Universidad Veracruzana FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ENSAYOS TRIBOLÓGICOS Dr....

Universidad VeracruzanaFACULTAD DE INGENIERÍA

MECÁNICA ELÉCTRICA

ENSAYOS TRIBOLÓGICOS

Dr. Andrés López Velázquezandlopez@uv.mx

Índice

• Introducción• Beneficios de la tribología• Ensayos tribológicos• Desarrollo experimental en tribología• Tribómetros• Ejemplos

I N T R O D U C C I Ó N

El desgaste de los materiales ha estado presente desde elmismo momento en que se da inicio a la construcción delos primeros mecanismos mecánicos; la tribología, queno es más que la evaluación del desgaste de losmateriales ha tomado vital importancia tanto a nivelindustrial como académico.

Tribología

• La palabra tribología se deriva del griego “TRIBOS” que significa “ROZAMIENTO”. Y la investigación en este campo abarca sistemas en donde ocurre:

• Desgaste debido al rozamiento entre dos superficies. (desgaste adhesivo).

• Entrada de partículas en el punto de contacto.(desgaste de tres cuerpos).

Ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la

Lubricación que tienen lugar durante el contacto entre

superficies sólidas en movimiento.

DEFINICION

La tribología se centra en el estudio de tres

fenómenos:

definida como la resistencia al movimiento durante el deslizamiento o rodamiento que experimenta un cuerpo sólido al moverse sobre otro.

1.- La fricción entre dos cuerpos en movimiento:

• El desgaste es el daño de la superficie por remoción de material de una o ambas superficies sólidas en movimiento relativo.

2.-El desgaste como efecto natural de este fenómeno:

3.-La lubricación como un medio para reducir el desgaste:

• La lubricación consiste en la introducción de una capa intermedia de un material ajeno entre las superficies en movimiento.

Beneficios de la Tribología

• Aumento de la Productividad • Reducción de fallas mecánicas en los equipos. • Mayor Confiabilidad en los Procesos• Incremento en la vida útil de los equipos • Mayor eficiencia • Reducción de Costos • Reducción del desgaste en equipos • Reducción del Consumo de Energía por disminución de la

fricción.

¿Por qué realizar ensayos tribológicos?

Es importante considerar las pérdidas económicas que se presentan debido al desgaste de materiales. Para minimizar los costos de desgaste, es necesario analizarlo. Uno de los factores determinantes para realizar un estudio sobre el desgaste, es la velocidad de desgaste.

Objetivo de los ensayos tribológicos

• La investigación fundamental en los mecanismos básicos de la fricción y el desgaste.

• La investigación aplicada para resolver problemas de fricción y desgaste específicos de la industria y la medicina.

Efectos de la velocidad de deslizamiento contra la razón de desgaste

Problemas específicos de desgaste

Problemas específicos de desgaste

INCONVENIENTES:

Uno de los principales inconvenientes generados en el campo de la tribología es la dificultad de reproducir con exactitud las condiciones de servicio en el laboratorio. Ante un problema de desgaste es necesario elegir entre las diferentes configuraciones de ensayo disponibles, tratando de emular al máximo las condiciones reales. Pero este objetivo es difícilmente alcanzable, puesto que las variables y condiciones de servicio son tan particulares y concretas

como posibles aplicaciones. Tampoco resulta práctico ni viable disponer de tantos dispositivos de ensayo como posibilidades reales, por lo que el problema se traslada a conseguir la configuración más extrapolable posible.

Observación o medición de parámetros a controlar

Formulación de una teoría

Desarrollo de un método de control de la fricción y el desgaste

Desarrollo experimental aplicado a la tribología

Parámetros básicos Parámetros relacionados

PARAMETROS

DE

OPERACIÓN

Carga(N) -Contacto de tensión (Pa)-Variación temporal de la carga-fuerza de impacto(N) -Carga oscilatoria(N)

VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO (m/s) -velocidad media (m/s)-velocidad de impacto (m/s)-velocidad angular (rad/s)

Distancia de deslizamiento (m) -amplitud de movimiento deslizante (m)-Frecuencia de movimiento deslizante (Hz)

Temperatura (k) -temperatura transitoria-temperatura mayor

Acabado de la superficie -CLA (m) -RMS -Ra

Tipo de contacto -uniforme -no uniforme

Parámetros básicos Parámetros relacionados

PARAMETROS

DEL

MATERIAL

DUREZA [PA O VHN] -Microdureza [Pa o VHN]-Resistencia al corte [Pa]-Microestructura

TENACIDAD [PA*M^0.5] -Tensión limite -Tamaño medio de grano[m]

PUNTO DE FUSIÓN [K] -Temperatura De Transición Vítrea-Punto de reblandecimiento[K]

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA [W/M*K]

-Difusividad térmica [m^2/s]-Resistencia al choque térmico-Variación de la conductividadCon la temperatura.-Calor específico[J/KgK]

POTENCIAL ELECTROQUÍMICO -Intercambio de densidad de corriente[a/m^2]-Potencial (v)

Parámetros básicos Parámetros relacionados

PARAMETROSDE

MATERIALESPARA PRUEBAS DE DESGASTE ABRASIVO Y

EROSIVO

DUREZA DE GRANO [PA O VHN] Y / O TIPO DE MINERAL

-Microdureza (Pa o VHN)-Variación temporal de la carga-fuerza de impacto(N) -Carga oscilatoria(N)

Espectro de tamaño de grano (m) -velocidad media (m/s)-velocidad de impacto (m/s)-velocidad angular (rad/s)

Parámetros básicos Parámetros relacionados

PARÁMETROS

AMBIENTALES

HUMEDAD RELATIVA [%] la humedad absoluta[kg/m^3]

PRESIÓN DEL AIRE LOCAL [PA] -Presión parcial de oxígeno [pa]y otros gases activos

NIVEL DE RADIACIÓN[BEQUERELS/M^2] -Punto de reblandecimiento[K]

Parámetros básicos Parámetros relacionados

PARAMETROS

DE

LUBRICACIÓN

-Viscosidad -Índice de viscosidad

-Caudal (m^3/s) -Presión suministrada (Pa)-Velocidad suministrada (m/s).

CONDUCTIVIDAD TÉRMICA [W/M*K]

-Difusión térmica [m^2/s]-Resistencia al choque térmico

-Acidez (pH)-Punto de ebullición (k).-Punto de solidificación (k).-Calor de oxidación (J/kg*mol). -solubilidad / solubilidad en oxigeno.

-Reactividad química -Momento dipolar.

Mecanismos de desgaste o lubricación

Tribómetros

Abrasivo Aparato que implica papel de lija o una cama de arena

Desgaste erosivo Muestra montada teniendo una corriente de aire o chorro de líquido mezclado con partículas abrasivas

Desgaste cavitacional Muestra montada teniendo una corriente de fluido o bien montada en una plataforma vibratoria sumergido en un líquido

Desgaste por deslizamiento en seco o lubricado en condiciones ambientales.

Muestra que se desliza contra una superficie de contacto móvil ya sea por rotación o un movimiento alternativo. Sistema de alimentación con un suministro de lubricante para las pruebas de lubricación

Desgaste seco o lubricado, en ausencia de las condiciones ambientales.

Superficie de las muestras en movimiento encerradas en una cámara equipadas con calefacción, refrigeración y / o sistema de bombeo de vacío para mantener un ambiente especifico.

Esfuerzo/esfuerzo por fatiga Muestra que se desliza contra la superficie de contacto con una amplitud muy pequeña. El aparato puede estar equipado con una cámara para entornos especializados.

Desgaste combinado rodadura-deslizamiento o rodadura pura.

Muestra en forma de rodillos o esferas obligado a moverse a velocidades especificadas. El aparato puede estar equipado con cámara para entornos especializados.

Desgaste por impacto Aparato que contiene un martillo usado para la muestra. Puede estar equipado con una cámara encerrada por falta de pruebas ambientales

Mecanismos de desgaste o lubricación

Tribómetros

Difusión o desgaste soluble Contiene una muestra como herramienta cortante. El corte es realizado a una alta velocidad en la superficieLa muestra es sumergida en un fluido y se gira para acelerar el desgaste

Lubricación hidrodinámica y elastohidrodinamica.

Los contactos idealizados pueden ser uniformes y no uniformes con el propósito de mostrar un mecanismo implicado en la formación de películas lubricantes

Lubricación solida y blanda. Aparato de que implica desgaste por deslizamiento a bajas velocidades permitiendo que el coeficiente de fricción de las pruebas pueda ser controlado.

TRIBÓMETROS

• Un tribómetro es un equipo mediante el cual se puede determinar la resistencia al desgaste de un material cuando se pone en contacto con otro y existe movimiento relativo entre ellos, en un determinado medio.

Las investigaciones tribológicas y los avancestecnológicos de métodos que permitan simular los

diferentes mecanismos de la fricción y el desgaste, hanhecho posible la construcción de los tribómetros, de

acuerdo a cada sistema de desgaste y dentro de los que se destacan:

Máquina de Cilindros CruzadosASTM- G83

Máquina de Perno contra DiscoASTM G-99

Máquina Arena Seca - Disco VulcanizadoASTM G 65

ANÁLISIS TRIBOLOGICO DE LOS ACEITES LUBRICANTES UTILIZADOS EN EL TURBOGENERADOR DEL INGENIO MAHUIXTLÁN, VER.

• Se sometieron las probetas a condiciones de carga y velocidad constantes de: 50 N y 800 rpm, respectivamente. Para cada lubricante, se corrió un ensayo, con una duración total de 7.5 horas, obteniendo 15 lecturas de desgaste; una cada 30 minutos. Esto, con el fin de contar con un número de datos suficiente que arrojaran resultados significativos.

Resultados

ACEITE DESGASTE VOLUMETRICO TOTAL mm3

HEAVY MEDIUM 0,1401274

TURBINAS 15 0,1401274

MEZCLA CENTRIFUGADA

0,1401274

MEZCLA CONTAMINADA CON

AGUA

0,1656051

Resistencia de película

HVM TR15 CENT MCA

Duracion del ensayo en mín. 120 95 120 88

10

30

50

70

90

110

130

Dura

ción

del e

nsay

o en

mín

.

Desempeño Anti desgaste

HVM TR15 CENT MCA

DESGASTE EN mm3 0.0890000000000001

0.191 0.0890000000000001

0.28

0.025

0.075

0.125

0.175

0.225

0.275De

sgat

se e

n m

m3

Minilab 5200

Análisis tribológico del Acero AISI SAE 1045

Resultados experimentales

Desgaste volumétrico total en pin - disco

ProbetaDesgaste en disco (cm3) Desgaste en pin (cm3)

Desgaste total (cm3)

1 0.006675127 0.004530457 0.011205584

2 0.014149746 0.008553299 0.022703045

3 0.041916244 0.038045685 0.079961929

4 0.017829949 0.011611675 0.029441624

5 0.006243655 0.00463198 0.010875635

6 0.011611675 0.009784264 0.021395939

7 0.059175127 0.039378173 0.0985533

8 0.023185279 0.015126904 0.038312183

9 0.006979695 0.005926396 0.012906091

10 0.010647208 0.008642132 0.01928934

11 0.055114213 0.047614213 0.102728426

12 0.017969543 0.011713198 0.029682741

Resultados

Desgaste obtenido en primer grupo de probetas bajo las siguientes condiciones: 300 RPM - 20 N – tiempo constante

Resultados

Desgaste obtenido en segundo grupo de probetas bajo las siguientes condiciones: 300 RPM - 50 N – tiempo constante

Resultados

Desgaste obtenido en segundo grupo de probetas bajo las siguientes condiciones: 800 RPM - 20 N – tiempo constante

Resultados

Desgaste obtenido en segundo grupo de probetas bajo las siguientes condiciones: 800 RPM - 50 N – tiempo constante

Análisis de los resultados mediante StatGraphics

Ecuación de correlación

W = 0,0135821 - 0,0000274365*V - 0,000720474*P + 0,00000345347*V*P

• R cuadrada = 97,9623 %

• o

Validación de resultados

Ajustes realizados para validar resultados

Columna Media Desviación Dispersión (%)

Grupo 1 0.01104061 0.000164975 1.494251744

Grupo 2 0.022049492 0.000653553 2.964027471

Grupo 3 0.100640863 0.002087563 2.074269773

Grupo 4 0.029562183 0.000120559 0.407813259

Ensayos adicionalesCondiciones de prueba: carga de 30N y velocidad de 500 RPM constantes, 16 periodos de tiempo de 10 minutos y en seco.

Ensayos adicionalesCondiciones de prueba: carga de 30N y velocidad de 500 RPM constantes, 11 periodos de tiempo de 10 minutos y lubricada.

Caracterización tribológica del par bronce S.A.E 64 –acero AISI-4140 en un contacto

anillo-bloque

Primera prueba- Grasa Alimex-1 bronce acero

Fuerza N 80 Densidad g/mm3

Velocidad rpm

3000.007825 0.00785

Tiempo min 30volumen perdido

mm3

rugosidad promedio

Peso inicial

peso final

diferencia de

pesos

diámetro

bloque anillo

bloque 1 0.87047.76

447.754

30.0097 19.1

1.167731629  

anillo 1 2.17175 8.513 8.513 0 19.9   0

bloque 2 1.06346.28

9846.281

60.0082 19.1

1.191693291  

anillo 2 2.4979.520

99.5209 0 19.9  

0

bloque 3 0.58746.87

7646.874

80.0028 19.1

1.1437700  

anillo 3 1.5929.086

69.0856 0.001 19.9  

0.12738854

Alimex-1 se distingue por su excepcional estabilidad mecánica, alto punto de gota y su resistencia al agua y a la corrosión. Alimex-1 es una grasa de alto rendimiento de complejos de sulfonatos de calcio. Esta tecnología es superior a otras grasas más ricas de alta temperatura como complejos de litio, de aluminio y las grasas de poliurias.

Segunda prueba- Grasa S350    

Fuerza N 80    

Velocidad rpm

300   

Tiempo min 30volumen perdido

mm3

rugosidad promedio

Peso inicial

peso final

diferencia de

pesos

diámetro

bloque anillo

bloque 4 0.45546.86

3546.861

30.0022 19.1

0.77156550  

anillo 4 2.0738.998

38.9983 0 19.9  

0

bloque 5 0.68146.18

8246.183

40.0048 19.1

0.785942492  

anillo 5 1.3089.317

79.3174 0.0003 19.9  

0.03821656

bloque 6 0.64846.75

4246.747

60.0066 19.1

0.757188498  

anillo 6 1.6849.012

99.0127 0.0002 19.9

 0.025477

71

La S-350 es una grasa de alto rendimiento basada en sulfonato de calcio para aplicación automotriz, industrial y naval. Ofrece una excelente estabilidad mecánica, gran capacidad de resistencia a la carga, al agua, a la oxidación, el óxido y al calor. No contiene metales pesados ni otros contaminantes que dañen el medio ambiente.

Tercer prueba- Grasa Top 5    

Fuerza N 80    

Velocidad rpm

300   

Tiempo min 30 volumen perdido mm3

rugosidad promedio

Peso inicial

peso final

diferencia de

pesos

diámetro

bloque anillo

bloque 7 0.56346.05

7646.049

80.0078 19.1

0.944089457  

anillo 7 1.487758.661

48.6614 0 19.9

  0

bloque 8 0.73546.94

0546.934

90.0056 19.1

0.926517572  

anillo 8 1.573 8.968 8.9662 0.0018 19.9 

0.22929936

bloque 9 0.69746.47

3946.469

40.0045 19.1

0.961661342  

anillo 9 1.7109.576

99.5747 0.0022 19.9

 0.28025

478

Top 5 es una grasa de alto impacto con propiedades muy fibrosas. Altamente adhesiva a los metales, incluso bajo extremas condiciones de lavado con agua y de elevadas temperaturas.

Primera prueba- Grasa Alimex-1

Segunda prueba- Grasa S350

Tercer prueba- Grasa Top 5

Cuarta prueba- sin lubricacion

0

2

4

6

8

10

12

1.29512020.8034126

1.1988665

10.2487536

Desempeño Tribológico de las dif. Grasas y sin lubricación.

Comparación de desgaste con lubricación y sin lubricación.

2040

6080

0

2

4

6

8

10

12

0.408945687 0.428115016 0.435303514 0.447284345

7.364217252 9.620538349 10.39616613 11.56169746

Laboratorio de Tribología

Encargado:Dr. Andrés López Velázquezandlopez@uv.mxandreslv2000@yahoo.comandreslv66@hotmail.com

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA, XALAPAUNIVERSIDAD VERACRUZANA

Líneas de Investigación:

1. Desarrollo de Tecnología Tribológica

2. Caracterización Tribológica de Materiales, lubricantes y aditivos.

3. Modelación y Simulación Tribológica por computadora

1.- Desarrollo de Tecnología Tribológica

Tribómetro Arena Seca/Disco Vulcanizado ASTM G65

Tribómetro Pin/Disco ASTM G99

1.- Desarrollo de Tecnología Tribológica

Tribómetro de Cilindros cruzados ASTM G83

Máquina Deslub ASTM D5182

1.- Desarrollo de Tecnología Tribológica

Tribómetro de Cilindros Frontales

Máquina Timken ASTM D2782

Tribómetro Multiespecimen

2.- Caracterización Tribológica de Materiales

Desgaste = 102.661 - 0.0191138*P - 0.256529*V + 0.000259083*P*V

Análisis de Rugosidad de Superficies en contacto Tribológico.

Caracterización Tribológica de Lubricantes

Comportamiento de la Viscosidad del aceite SAE 40 Pennzoil

Experimental

y = -0.1385x5 + 3.3346x4 - 31.22x3 + 142.21x2 - 318.85x + 302.91

R2 = 0.9999

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6 7 8

Corrida Experimental

Vis

cosi

dad

(cs

t)

Análisis de Viscosidad

Resistencia de película

3.- Modelación y Simulación Tribológica por computadora

Proyectos de Investigación Aprobados:

Proyecto de Investigación Aprobado: FOMIX CONACYT-GOB. VER

“Desarrollo de tecnología tribológica y de nuevos materiales, que reduzcan el desgaste en piezas mecánicas y la contaminación ambiental”.

Etapas:

A) Diseño del tribómetro (31-Oct-2010)B) Construcción e Implementación del tribómetro (Nov-2010-Mar-2011)C) Instrumentación Electrónica y Digitalización del tribómetro (Ago-2011- Feb-2012)D) Operación y Calibración del tribómetro (Feb-2012-Jun-2012)

Proyecto de Investigación Aprobado: PROMEP 2010

“Obtención y caracterización mecánico-tribológica de un material compuesto de aluminio reforzado con partículas de un material obtenido a partir de desechos avícolas”.

Etapas:A) Marco Teórico de los Materiales CompuestosB) Evaluación de posibles materiales a utilizarC) Obtención de los materiales compuestos D) Caracterización de los nuevos materiales compuestos

Por su atención gracias