaciones unidireccionales y oscilatorias.
También, sirven para obtener los coeficientes de fricción dinámicos.
Curvas típicas de desgaste en diferentes aceros, generadas por una esfera cerámica, se
muetran en la figura 3.21 [23].
Fig. 3.21 Ejemplo de curvas de desgaste en pruebas reciprocantes.
Para una hipótesis en la que el desgaste establece la relación entre el volumen y la distancia
de deslizamiento, siendo ésta una relación lineal, un valor de n significativamente mayor a
0.5, puede llegar a ser implícito, para cierta transición en donde ocurre el desgaste, como se
observa en las figuras 3.22a y 3.22b [23].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
99
Fig. 3.22 a)Ejemplo de una pieza
afectada por desgaste por deslizamiento.
b)Efecto de la transición en una forma media de desgaste.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
100
CAPÍTULO IV
DISEÑO DE LA MÁQUINA
TRIBOLÓGICA ESFERA SOBRE
DISCO ____________________________________________ Se presenta el desarrollo de la máquina esfera sobre disco, para medir el desgaste adhesivo.
Para la realización de este proyecto se investigaron algunas de las máquinas tribológicas
que se ofertan en el mercado internacional, así como otras que se localizan en la división
de Estudios de Posgrado en la Facultad de Ingeniería de la UNAM y en otras Instituciones
de Educación Superior. Posteriormente, basándose en los parámetros de la norma ASTM
G-99-95, se aplicó la metodología de diseño para desarrollar el modelo funcional del
mismo. Este proceso de diseño implica varias etapas que van desde la detección de la
necesidad, comprensión del problema a resolver, propuesta y evaluación de soluciones así
como del refinamiento de la propuesta óptima a un nivel de detalle tal que, con la
información generada se manufacture, y se ensamble las piezas correspondientes a dicho
prototipo.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
101
4.1 CARACTERISTICAS DE LAS MÁQUINAS TRIBOLÓGICAS
COMERCIALIZADAS POR LAS EMPRESAS MANUFACTURERAS
Existen muchas empresas internacionales dedicadas al diseño y manufactura de máquinas
tribológicas para su comercialización, algunas de ellas cuentan con su propio centro de
investigación. Mientras que otras, realizan sus trabajos con apoyo de algunas universidades.
El propósito es el mismo producir máquinas para caracterización tribológica de diversos
materiales y recubrimientos de aplicaciones ingenieriles; como sucede en la industria
metal-mecánica, la minera, la alimenticia, la de recubrimientos y la biomecánica.
Este trabajo busca satisfacer la necesidad de contar con una máquina tribológica de
configuración esfera sobre disco para el laboratorio de tribología de la SEPI-ESIM-
UPALM del Instituto Politécnico Nacional.
El diseño de este prototipo funcional se fundamenta en las especificaciones de la norma
ASTM G-99-95. Ésta, describe el método de prueba en el laboratorio así como los
principales elementos que conforman la parte crítica del dispositivo de prueba, mismos que
son descritos a continuación para establecer una referencia en la etapa de diseño.
4.1.1 DESCRIPCIÓN GENERAL
La figura 4.1 presenta la configuración general de la máquina esefera sobre disco. Este
instrumento consta de un eje que conduce y sujeta al disco giratorio, un brazo de palanca
que sostiene la esfera y permite mantenerlo en contacto contra el mismo disco con una
carga controlada. De esta forma, la huella de desgaste que se presenta en el disco, es de
forma circular. En el extremo opuesto del brazo de palanca existe un contrapeso a fin de
equilibrarlo.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
102
Fig. 4.1 Esquema de una máquina tribológica
de configuración esfera sobre disco.
Los elementos mas importantes que constituyen este dispositivo son lo siguientes: motor,
contador del número de revoluciones, porta perno, brazo de palanca, sistema de carga,
contrapeso, tina, porta disco y celda de carga [22].
4.1.2 MOTOR
Un motor de corriente directa capaz de mantener la velocidad constante (± 1% con carga
aplicada sin variar la velocidad) sometido a carga. La velocidad de rotación debe
encontrarse en el intervalo de 0.3 a 3 rad/seg 60 a 600 rev/min) [22].
4.1.3 CONTADOR DE REVOLUCIONES
La máquina se tiene que equipar con un contador de vueltas para registrar el número de
vueltas del disco. Es preferible que sea automático, para programar el número de ciclos
[22].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
103
4.1.4 PORTA ESPÉCIMEN Y BRAZO DE PALANCA.
Es un porta espécimen estacionario que permite sujetar al perno que puede ser de forma
cilíndrica o esférica, este es colocado en un brazo de palanca, el cual es pivoteado,
aplicándole la carga. El porta perno y el brazo deben ser resistentes debido a las constantes
vibraciones a que estos son sometidos producto del movimiento durante al prueba [22].
4.1.5 SISTEMA DE CARGA
Consiste en tener diferentes cargas para ser colocadas en el extremo del brazo de palanca y
así la carga deseada en la zona de contacto entre el perno y el disco. Las unidades se
expresan en Newtons [22].
4.1.6 CONTRA PESO
La finalidad del contrapeso es obtener un punto de equilibrio a fin de eliminar el peso
muerto en la zona de contacto y así tener una huella de desgaste únicamente producida por
la carga aplicada [22].
4.1.7 TINA
Este elemento, permite la captación del aceite lubricante utilizado en la prueba de desgaste.
Se recomienda sea fabricado de acero inoxidable o de cualquier otro material resistente a la
corrosión. La tina debe contar con un dispositivo retenedor de partículas y un sistema de
bombeo para recircular el lubricante.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
104
4.1.8 PORTA DISCO
Este dispositivo, sujeta al disco y garantiza que no pueda salirse de su posición, el elemento
sujetador debe permitir la colocación y retiro de la probeta así como el apriete rápido del
mismo. El disco giratorio, puede tener un diámetro de 30 a 100 mm [22].
4.1.9 CELDA DE CARGA
La fuerza de fricción que se genera durante la prueba, es uno de los parámetros mas
importantes en las investigaciones tribológicas, debido que a partir de dicha cuantificación,
es posible determinar los coeficientes de fricción de cada par de materiales utilizados en
ella. Para ésto, es necesario contar con un elemento sensor que registre la fuerza antes
mencionada, que se genera durante el contacto de la esfera sobre el disco [22].
4.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA MÁQUINA PIN ON DISK
La máquina perno sobre disco, consta de un disco giratorio sometido a carga con un perno,
puede ser usada primeramente en condiciones secas y posteriormente sumergiendo el disco
en un aceite lubricante.
El sistema de carga es de 2-60N hasta una velocidad de 0-3500 rmp (opcionalmente 6000).
Las mediciones obtenidas se ven afectadas por el mecanismo de corrosión combinado con
el desgaste.
Así mismo, el desgaste y la fricción, son estudiados empleando materiales con
autolubricación y con lubricantes sólidos.
A continuación se presenta las figura 4.2, 4.3, 4.4, y 4.5, de máquinas perno sobre disco
comercializadas por diferentes empresas internacionales.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
105
Fig. 4.2 Máquina tribológica perteneciente a la
Facultad de Ingeniería de la UNAM.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
106
Fig. 4.3 Máquina tribológica manufacturada por Falex corporation.
Fig. 4.4 Máquina tribológica manufacturada por Micro Photonics.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
107
.
Fig. 4.5 Máquina tribológica perteneciente a la Universidad de Cambrige.
4.3 METODOLOGÍA DEL DISEÑO PARA EL DESARROLLO DE LA MÁQUINA
TRIBOLÓGICA ESFERA SOBRE DISCO
Diseñar es un conjunto de actividades basadas en conocimientos técnicos e ingenieriles,
experiencia, así como el ingenio y el intelecto para resolver necesidades de la humanidad.
El diseño es considerado creativo cuando busca la representación anticipada de algo que no
existe todavía y es reiterativo cuando repite o modifica para adecuar lo ya existente.
El diseño mecánico se distingue de otros tipos de diseño por los conocimientos que se
requiere aportar para su realización, se le clasifica junto con el diseño eléctrico, electrónico,
civil, químico, etc., como un diseño de ingeniería.
Para llevar a cabo esta actividad es necesario contar con una metodología, a fin de hacer
con orden una cosa o proceso. El método, plantea una serie de actividades a realizar para
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
108
lograr un propósito. Actualmente, el proceso de diseño de un producto, requiere la
aplicación de varios métodos en sus diferentes etapas, de allí que sea común referirse a la
metodología del diseño como al conjunto de dichos métodos. La metodología en el diseño
mecánico debe plantear los pasos a seguir para que junto, con la aplicación de los
conocimientos provenientes de diferentes fuentes, entre ellas la ingeniería mecánica , se
puede llevar a cabo el desarrollo de productos , desde su etapa de comprensión del
problema, hasta la generación de toda la información necesaria y minuciosamente detallada
que haga factible su fabricación, uso, conservación y retiros [24].
Por todo lo anteriormente mencionado el proceso de la metodología del diseño se puede
estructurar como se observa en la figura 4.6.
3ª etapa Diseño de detalle
2ª etapa Diseño conceptual
1ª etapa Comprensión del problema
Fig. 4.6 Diagrama de las etapas de la metodología del diseño.
Para la etapa de comprensión del problema se aplica la metodología del despliegue de
funciones de calidad, por sus siglas en ingles se le conoce como Quality Function
Deployment (QFD). Esto es una metodología que tiene como objetivo integrar los
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
109
requerimientos y expectativas de los clientes al proceso de diseño; trascendiendo a todas
las etapas del desarrollo del producto; diseño, producción, control [24].
Para la primer etapa, el QFD se aplica en los siguientes seis pasos.
1. Identificación del cliente (s)
2. Determinación de los requerimientos y expectativas de los clientes
3. Determinar la importancia relativa de los requerimientos y expectativas de los
clientes.
4. Efectuar el estudio comparativo con productos de la competencia.
5. Traducir los requerimientos y expectativas en términos mensurables de ingeniería.
6. Establecer metas de diseño.
A continuación se desarrollan los pasos mencionados para el prototipo tribológico
propuesto.
4.3.1 IDENTIFICACIÓN DEL CLIENTE
Dentro del programa de Tribología de la Sección de Estudios de Posgrado e
Investigación de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, del Instituto
Politécnico Nacional es necesario estudiar y evaluar los fenómenos concernientes a la
fricción, desgaste deslizado y lubricación que ocurre entre pares de materiales para
obtener los conceptos previamente adquiridos y poder interpretar la naturaleza de
dichos fenómenos. Dado que no se cuenta con una máquina de configuración perno
sobre disco, es necesario diseñar un equipo tribológico capaz de simular el fenómeno de
desgaste adhesivo en condiciones secas y lubricadas, ya que se le considera a este
fenómeno como el segundo en importancia solo después del abrasivo.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
110
Los institutos de investigación dedicados al desarrollo de equipo tribológico,
constantemente evolucionan en este tipo de productos, aunque el consumo vaya dirigido
a un grupo selecto de personas, pero es claro que cada vez es más importante el estudio
del desgaste, aún más en los países como México donde el consumo en lubricantes es
similar al de Alemania y equivalente a una sexta parte del de Estados Unidos; es 20
veces menor en tamaño industrial. En consecuencia, es necesario desarrollar un equipo
tribológico con un diseño propio e insumos nacionales a fin de abaratar su enorme
precio con que los ofertan las casas comerciales internacionales, y que oscila entre
40,000 y 50, 000 USD.
4.3.2 DETERMINACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS Y EXPECTATIVAS DEL
CLIENTE
Una de las principales necesidades que tiene el programa de tribología, es adquirir la
máquina esfera sobre disco, con lo cuales ampliaría el campo de estudio de la tribología
dentro de la SEPI-ESIME.
Los requerimientos y expectativas del cliente, que demanda el grupo de tribología para
ésta, se basan en la norma internacional ASTM G-99, son que:
A) Que el diseño cumpla con la norma ASTM-G99.
B) Que tenga un contenedor para realizar las pruebas con aceites lubricante.
C) Que contenga sujetadores, tanto para el perno como para el disco.
D) Que los sujetadores puedan admitir pernos y discos de mayor tamaño para facilitar la
colocación de los mismos.
E) Que la carga se aplique en el punto de contacto del perno y el disco.
F) Que la prueba pueda realizarse para tres diferentes cargas en el punto de interacción
entre el disco y el perno (9.81 N, 49 N y 98 N).
G) Que el brazo de palanca genere un diámetro de huella no mayor de 100 mm.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
111
Los requerimientos deseables son:
a) Que sea fácil su operación.
b) Que cada uno de sus componentes puedan fabricarse con la mejor calidad.
c) Que se puedan incluir piezas estandarizadas en el prototipo.
d)Que no se diseñen formas complejas.
e) Que sea compacta.
f) Que sea estética.
g) Que se de garantía por su vida útil.
4.3.3 DETERMINACIÓN DE LA IMPORTANCIA DE LOS REQUERIMIENTOS
Y EXPECTATIVAS DEL CLIENTE
Para determinar la importancia de los requerimientos es necesario establecer que; aquellos
que sean obligatorios deben cumplirse en su totalidad; sin ellos el producto o diseño en este
caso no podría considerarse satisfactorio en ningún grado. Por otra parte, los
requerimientos deseables son los que admiten cierta flexibilidad, de manera que su
cumplimiento pueda ser parcial. En caso de que no se cumpla totalmente, el producto
puede considerarse todavía insatisfactorio.
La ponderación de los requerimientos, se hace comparando cada uno de los que demande
contra todos los demás [24], como puede observarse en la tabla 4.1.
La importancia relativa es calculada por la siguiente expresión con:
Ir=(Σ/Σtotal)x100 (4.1)
Ir = Porcentaje en importancia.
Σ= Sumatoria de la importancia.
Obteniéndose la siguiente tabla.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
112
Tabla 4.1 Determinación de la importancia de los requerimientos.
a B c D e f G Σ(+) Ir(%)
A 0 + + - - - - 2 10
B + 0 + + + + + 6 30
C + - 0 - + + + 4 20
D - - + 0 + - - 2 10
E - - - - 0 + - 1 5
F - - - - - 0 - 0 0
G + + + + + - 0 5 25
Σ=20 100
De los resultados obtenidos, es posible ordenar los requerimientos de acuerdo a su grado de
importancia, como se muestra a continuación:
1. b) Que cada uno de sus componentes puedan fabricarse con la mejor calidad.
30 %
2. g) Que se de garantía por su vida útil.
25%
3. c) Que se puedan incluir piezas estandarizadas en el prototipo.
20%
4 a) Que sea fácil su operación.
10%
5 d) Que no se diseñen formas complejas.
10%
6 e) Que sea compacta.
5%
7 f) Que sea estética.
0.0%
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
113
En los datos presentados, se observa que dos requerimientos obtuvieron el mismo
grado de importancia, por lo tanto es recomendable no anteponer ni uno ni otro,
solamente, son considerados con la misma importancia para el diseño de la máquina.
4.3.4 ESTUDIO COMPARATIVO A PRODUCTOS DE LA COMPETENCIA
(BENCHAMARKING)
Este punto consiste en estudiar las máquinas que se disponen en el mercado para determinar
en que grado éstos cumplan con los requerimientos y expectativas del cliente. El grado de
satisfacción que cubre el producto, es evaluado por el siguiente sistema de calificación.
1= el diseño no cumple en absoluto con el requerimiento.
2= el diseño cumple ligeramente con el requerimiento.
3= el diseño cumple medianamente con el requerimiento.
4= el diseño cumple casi en su totalidad con el requerimiento.
5= el diseño cumple totalmente con el requerimiento.
La evaluación proporcionará una adecuada referencia de cómo el cliente percibe la calidad
de los productos de la competencia [24].
La tabla 4.2, muestra el estudio comparativo de la principales características funcionales de
la máquina perno sobre disco diseñada por Teer Coatings Limited y Falex Laboratory
Corporation y las que debe poseer la máquina propuesta.
Tabla 4.2. Listado de requerimientos del cliente obligatorios y deseables.
PRODUCTOS DE
REFERENCIA
NUMERO DE
REQUERIMIENTOS
REQUERIMIENTOS IR(%)
I II III
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
114
1 A 5 5 5
2 B 5 3 1
3 C 5 3 5
4 D 5 5 5
5 E 5 5 5
6 F 5 3 4
7 G 5 5 5
8 A 10 4 4 4
9 B 30 4 4 5
10 C 20 4 3 3
11 D 10 4 5 4
12 E 5 4 5 5
13 F 0 5 3 3
14 G 25 4 5 5
4.3.5 TRADUCIR LOS REQUERIMIENTOS Y EXPECTATIVAS EN TÉRMINOS
MENSURABLES DE INGENIERÍA.
La metodología busca integrar los requerimientos del cliente con el proceso de diseño,
convirtiendo en un lenguaje que en un gran porcentaje es subjetivo, en otro que sea
concreto y pueda medirse. En consecuencia esta metodología, traduce los términos
subjetivos a objetivos y ésto a su vez a términos que en ingeniería se les llama
“especificaciones de diseño”, como se puede observar en la tabla 4.3.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
115
Tabla 4.3 Traducción de los requerimientos, en términos mensurables.
REQUERIMIENTOS DEL
CLIENTE
TERMINOS MENSURABLES UNIDAD DE MEDICIÓN
Apriete y afloje rápido de los
elementos
Newtons
Mínimo esfuerzo físico mental
Equipo de control de la máquina
a) Que sea fácil su operación.
Componentes ligeros Kg
Taller mecánico (máquinas y
herramientas)
Materiales nacionales
Técnicos capacitados
Especificaciones claras de las piezas a
maquinar
normas ISO
Acabados superficiales µm
Tolerancias no cerradas IT
Proveedores nacionales
b) Que cada uno de sus componentes
puedan fabricarse con la mejor
calidad.
Productos de importación adquiridos
en el mercado nacional.
Considerar los productos existentes
Catálogos
Manuales
c) Que se puedan incluir piezas
estandarizadas en el prototipo.
Diseñar de acuerdo a las posibilidades
de maquinado
Forma de cada pieza
Dimensiones
d) Que no se diseñen formas
complejas.
Forma estructural
Peso Kg
Volumen m3
Ergonómico
Atractivo a la vista
e)Que sea compacta
Capacidad del porta perno mm
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
116
Capacidad del porta disco mm
Herramientas y equipo auxiliar
Tiempo seg.
Movimientos corporales
f) Que sea estética.
Planos de la máquina normas ISO
Mantenimiento
Calibración
g) Que se de garantía por su vida útil.
Vida útil Tiempo
4.3.6 ESTABLECIMIENTO DE METAS DE DISEÑO
Esto consiste en establecer las metas de diseño. Cada una de ellas, debe expresar una
característica mesurable que debe tener el producto.
El establecimiento de las metas de diseño se debe hacer tomando en cuenta :
• Los requerimientos del cliente
• Las características de los productos de la competencia
• El valor que se desea imprimir al nuevo producto
A) Que el diseño cumpla con la norma ASTM-G99.
B) Que tenga un contenedor para realizar las pruebas con aceite lubricante.
C) Que contenga sujetadores, tanto para el perno como para el disco.
D) Que los sujetadores puedan admitir pernos y discos de mayor tamaño para facilitar la
colocación de los mismos.
E) Que la carga se aplique en el punto de contacto del perno y el disco.
F) Que la prueba pueda realizarse para tres diferentes cargas en el punto de interacción
entre el disco y el perno (9.81 N, 49 N y 98 N).
G) Que el brazo de palanca genere un diámetro de huella no mayor de 100 mm.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
117
Los requerimientos deseables:
a) Que sea fácil su operación.
b) Que cada uno de sus componentes puedan fabricarse con la mejor calidad.
c) Que se puedan incluir piezas estandarizadas en el prototipo.
d) Que no se diseñen formas complejas.
e) Que sea compacta.
f) Que sea estética.
g) Que se de garantía por su vida útil.
La información generada en el punto 4.3.5 del QFD, se debe integrar al gráfico de
funciones de calidad, mismo que se observa en la figura 4.7. Esta información, corresponde
a la parte técnica del mismo, se ubica en la parte central y se despliegan en dirección
descendente. En la parte superior, se registran los términos mesurables en que fueron
traducidos los requerimientos del cliente. Mientras que en la parte inferior se anotan las
metas de diseño, expresadas mediante los valores y unidades de medición de cada una de
las características técnicas que se pretenden obtener. En esta zona del gráfico, se puede
registrar, a manera de referencia, los valores obtenidos del estudio comparativo a productos
de la competencia. En la zona central del gráfico se anota la relación que existe entre los
requerimientos del cliente y los términos mesurables. En caso de no haber relación, el
espacio se deja en blanco. También, puede existir una fuerte ó poca relación. Normalmente,
se utiliza un número o un símbolo para expresar el grado de relación entre los
requerimientos [24].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
118
FALEX CORPORATION.
MICRO PHOTONICS.
Tienen el mismo valor los dos productos anteriores.
Relación "fuerte" entre requerimientos.
Relación "media" entre requerimientos
Relación "débil" entre requerimientos
29171
129
204
162
7818298Peso específico
Valores a alcanzar
Unidades
Escala
4
5m
inhrmm
0 25
5
rpm
215
1
3
2
d 7
c 8
b 6
a 9
G 9
F 8
E 9
D 9
C 9B 7
A 9
Kgf
$MN
4000
0
Seg
Kgf
0
3m
0 120
3
mhrs.
15
Esc
.0
1.5
- 2
Requerimientos del Cliente Impo
rtan
cia
Ref
eren
cia
104
Año
s.
21 3 4 5
16K
g
29 125
Pre
pa
hr hrmµ
5
Dim
ensi
ones
segú
n no
rma
AST
M G
99.
Tie
mpo
de
llena
do, d
rena
do y
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a.
Vel
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el d
isco
215
RPM
.
Atr
activ
o a
la v
ista
.
Fuer
za a
plic
ada
1, 5
y 1
0 K
g.
Peso
.
Prec
io d
e la
máq
uina
.
Equ
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s.
Cap
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mie
nto.
Cap
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ad d
el p
orta
dis
co.
Esc
olar
idad
del
usu
ario
.
Man
teni
mie
nto
Dim
ensi
ones
.
Tol
eran
cia.
Plan
os d
e la
máq
uina
.
Aca
bado
s sup
erfic
iale
s.
Prod
ucto
s nor
mal
izad
os.
Vid
a út
il.
Correlación
PositivaNegativa
Dirección de la mejora.
Que cumpla con la norma ASTM-G99.
Que tenga un contenedor para pruebas con lubricante.
Que contenga sujetadores, perno-disco.
Que se admitan pernos y discos de mayor tamaño.
Que la carga se aplique en el punto de contacto.
Que la prueba pueda realizarse para 9.81N, 49N y 98 N.
Que el brazo de palanca genere un diámetro de huella.
Que sea fácil su operación.
Que sus componentes puedan fabricarse con calidad.
Que se puedan incluir piezas estandarizadas en el prototipo.
Que no se diseñen formas complejas.
Que sea compacta.
Que sea estética.
Que se de garantía por su vida útil.
e 8
f 8g 3
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
119
Fig. 4.7 Despliegue de funciones de calidad.
4.4 DISEÑO CONCEPTUAL
En esta etapa se trata de aprovechar la comprensión del despliegue de funciones de calidad
de productos que cumplan con los requerimientos de calidad, que se identificaron mediante
el QFD. En él, se plantea el desarrollo de ideas fundamentales del producto.
Un concepto es una idea que puede representarse mediante un esquema, croquis, diagrama,
bosquejo, o un modelo tridimensional aproximado. En otras palabras, es una abstracción,
que se puede representar a diferentes niveles, de algo que podría convertirse en el futuro en
un producto. Algunos conceptos se van generando en forma natural, a medida que se
desarrolla la metodología del QFD.
Es importante generar no solo una idea ya que es muy probable que se llegue a la
equivocación, que si se generan 20 ó mas ideas, disminuyendo el riesgo de error. Esta es
una de las etapas donde se requieren de mayor creatividad en el proceso de diseño. El
producto puede adquirir una originalidad dependiendo de las decisiones seleccionadas,
además, estas determinan en mucho el costo de un producto.
Para llevar a cabo el diseño conceptual es necesario apoyarse en la metodología, que es
basada en una estrategia muy simple: “la estructura o la forma siguen en función”. Esto,
quiere decir que antes de comenzar con la definición de las formas, es necesario tener
identificadas todas las funciones que debe realizar el producto, para que responda a las
expectativas del cliente [24]. De esta manera la metodología de la fase conceptual se
representa de manera esquemática en la figura 4.8.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
120
Evaluación de conceptos
Generación de conceptos
Definición del modelo funcional
Clarificación de los requerimientos del cliente
Concepto del diseño
Fig. 4.8 Metodología de la fase conceptual.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
121
4.4.1 CLARIFICACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE.
El desarrollo del primer punto de la metodología del diseño conceptual, busca la
clarificación de los requerimientos del cliente, y tiene como objetivo establecer el enlace
entre la primera etapa del proceso de diseño (aplicación del QFD) y la etapa conceptual.
Ésto, implica la revisión de los resultados de la aplicación del despliegue de funciones de
calidad, y la comprensión completa de las metas de diseño establecidas en el gráfico de
despliegue de funciones de calidad.
Así mismo, describe el objetivo del proyecto de manera que se incluya la función global del
servicio del producto e identificar los límites del sistema [24].
La función global es diseñar una máquina tribológica de configuración perno sobre disco,
que realice un movimiento circular, con el fin de que el disco gire, mientras que el perno
permanece estacionario haciendo contacto con el mismo, a través de la aplicación de una
carga normal, lo anterior es ilustrado en la figura 4.9.
Fig. 4.9 Funciones globales.
Máquina perno sobre
disco
Movimiento circular Cargas
Usuario Especímenes
Movimiento vertical
Aceite Lubricante
Las funciones de servicio para la máquina tribológica son listadas a continuación, sin que
su orden cronológico las altere:
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
122
A1: Sujetar los especímenes (disco-perno)
A2: Aplicar carga en la zona de contacto entre el disco y el perno.
A3: Generar movimiento circular del disco.
A4: Aplicar aceite lubricante.
A5: Levantar y bajar el brazo de palanca con el perno
A6: Realizar pruebas
De las funciones de servicio antes listadas, la A6, denominada “realizar pruebas”, es la que
da sentido a la existencia del producto llamado máquina tribológica. Ninguna de las
restantes funciones expresan por si mismas la justificación para emprender el trabajo de
diseño.
4.4.2 DEFINICIÓN DEL MODELO FUNCIONAL
Este paso consiste en definir el modelo funcional del producto, esto determina las funciones
necesarias para satisfacer la necesidad del cliente, jerarquizar las diferentes funciones,
determinar la relación que debe haber entre ellas, y describirlo gráficamente. Para construir
el modelo funcional, se puede proceder de manera intuitiva o de manera sistemática. En
ambos casos, es aconsejable que se desarrolle el equipo, como en el resto de actividades del
proceso de diseño. Para proceder de manera sistemática se puede aplicar el método
conocido como “Análisis funcional descendente”. El cual se basa, en una sucesión
coherente de diagramas, procediendo desde lo más general hasta lo más particular [24].
En la figura 4.9 se presenta el diagrama que describe las funciones de la máquina esfera
sobre disco.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
123
Encender
Sujetar disco espécimen
Sujetar perno espécimen
Aplicar carga
Movimiento circular
Coeficientes de fricción
Caracterización de la huella de desgaste
Desmontar Probetas
Probetas desgastadas
Parámetros de prueba “Llevar acabo pruebas tribológicas”
Probetas
Peso de las probetas
Máquina tribológica “esfera sobre disco”
Fig. 4.10 Funciones de la máquina perno sobre disco.
4.4.3 GENERACIÓN DE CONCEPTOS
La destreza a seguir en este punto consiste en generar la mayor cantidad posible de
conceptos. Existen diferentes maneras de abordarlo. Se puede comenzar en forma intuitiva,
bosquejando algunas soluciones y organizándolas para evaluarlas posteriormente.
La técnica en la que se apoya este trabajo es la de “tormenta de ideas (Brainstorming), en la
cual, se generan varias de ellas, con el único objetivo de obtener una serie de éstas mejor
encaminadas. Por ello, se hizo uso de las matrices morfológicas .
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
124
Es un hecho que la mayoría de los diseños de nueva creación se constituyen a partir de una
variación o modificación de productos o máquinas ya existentes. Por otra parte, también es
frecuente que los consumidores prefieran productos mejorados en lugar de novedosos.
La variación de conceptos ya establecidos, es una actividad común en el proceso de diseño,
y es una forma de activar el pensamiento creativo, para ayuda de la generación de
conceptos es posible utilizar combinaciones de estos mismos. Esto es empleado por el
método de matrices morfológicas. La morfología es el estudio de la forma y de sus
transformaciones. De manera que dichas matrices permiten la búsqueda de nuevas formas
de conceptos de diseño. Esta, se construye a partir de dos columnas, en la del lado
izquierdo, se anotan las funciones que requiere realizar el producto; sobre las diferentes
filas se registran las propuestas de solución [24].
En la tabla 4.4, se observan las diferentes funciones que debe efectuar el prototipo.
Tabla 4.4 Funciones globales.
FUNCIÓN A B C D E
Movimiento
lineal del brazo Deslizamiento Cremallera
Tornillo y
postes guía Rodamientos
Ruedas
giratorias
Pivoteo del brazo Eje giratorio Rodamientos con
eje
Eje
estacionario
Sujeción del
porta perno
Sistema tuerca
tornillo
Elemento
colocado a
presión
Tornillo
prisionero
Punto muerto Contrapesos Cilíndro
neumático
Nivelación Tuerca tornillo Guías con apriete
por prisionero
Levantar y bajar
el perno
Movimiento
vertical del porta
perno
Rodamiento
Movimiento Deslizamiento del Casquillo de
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
125
transversal del
brazo.
eje bolas
Sujetar perno Tornillo prisionero Abrazaderas Mandril con
cuerda
Boquilla
redonda Cono Morse
Sujetar disco Bridas de sujeción Prensa Sujetadores
articulados Mandril
Sujeción
magnética
Transmisión de
potencia Engranes Bandas Cadenas Flecha
Elemento
contenedor de
líquidos
Recipiente cerrado Tina
Base para la
máquina Mesa estacionaria Cajón
Soporte de la
máquina Ruedas Patas articuladas Patas fijas
Guía
corredera Deslizamiento
Carga Colgando extremo Poste para pesas Cilíndro
neumático
Colgando en
poste
A continuación se presentan las matrices morfológicas ó tablas 4.5, 4.6 , 4.7, 4.8, 4.9, 410,
4.11, 4.12, 4.13 y 4.14, con el fin de dar una adecuada solución a cada uno de los conceptos
antes mencionados
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
126
Tabla 4.5 Soluciones propuestas para mover el brazo de palanca.
DESLIZAMIENTO
GUÍAS
RUEDAS GIRATORIAS
Tabla 4.6 Propuestas para el pivoteo del brazo de palanca.
EJE GIRATORIO
RODAMIENTO CON EJE
EJE ESTACIONARIO
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
127
Tabla 4.7 Alternativas para la sujeción del perno.
TORNILLO PRISIONERO
SUJECIÓN A PRESIÓN
TUERCA TORNILLO
POR MANDRIL
Tabla 4.8 Opciones a considerar para equilibrar el sistema.
CONTRAPESO
CILÍNDRO NEUMÁTICO
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
128
Tabla 4.9 Posibles soluciones para la sujeción del disco.
BRIDAS DE SUJECIÓN
PRENSA
MESA IMANTADA
MANDRIL
SUJETADOR ARTICULADO
Tabla 4.10 Dos propuestas para efectuar pruebas con lubricante.
TINA CERRADA
TINA ABIERTA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
129
Tabla 4.11 Opciones para colocar las partes críticas de la máquina.
MESA
CAJÓN
Tabla 4.12 Sugerencias para el desplazamiento del prototipo tribológico.
RUEDAS
PATAS FIJAS
PATAS ARTICULADAS
GUÍA CORREDERA
DESLIZAMIENTO
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
130
Tabla 4.13 Opciones de cómo aplicar la carga normal.
PESA COLGANDO EN UN EXTREMO
PESA COLGANDO EN UN PERNO
CILÍNDRO NEUMÁTICO
POSTE GUÍA PARA PESAS
Tabla 4.14 Alternativas para la transmisión de potencia.
ENGRANES
CADENAS
POLEAS Y BANDAS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
131
FLECHA TRANSMISORA
4.5 EVALUACIÓN DE CONCEPTOS
La evaluación de conceptos es la parte final de la fase de diseño conceptual. Su objetivo,
consiste en seleccionar el mejor concepto de diseño de entre los que se generaron
previamente. Además, se requiere utilizar la menor cantidad de recursos para decidir cual
es el concepto idóneo que en la etapa de diseño de detalle, que se desarrolla por completo
hasta convertirlo en un producto definido. El mayor problema de la evaluación de
conceptos se debe al escaso grado de definición de los mismos; ya que en este nivel se
encuentran expresados en forma poco detallada. Existen algunas maneras de evaluación,
tales como:
-Evaluación basada en la factibilidad del concepto.
-Evaluación basada en la disponibilidad de tecnología.
-Evaluación basada en los requerimientos del cliente: filtro pasa / no pasa.
-Evaluación basada en matrices de decisión.
En este trabajo, se utiliza la evaluación basada en matrices de decisión. Esta técnica, es
conocida como método Pugh. El principio es muy simple y ha demostrado su efectividad al
comparar conceptos que no están suficientemente refinados [13]. En las siguientes tablas se
muestra el resultado de la evaluación de los conceptos generados. Esta, se hace en una
escala de 2, 4, 6, y 8. En las tablas 4.15, 4.16, 4.17, 4.18, 4.19, 4.20, 4.21 4. se observa
dicha evaluación.
Tabla 4.15 Evaluación movimiento lineal.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
132
REQUERIMIENTOS
A B C D E F G a b c d e f g Σ
Deslizamiento 8 2 4 4 8 4 8 8 8 8 6 6 6 6 86
Cremallera 8 2 6 6 4 8 2 4 6 6 6 6 8 6 94
Tornillo y
postes guía
8 2 8 8 6 8 8 6 8 8 8 6 8 8 108
Rodamientos 6 4 4 6 6 8 6 2 4 6 4 6 6 4 72
Ruedas
giratorias
6 4 4 2 4 4 6 6 8 4 6 8 6 8 76
Tabla 4.16 Pivoteo del brazo. REQUERIMIENTOS
A B C D E F G a b c d e f g Σ Eje giratorio 6 4 2 2 2 2 2 2 2 4 2 4 4 4 42
Rodamientos
con eje 6 6 6 8 8 8 6 8 6 6 6 4 6 4 88
Eje
estacionario 2 4 4 4 2 2 2 2 2 2 2 4 4 4 40
Tabla 4.17 Sujeción del porta perno. REQUERIMIENTO
A B C D E F G a b c d e f g Σ
Sistema
tuerca
tornillo 8 8 8 8 6 6 6 6 8 6 6 8 6 6
96
Elemento
colocado
a presión 4 4 6 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 6
40
Tornillo
prisionero 6 6 4 2 4 2 4 2 4 2 2 2 4 4 48
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
133
Tabla 4.18 Punto muerto. REQUERIMIENTO
A B C D E F G a b c d e f g Σ
Contrapesos 8 8 8 8 6 6 6 6 4 4 4 4 4 4 80
Cilíndro
neumático
8 8 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 64
Tabla 4.19 Nivelación. REQUERIMIENTO
A B C D E F G a b c d e f g Σ Tuerca
tornillo
8 8 8 6 6 8 8 6 8 8 8 6 8 8 114
Tuerca
tornillo
4 4 6 4 4 6 4 2 2 2 6 2 2 2 50
Tabla 4.20 Levantar y bajar el perno. REQUERIMIENTO
A B C D E F G a b c d e f g Σ
Movimiento
vertical del
porta perno
6
8 6 6
6 8 8 8 8 8 8 8 8 8 104
Rodamiento 6 2 2 6 8 6 6 2 8 6 8 8 8 2 78
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
134
Tabla 4.21 Movimiento transversal del brazo. REQUERIMIENTO
A B C D E F G a b c d e f g Σ
Deslizamiento
del brazo
6
4
2
4
4 2 6 6 8 6 6 4 2 2 62
Casquillo de
agujas
8 8 6 8 6 8 4 8 6 6 6 8 4 4 90
Tabla 4.22 Sujeción del perno. REQUERIMIENTO
A B C D E F G a b c d e f g Σ
Tornillo
prisionero
6
6
4
6
4
6
4 2 2 2 4 4 2 2 54
Tornillo
prisionero
8 2 2 6 6 4 4 2 4 2 4 6 8 8 66
Abrazaderas 4 4 2 2 2 2 2 2 2 8 6 6 6 6 54
Mandril
con cuerda
8 6 6 8 8 8 8 4 8 8 8 6 6 8 100
Boquilla
redonda
8 6 6 6 6 4 8 4 8 8 8 4 8 6 90
Cono Morse 8 6 6 4 4 8 8 6 6 6 8 8 8 4 90
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
135
Tabla 4.23 Fijación del disco. REQUERIMIENTO
A B C D E F G a b c d e f g Σ
Bridas de
sujeción
2
4
6
6
6
6
8 8 8 8 8 8 8 8 70
Prensa 4 2 6 6 6 6 6 6 4 4 4 4 4 4 66
Sujetadores
articulados
6 6 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 60
Mandril 6 8 8 8 8 6 6 8 8 8 8 8 8 8 106
Sujeción
magnética
6 6 6 8 6 4 6 6 6 6 8 8 8 8 92
Tabla 4.24 Transmisión de potencia. REQUERIMIENTO
A B C D E F G a b c d e f g Σ
Engranes 6 2 2 2 2 2 2 6 6 8 4 6 2 8 60
Bandas 4 2 2 2 2 2 2 6 4 6 4 6 2 6 52
Cadenas 4 2 2 2 2 2 2 6 2 4 6 4 2 4 46
Flecha 6 2 2 2 2 2 2 8 8 8 8 6 2 6 64
Tabla 4.25 Dispositivo contenedor de líquidos. REQUERIMIENTO
A B C D E F G a b c d e f g Σ
Recipiente
cerrado
6 8 2 2 2 6 4 2 6 6 4 6 2 6 62
Tina 8 6 2 2 2 8 4 2 8 8 6 6 2 8 72
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
136
Tabla 4.26 Base para la máquina. REQUERIMIENTO
A B C D E F G a b c d e f g Σ
Cajón 4 4 4 2 2 2 6 4 6 6 8 6 8 2 66
Mesa
estacionaria
4 4 6 2 2 2 8 2 8 8 8 8 6 2 70
Tabla 4.27 Soporte de la máquina. REQUERIMIENTO
A B C D E F G a b c d e f g Σ
Ruedas 8 2 2 2 2 2 2 8 8 8 8 8 2 8 70
Patas
articuladas
6 2 2 2 2 2 2 6 8 6 4 6 2 6 56
Patas fijas 6 2 2 2 2 2 2 6 8 6 2 6 2 6 54
Guía
corredera
6 2 2 2 2 2 2 6 8 6 4 6 2 6 56
Deslizamiento 6 2 2 2 2 2 2 6 8 6 4 6 2 6 56
Tabla 4.28 Aplicación de la carga normal. REQUERIMIENTO
A B C D E F G a b c d e f g Σ
Colgando
extremo
6 2 2 2 6 8 2 6 8 2 6 6 2 8 74
Poste
para
pesas
8 2 2 2 8 8 2 8 8 2 8 8 2 8 76
Cilindro
neumático
6 2 2 2 6 8 2 6 8 8 2 6 2 8 68
Colgando
en poste
6 2 2 2 6 8 2 6 8 2 6 6 2 8 66
Por lo tanto, se hace la sumatoria de cada una de las alternativas y la que obtenga un mayor
valor es la que se utiliza para diseñar el prototipo tribológico.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
137
4.6 DIBUJOS DE DETALLE DE CADA UNO DE LOS ELEMENTOS DISEÑADOS
PARA LA MÁQUINA TRIBOLÓGICA DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE
DISCO
4.6.1 PLATO BASE
El plato, es un elemento muy importante en la máquina perno sobre disco. Éste, soporta el
mandril porta disco, acoplados por agujeros con rosca para poder atornillar a ambos, estos
elementos, giran junto con el disco. El plato base, es de acero inoxidable AISI 304, debido
a que se encuentra en contacto con aceites lubricantes que pueden corroerlo. El dibujo de
detalle se localiza en el anexo de este trabajo.
4.6.2 FLECHA TRANSMISORA
La flecha es un elemento transmisor de movimiento. Ésta, cuenta en sus dos extremos con
dos cuñeros [25]. Uno de ellos, va acoplado con el plato base. En tanto que el otro, va unido
a través de un cople con el motor, para transmitir el movimiento circular. El material
elegido para la flecha es acero AISI 1018.
4.6.3 TINA
Para depositar el aceite lubricante, es necesario contar con un dispositivo receptor. Para ello
se diseñó una tina de acero inoxidable AISI 304. Este elemento, es circular con un barreno
de 220 mm de diámetro y una altura de 60 mm, en su parte inferior cuenta con una sección
circular con el fin de introducir la flecha transmisora que será sostenida por un par de
rodamientos esféricos y retenes a fin de evitar el paso de lubricante.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
138
4.6.4 POSTES
Estos, son tres elementos que están colocados a 120° de separación, en la parte inferior
externa de la tina; su función es soportarla con sus elementos internos. Los postes, son
situados sobre la mesa, además son fabricados de acero inoxidable AISI 304.
4.6.5 BASE DEL BRAZO
La base del brazo, es un elemento que sirve para colocar el conjunto bastidor-brazo de
palanca, junto con los bloques, el tornillo y los postes guías.
4.6.6 BLOQUE PARA GUÍA
Se diseñaron dos elementos de este tipo, su finalidad es para colocar los postes guía y el
tonillo posicionador en los bloques. Sirven para sostener al bastidor junto con los postes y
el tornillo. El material que se eligió para ellos es de acero AISI 1018.
4.6.7 GUÍA
Los postes son colocados en los agujeros del bastidor de los bloques, con el fin de que este
se deslice por ellos. El es empleado es acero AISI 1018.
4.6.8 TORNILLO
Este tornillo es manipulado por el operador para colocar en la posición deseada al bastidor,
con la finalidad de obtener el tamaño seleccionado de la huella de desgaste, el material
seleccionado es acero AISI 1018.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
139
4.6.9 BASTIDOR
Es el elemento en el cual están montados los ejes, los postes y tornillo posicionador [26]. El
bastidor es de material de acero AISI 1018 cubierto con esmalte anticorrosivo.
4.6.10 EJE DEL BRAZO
Este, posibilita el deslizamiento del brazo de palanca con ayuda de un par de casquillos de
agujas a fin de poder registrar la fuerza de fricción en la zona de contacto por medio de una
celda de carga. El material utilizado es acero AISI 1018.
4.6.11 BRAZO
El brazo es una de las partes mas importantes en el diseño de la máquina tribológica. Su
diseño se realiza conforme a las especificaciones de la norma ASTM G99. Con él, se aplica
la carga norma en la zona de contacto entre el disco y el perno. El material para el brazo es
de acero AISI 1018 cubierto con esmalte anticorrosivo, empleado para altas cargas, en
cambio para pequeñas cargas se diseño otro brazo de aluminio.
4.6.12 TORNILLO POSICIONADOR
El tornillo posicionador, permite el desplazamiento del subconjunto bastidor-brazo de
palanca. El material empleado es acero inoxidable AISI 304.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
140
4.6.13 PESA
Dentro del diseño de este dispositivo tribológico. Las cargas que emplea este prototipo se
aplican por medio de pesas de 9.8, 49 y 98 N, manufacturadas con acero AISI 1018.
4.6.14 EJE DEL CONTRAPESO Y CONTRAPESOS
Estos, facilitan el equilibrio del sistema para poder obtener un punto muerto. El material
utilizado es acero AISI 1018.
4.6.15 MANDRIL
El mandril es un elemento sujeto al husillo de una máquina herramienta que sostiene la
broca ó una herramienta de corte, cuya abertura máxima es de 110 mm. Presenta una
sujeción por medio de mordazas concéntrica el posicionamiento radial y el mantenimiento
de las piezas en posición [27]. El mandril seleccionado es manufacturado por Pratt Burnerd
Corporation.
4.6.16 CASQUILLO DE BOLAS
Con la finalidad de poder pivotear el brazo de palanca, así como de poder registrar los
coeficientes de fricción se hace uso de los rodamientos de guías con balines, los cuales
soportan cargas radiales.
Éstos, contienen guías independientes que permiten el rodamiento de las esferas
internamente en ambos sentidos.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
141
Estos casquillos son aptos para cualquier longitud de recorrido. En cambio no admiten
movimiento de giro. Existen dos tipo, uno es el ajustable y el otro es el abierto [27].
4.6.17 BOMBA
Con el proposito de llevar acabo pruebas con algún tipo de lubricante, se habilitó en el
prototipo un dispositivo capaz de proporcionar un flujo constante de éste, en la zona de
contacto. Para ello, se colocó una bomba marca JAV para una altura de 1.5 m.
4.6.18 CONTENEDOR
A fin de contar con un elemento captador de lubricante se coloco un depósito de plástico
para que éste, alojara la bomba y el lubricante a utilizar en pruebas.
4.6.19 MANDRIL PORTA ESFERA
Éste dispositivo es utilizado para sujetar la esfera ó perno tiene una capacidad de
aproximadamente 13 mm y es de la marca Jacobs.
4.6.20 COSTOS DE LOS COMPONENTES
Para poder ensamblar la piezas manufacturadas, así como para realizar algunas
modificaciones. Primeramente se compro y aplicó la pintura, diversas herramientas para
ensamblar, tornilleria, sellos mecánicos, mismos que costaron aproximadamente, algunos
rodamientos, material para el sistema lubricado, componentes electrónicos y eléctricos,
refacciones y diversos componentes. En la tabla 4.29 se presentan los costos de los
elementos que conforman la máquina tribológica.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
142
Tabla 4.29 Costo de los componentes. NOMBRE COSTO
PLATO BASE $ 800
FLECHA TRANSMISORA $ 500
TINA $ 1700
POSTES $ 1000
BASE DEL BRAZO $ 1200
BLOQUE PARA GUÍA $ 1600
GUÍA $ 1200
TORNILLO $ 1300
BASTIDOR $ 2300
EJE DEL BRAZO $ 450
BRAZO $ 2500
TORNILLO POSICIONADOR $ 650
PESA $1000
EJE DEL CONTRAPESO Y CONTRAPESOS $ 1700
MANDRIL $ 7000
CASQUILLO DE BOLAS $ 650
BOMBA $ 650
CONTENEDOR $ 200
MANDRIL PORTA ESFERA $ 700
PINTURA $ 3100
HERRAMIENTAS Y TORNILLOS $ 1000
SELLOS MECÁNICOS, RODAMIENTOS $ 2000
MATERIAL PARA EL SISTEMA LUBRICADO $ 500
COMPONENTES ELECTRÓNICOS Y
ELÉCTRICOS
$ 1800
TRONILLERIA $ 700
REFACCIONES DIVERSOS COMPONENTES $ 2500
TOTAL $ 38, 700 M. N.
El costo del tribómetro fue de $ 38, 700 M. N., el cual resulta mucho más barato debido a
uno comercializado por una casa internacional, debido a que su precio es de alrededor de $
40, 000 USD.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
143
4.7 DIAGRAMA DE ENSAMBLE DE LOS COMPONENTES DEL PROTOTIPO
ESFERA SOBRE DISCO
El diagrama correspondiente a la secuencia de ensamble de las piezas fundamentales que
conforman el tribómetro se observa en la figura 4.11 [30].
BR
AZ
O
GU
IA
LL
AV
E
CA
SQ
UIL
LO
D
E
BO
LA
S
CO
PL
E
MO
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OR
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A
LL
AV
E
MA
ND
RIL
P
OR
TA
D
ISC
O
MA
ND
RIL
P
OR
TA
P
ER
NO
PROTOTIPO ENSAMBLADO
MOVIMIENTO
NOTA: MANUFACTURAR LOS COPONENTES CONFORME A LO ESPECIFICADO EN LOS DIBUJOS DE DEFINICION.
Fig. 4.11 Diagrama de secuencia de ensamble para el tribómetro.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
144
CAPÍTULO V
PROTOTIPO TRIBOLÓGICO
FUNCIONAL PARA PRUEBAS
DE DESGASTE POR
DESLIZAMIENTO
Se presenta el prototipo de esfera sobre disco construido, de acuerdo a la norma ASTM G-
99-95, para realizar pruebas de desgaste deslizado en condiciones secas y lubricadas, con
probetas de aluminio, latón y babbitt. Así como un diagrama de ensamble de las piezas
manufacturadas.
Asimismo se presenta un manual de operación para realizar pruebas preliminares y los
resultados obtenidos de éstas.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
145
5.1 PRESENTACIÓN DE LA MÁQUINA ESFERA SOBRE DISCO.
En la figura 5.1 se presentan los componentes más importantes del prototipo construido.
Mientras que en la figura 5.2, también muestra los componentes, vistos desde otra
perspectiva.
Fig. 5.1 Prototipo tribológico funcional de configuración esfera sobre disco,
desarrollado en la SEPI-ESIME, IPN (vista frontal).
1. Contrapeso.
2. Postes.
3. Llave.
4. Eje contrapeso.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
146
Fig. 5.2 Prototipo tribológico funcional de configuración
esfera sobre disco, desarrollado en la SEPI-ESIME,IPN (vista lateral).
5. Bastidor.
6. Brazo.
7. Carga.
8. Tina.
9. Mandril porta disco.
10. Mandril porta perno.
11. Guía posicionadora.
12. Mesa.
13. Tubería de lubricante.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
147
5.2 MANUAL DE OPERACIÓN
Los estudios a realizar en el prototipo tribológico de configuración esfera sobre disco son el
desgaste adhesivo, en condiciones secas y lubricadas, así como la determinación de los
coeficientes de fricción.
Las cargas que pueden usarse durante las pruebas, son de 9.81 N, 49 N y 98 N
respectivamente, se aplican de manera puntual en la zona de contacto esfera-disco. La
velocidad de rotación del disco debe estar en el rango de 60 a 600 r.p.m.
Para dar inicio a las pruebas, se debe asegurar que el brazo de palanca se deslice y no
rebasa los topes de plástico debido a que si ésto sucede podría dañarse el dispositivo se
sujeción de la esfera.
Antes de dar inicio la prueba y de pesar las probetas, éstas deben limpiarse y secarse
perfectamente con alcohol. Se debe tener cuidado al remover grasa y residuos presentes en
las superficies de las mismas. No se debe usar clorinatos, ni agentes limpiadores que
formen películas, ya sea en la esfera como en el disco.
Los especímenes de acero, presentan residuos magnéticos, éstos deben ser
desmagnetizados. Una vez llevado a cabo lo anterior se debe pesar las probetas en una
balanza analítica con una sensibilidad de 0.0001g, misma que se observa en la figura 5.3.
La rugosidad recomendada en las probetas es de 2.5 µm [11] [22].
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
148
Fig. 5.3 Balanza Analítica con sensibilidad de 0.0001 gr.
5.3 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
1. Limpiar perfectamente los discos y la esfera.
2. Pesar los discos empleando una balanza analítica.
3. Limpiar perfectamente la tina y los dispositivos de sujeción.
4. Seleccionar la velocidad deseada.
5. Insertar el disco asegurándolo en el dispositivo de sujeción del prototipo, mismo que
debe permanecer ±1° respecto al eje de referencia.
6. Colocar la esfera, asegurando su perfecta sujeción y su perpendicularidad respecto al
disco, el cual admite una tolerancia de ±1°.
7. Encontrar el punto de equilibrio del brazo, con la ayuda del contrapeso sin la carga.
8. Colocar la carga ya sea de 9.81 N, 49 N ó 98 N.
9. Accionar el motor, simultáneamente con un cronómetro, debe detenerse cuando se han
cumplido el número de vueltas previamente seleccionadas y/o el tiempo previamente
establecido.
10.Con ayuda de un dinamómetro se registra la fuerza de fricción en el punto de contacto.
11. Terminada la prueba, el disco debe limpiarse y pesarse nuevamente.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
149
12. Si la prueba es hecha en condiciones lubricadas se recomienda accionar la bomba
después de lo establecido en el punto numero seis para que fluya el aceite, asegurándose
que sea constante en la zona de contacto .
5.4 PRUEBAS PRELIMINARES
5.4.1 PRUEBAS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN SECO
En esta parte se presentan los resultados obtenidos del desgaste por deslizamiento en
probetas de Aluminio, Latón y Babbitt, las cuales tienen un diámetro de 40 mm y de 5 mm
de espesor, en la figura 5.4. Sin embargo, las huellas de desgaste para todos los
especímenes, son hechas a un diámetro de 20 mm. En total son seis probetas para realizar la
prueba en condiciones secas, tres con esferas de acero AISI 52100 manufacturado por SKF,
con un diámetro de 7 mm aproximadamente, mientras que las otras con balines de acero
inoxidable AISI 440 manufacturado por I. K. O. y de diámetro de 8 mm aproximadamente.
Así también se efectuó la prueba en condiciones lubricadas con aluminio y esfera de acero
AISI 52100.
Para realizar las pruebas en condiciones secas, se calibró la máquina tribológica de acuerdo
a los siguientes parámetros:
-Velocidad de rotación del disco: 215 r.p.m.
-Velocidad de deslizamiento: 0.045 m/s
-Radio de la huella de desgaste: 10 mm
-Carga aplicada: 9.81 N
-Número de ciclos: 3500, 7000, 10500, 14000, 17500, 21000.
-Tiempo: 15, 30, 45, 60, 75, 90 min.
-Dinamómetro: Marca Ohaus, escala de 10 a 2000 gr, mismo
que se muestra en la figura 5.5
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
150
Figura 5.4 Probetas utilizadas en las pruebas preliminares
en condiciones secas.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
151
5.5 Dinamómetro utilizado para registrar la fuerza de fricción.
Los resultados de las mediciones de desgaste por deslizamiento de cada uno de los
materiales empleados se presentan en las tablas 5.1, 5.2, 5.3 y 5.4, así como los coeficientes
de fricción encontrados en los mismos. De la misma forma, se observan en las gráficas el
peso y volumen perdido en mm3 de dichas probetas.
Tabla 5.1 Peso perdido acumulado.
CARGA: 10N. VUELTAS: 21, 0000. DESPLAZAMIENTO
LINEAL: 1320 m.
ESFERA: ∅ 7 mm. MATERIAL: ACERO AISI 52100.
Probeta 3,500
220 m
15 min.
(gr)
7,000
440 m
30 min.
(gr)
10,500
680 m
45 min.
(gr)
14,000
900 m
60 min.
(gr)
17,500
1120 m
75 min.
(gr)
21,000
1320 m
90 min.
(gr)
Aluminio # 1 0.02219 0.0246 0.0196 0.0235 0.0175 0.0258
Acumulado 0.0468 0.0664 0.0888 0.1063 0.1221
Latón #1 0.0084 0.0135 0.0145 0.0164 0.0161 0.0199
Acumulado 0.0219 0.0364 0.0528 0.0689 0.0888
Babbitt #1 0.289 0.367 0.2162 0.3411 0.1563 0.21
Acumulado 0.656 0.8722 1.2133 1.3696 1.5796
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
152
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 220000.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
0.14
Curvas características del desgaste deslizado.
Pérd
ida
de p
eso
acum
ulad
o, (g
r)
Número de vueltas
Aluminio Latón
Fig. 5.6 Curva característica de resistencia al desgaste deslizado
en aluminio y latón, utilizando esfera de acero AISI 52100.
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
Curva característrica del desgaste deslizado.
Pérd
ida
de p
eso
acum
ulad
o, (g
r)
Número de vueltas
Babbitt
Fig. 5.7 Curva característica de resistencia al desgaste deslizado
en babbitt, utilizando esfera de acero AISI 52100.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
153
Tabla 5.2 Volumen perdido acumulado (mm3).
CARGA: 10N VUELTAS: 21, 0000. DESPLAZAMIENTO
LINEAL: 1320 m
ESFERA: ∅ 7 mm. MATERIAL: ACERO AISI 52100.
Probeta 3,500
220 m
15 min.
mm3
7,000
440 m
30 min.
mm3
10,500
680 m
45 min.
mm3
14,000
900 m
60 min.
mm3
17,500
1120 m
75 min.
Mm3
21,000
1320 m
90 min.
mm3
Aluminio # 1 8.2222 9.1111 7.2592 8.7037 6.4814 9.5555
Acumulado 17.333 24.5925 33.2962 39.7776 49.3331
Laton #1 0.9882 1.5882 1.7058 1.9294 1.8941 2.3411
Acumulado 2.57702 4.2828 6.2122 8.1063 10.4474
Babbitt #1 38.5333 48.9333 28.8266 45.48 20.84 28
Acumulado 87.4666 116.2932 161.7732 182.1326 210.6132
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 220000
10
20
30
40
50
Volu
men
per
dido
en
mm
3
Número de vueltas
Aluminio Latón
Fig. 5.8 Ilustra la pérdida de volumen en mm3.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
154
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 2200020
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Volu
men
per
dido
en
mm
3
Número de vueltas
Babbitt
Fig. 5.9 Ilustra la pérdida de volumen en mm3.
En la tabla 5.3 se presentan los coeficientes de fricción encontrados en los materiales
sometidos a las pruebas de desgaste.
Tabla 5.3 Coeficientes de fricción.
NÚMERO DE PROBETA. FUERZA DE FRICCIÓN
REGISTRADA EN EL
DINAMÓMETRO
CARGA APLICADA 10 N.
COEFICIENTE DE
FRICCIÓN.
µ
Aluminio # 1 5.39 N 0.53 Latón #1 1.56 N 0.15
Babbitt #1 2.9 N 0.29
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
155
Tabla 5.4 Peso perdido acumulado.
CARGA: 10N. VUELTAS: 21, 0000. DESPLAZAMIENTO LINEAL:
1320 m.
ESFERA: ∅ 8 mm. MATERIAL: ACERO AISI 440.
Probeta 3,500
220 m
15 min.
(gr)
7,000
440 m
30 min.
(gr)
10,500
680 m
45 min.
(gr)
14,000
900 m
60 min.
(gr)
17,500
1120 m
75 min.
(gr)
21,000
1320 m
90 min.
(gr)
Aluminio #2 0.026 0.0216 0.0134 0.0134 0.0163 0.016
Acumulado 0.0476 0.061 0.07440 0.0907 0.1067
Latón #2 0.0126 0.0178 0.0142 0.0068 0.0118 0.0138
Acumulado 0.0304 0.0446 0.0514 0.0632 0.077
Babbitt # 2 0.0874 0.1778 0.1308 0.1683 0.248 0.145
Acumulado 0.2652 0.396 0.5643 0.8123 0.9573
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 220000.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12Curvas careacterísticas del desgaste deslizado.
Pérd
ida
de p
eso
acum
ulad
o, (g
r).
Número de vueltas
Aluminio Latón
Fig. 5.10 Curva característica de resistencia al desgaste deslizado
en babbitt, utilizando esfera de acero inoxidable AISI 440.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
156
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 220000.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Curva característica del desgaste deslizado.
Pérd
ida
de p
eso
acum
ulad
o, (g
r)
Número de vueltas
Babbitt
Fig. 5.11 Curva característica de resistencia al desgaste deslizado
en babbitt, utilizando esfera de acero inoxidable AISI 440.
Tabla 5.5 Volumen perdido acumulado (mm3).
CARGA: 10N. VUELTAS: 21, 0000. DESPLAZAMIENTO
LINEAL: 1320 m.
ESFERA: ∅ 8 mm. MATERIAL: ACERO AISI 440.
Probeta 3,500
220 m
15 min.
mm3
7,000
440 m
30 min.
mm3
10,500
680 m
45 min.
mm3
14,000
900 m
60 min.
mm3
17,500
1120 m
75 min.
mm3
21,000
1320 m
90 min.
mm3
Aluminio # 2 9.62 8 4.96 4.96 6.03 5.92
Acumulado 17.62 22.58 27.54 33.57 39.49
Latón #2 1.4823 2.0941 1.6705 0.8 1.3882 1.6235
Acumulado 3.5764 5.2469 6.0469 7.4351 9.0586
Babbitt # 2 11.6533 23.7066 17.44 22.44 33.0666 19.3333
Acumulado 35.3599 52.7999 75.2399 108.3065 127.6398
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
157
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 220000
5
10
15
20
25
30
35
40
Volu
men
per
dido
en
mm
3
Número de vueltas
Aluminio Latón
Fig. 5.12 Ilustra la pérdida de volumen en mm3.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
158
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 220000
20
40
60
80
100
120
140
Volu
men
per
dido
en
mm
3
Número de vueltas
Babbitt
Fig. 5.13 Ilustra la pérdida de volumen en mm3.
En la figuras 5.14a, b y c, 5.15a, b y c, 5.16a, b y c, se muestran las diferentes huellas de
desgaste generadas en las probetas respectivas, correspondiente a la esfera AISI 52100 de 7
mm de diámetro.
En la tabla 5.6 se presentan los coeficientes de fricción encontrados en los materiales
sometidos a las pruebas de desgaste.
Tabla 5.6 Coeficientes de fricción.
NÚMERO DE PROBETA. FUERZA DE FRICCIÓN
REGISTRADA EN EL
DINAMÓMETRO,
CARGA APLICADA 10 N.
COEFICIENTE DE
FRICCIÓN.
µ
Aluminio # 2 5.2 N 0.5 Latón # 2 4.3 N 0.43
Babbitt # 2 3.3 N 0.33
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
159
(a)
(b) (c)
Fig. 5.14 Huella de desgaste en aluminio, usando esfera de acero AISI 52100 de diámetro 7mm. (a)15
minutos. (b)45 minutos y (c) 90 minutos.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
160
(a)
(b) (c)
Fig. 5.15 Huella de desgaste en latón, usando esfera de acero AISI 52100 de diámetro 7mm. (a)15
minutos. (b)45 minutos y (c) 90 minutos.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
161
(a)
(b) (c)
Fig. 5.16 Huella de desgaste en babbitt, usando esfera de acero AISI 52100 de diámetro 7 mm. (a)15
minutos. (b)45 minutos y (c) 90 minutos.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
162
En la figuras 5.17a, b y c, 5.18a, b y c, 5.29a, b y c, se muestran las diferentes huellas de
desgaste generadas en ellas, correspondientes a la esfera AISI 440 de 8 mm de diámetro.
(a)
(b) (c)
Fig. 5.17 Huella de desgaste en aluminio, usando esfera de acero inoxidable AISI 440 de diámetro 8
mm. (a)15 minutos. (b)45 minutos y (c) 90 minutos.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
163
(a)
(b) (c)
Fig. 5.18 Huella de desgaste en aluminio, usando esfera de acero inoxidable AISI 440 de diámetro 8
mm. (a)15 minutos. (b)45 minutos y (c) 90 minutos.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
164
(a)
(b) (c)
Fig. 5.19 Huella de desgaste en aluminio, usando esfera de acero inoxidable AISI 440 de diámetro 8
mm. (a)15 minutos. (b)45 minutos y (c) 90 minutos.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
165
5.4.2 PRUEBA DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO LUBRICADA.
En la prueba lubricada, se empleó aceite para transmisión tipo “A” [15], que fluye por
medio de una bomba marca JAV en la zona de contacto esfera-disco, con el que se ha
llenado un deposito habilitado en la máquina. La probeta utilizada se observa en la figura
5.20.
Para realizar la prueba en condiciones lubricadas, se calibró la máquina tribológica de
acuerdo a los siguientes parámetros:
-Velocidad de rotación del disco: 215 r.p.m.
-Velocidad de deslizamiento: 0.045 m/s
-Radio de la huella en el disco: 10 mm
-Carga aplicada: 49 N
-Número de ciclos: 3500, 7000, 10500, 14000, 17500, 21000.
-Tiempo: 15, 30, 45, 60, 75, 90 min.
-Dinamómetro: Marca Ohaus, escala de 10 a 2000 gr.
Los datos relacionados ha esta prueba se pueden observar en las tablas 5.7 y 5.8. Así como,
el correspondiente coeficiente de fricción encontrado, mismo que se observa en la tabla 5.9.
Se puede observar en las figuras 5.22 y 5.23 las gráficas pertenecientes al peso y volumen
perdido.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
166
Fig. 5.20 Probeta de aluminio utilizada en la prueba con lubricante.
Tabla 5.7 Peso perdido acumulado.
CARGA: 50N. VUELTAS: 21, 0000. DESPLAZAMIENTO
LINEAL: 1320 m. ESFERA: ∅ 8 mm. MATERIAL: ACERO AISI 52100.
Probeta 3,500
220 m
15 min.
(gr)
7,000
440 m
30 min.
(gr)
10,500
680 m
45 min.
(gr)
14,000
900 m
60 min.
(gr)
17,500
1120 m
75 min.
(gr)
21,000
1320 m
90 min.
(gr)
Aluminio # 3 0.0105 0.0163 0.0142 0.0234 0.0184 0.0177 Acumulado 0.0286 0.041 0.0644 0.0828 0.1055
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 220000.00
0.02
0.04
0.06
0.08
0.10
0.12
Curva característica del desgaste deslizado.
Pérd
ida
de p
eso
(gr)
Número de vueltas
Aluminio
Fig. 5.21 Curva característica de resistencia al desgaste deslizado en aluminio,
utilizando esfera de acero AISI 52100 y lubricante TIPO “A” para transmisión.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
167
Tabla 5.8 Volumen perdido acumulado (mm3).
CARGA: 50 N. VUELTAS: 21, 0000. DESPLAZAMIENTO
LINEAL: 1320 m.
ESFERA: ∅ 8 mm. MATERIAL: ACERO AISI 52100.
Probeta 3,500
220 m
15 min.
Mm3
7,000
440 m
30 min.
mm3
10,500
680 m
45 min.
mm3
14,000
900 m
60 min.
mm3
17,500
1120 m
75 min.
mm3
21,000
1320 m
90 min.
mm3
Aluminio # 3 3.88 6.0370 5.2592 8.6666 6.8148 6.5555 Acumulado 10.5925 15.8517 24.5183 31.3331 37.8886
2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 220000
5
10
15
20
25
30
35
40
Volu
men
per
dido
, (m
m3 )
Número de vueltas
Aluminio
Fig. 5.22 Ilustra la pérdida de volumen en mm3.
Tabla 5.9 Coeficientes de fricción.
NÚMERO DE PROBETA FUERZA DE FRICCIÓN
REGISTRADA EN EL
DINAMÓMETRO
CARGA APLICADA 50 N
COEFICIENTE DE FRICCIÓN
µ
Aluminio # 3 9.81 N 0.19
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
168
(a)
(b) (c)
Fig. 5.23 Huella de desgaste en aluminio, usando esfera de acero AISI 52100 de 8 mm de diámetro y
lubricante para transmisión TIPO “A”. (a)15 minutos. (b)45 minutos y (c) 90 minutos.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
169
5.5 DISCUSIÓN DE LOS RESULTADOS
Al analizar los resultados obtenidos se observa que con el aumento en el radio de curvatura
de la esfera que esta en contacto aumenta considerablemente la huella de desgaste, por ende
se incrementa el peso y volumen perdido. Asimismo, se observó que en la pruebas
realizadas en seco existe transferencia de material de la probeta a la esfera, mientras que en
condiciones lubricadas no hay dicha transferencia. No obstante que la carga para esta
última, haya sido mucho mayor, del orden 49 N.
Por otra parte, los coeficientes de fricción indican que para el aluminio coinciden con los
publicados por la literatura especializada.
Asimismo, las huellas de desgaste en las probetas metálicas, indican que se presenta
adhesión, formándose surcos ó canales con deformación plástica a los bordes de los
mismos. Sin embargo, en las condiciones lubricadas dichas deformaciones son menos
pronunciadas, es decir, el desplazamiento de material se reduce considerablemente. Esto,
debido a la acción de la película lubricante que impide que haya un contacto directo entre
las crestas de la esfera y el disco.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
170
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
1
CONCLUSIONES
• El diseño y construcción del prototipo tribológico, permite realizar pruebas de
desgaste por deslizmainto con lo que posibilita conocer las propiedades tribológicas
de los materiales utilizados en la ingeniería. El costo económico de dicho prototipo
es considerablemente menor a los de las casas comerciales internacionales que
ofertan estas máquinas. Esto posibilita enormemente transferir el paquete
tecnológico a las instituciones públicas y a las pequeñas y medianas industrias
metal-mecánica que lo demanden.
• Se realizaron pruebas tribológicas de diferentes materiales, además de determinar
los coeficientes de fricción en los respectivos coeficientes de fricción cambian de
los materiales.
• Los valores de los coeficientes de fricción obtenidos en las diferentes pruebas de
desgaste por deslizamiento, son similares a los presentados por la literatura
especializada.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
2
TRABAJOS FUTUROS
De acuerdo a los objetivos propuestos en este trabajo, el desarrollo del prototipo tribológico
de configuración esfera sobre disco se ha concluido, sin embargo este es susceptible a sufrir
alguna mejoría para eficientar su funcionamiento.
Otra parte fundamental de la máquina, es que se puede hacer mejoras en el sistema para
aplicar lubricante, para de esta forma tener un control sobre el flujo aplicado en la zona de
contacto.
Difundir este tipo de máquinas en la universidades del país, primeramente conociendo el
campo de aplicación de la tribología, para posteriormente entender el desgaste por
deslizamiento y con la ayuda de este dispositivo clarificar los conceptos en una aplicación
determinada. Así mismo, se puede ahora realizar diferentes materiales y recubrimientos de
amplia aplicación en la ingeniería.
Realizar pruebas tribológicas con distintos materiales metálicos y cerámicos, a fin de
conocer su comportamiento a este tipo de desgaste.
Utilizar un sistema electrónico sensor de fuerza para mejorar la precisión de las lecturas.
Así también, se recomienda elaborar un estudio económico mucho mas profundo de lo
realizado en el capítulo IV, con el fin de producir este tipo de máquinas en serie y poder así
comercializarlas.
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLÓGICO FUNCIONAL DE CONFIGURACIÓN ESFERA SOBRE DISCO PARA MEDIR EL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS Y LUBRICADAS
3
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Metodología para la Extracción de Tecnología