Universidad VeracruzanaFACULTAD DE INGENIERÍA
MECÁNICA ELÉCTRICA
ENSAYOS TRIBOLÓGICOS
Dr. Andrés López Velá[email protected]
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 Velá[email protected]@[email protected]
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