INFORME FRICCION

ESCUELA DE CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES

1

Análisis de Fricción C. Molina, D. Sáenz. Resumen

Abstract

1. PALABRAS CLAVES Fricción, lubricación, pérdida de potencia, coeficiente de fricción

2. INTRODUCCIÓN Marco Teórico. La fricción es uno de los fenómenos más importantes a considerar en la industria moderna, ya que este no solo conlleva la pérdida de energía en elementos de transmisión, sino que también puede llevar a la falla de los mismos por aumentos de temperatura u otros fenómenos asociados como desgaste y corrosión. La fricción está presente en nuestras vidas todos los días y en algunos casos es imprescindible para poder desarrollar determinadas acciones como caminar, andar ó frenar un vehículo, generar fuego, fabricar piezas en un torno ó en una fresadora, pero es completamente improductiva en los elementos de una máquina, los cuales podrían fallar catastróficamente si no se lubricaran, y aunque esto se hiciera, si el lubricante no es el adecuado, el mecanismo, dentro de un proceso más lento también se dañaría finalmente. La fricción en los componentes de máquinas, conlleva a la transformación de energía útil, aprovechable en trabajo productivo, en calor tanto para la máquina como para el ambiente, con el subsecuente número de problemas que las altas temperaturas de operación generan para los mecanismos lubricados, para el aceite y para el ambiente, ya que aporta calor causante del cambio climático. Es muy importante el análisis ingenieril de los fenómenos de fricción en las máquinas, para determinar si las causas que lo generan son mecánicas, operacionales ó de lubricación, con el objetivo de controlarlas y reducirlas hasta llegar a eliminarlas algún día. La fricción es la oposición que presentan dos zonas materiales en contacto, durante el inicio, desarrollo y final del movimiento relativo entre ellas, conlleva a consumo de energía, generación de calor, desgaste y en algunos casos a fallas catastróficas. Los cuerpos que se mueven pueden ser sólidos, líquidos ó gaseosos, ó una combinación de dos ó más de ellos.

Tópicos de Metalurgia. ECIM

Instituto Tecnológico de Costa Rica

Acreditada CEAB


2

La fricción se define como fuerza de fricción (F), es negativa y se opone al movimiento y refleja que tanta energía mecánica se pierde cuando dos cuerpos inician el movimiento ó se mueven entre sí y es paralela y opuesta al sentido del movimiento. Refleja que tan eficiente energéticamente es el mecanismo durante su funcionamiento. La fuerza de fricción se calcula de la siguiente ecuación:

F=fxW Donde:   

F: fuerza de fricción, kgf (lbf) f: coeficiente de fricción metal-metal, sólido, mixto ó fluido, adimensional. W: fuerza normal que actúa sobre una de las superficies de fricción, kgf (lbf).

Figura 1. A. Movimiento por desplazamiento horizontal. B. Movimiento por desplazamiento inclinado. C. Movimiento por rodadura horizontal. La fuerza W que presiona un cuerpo sobre una superficie horizontal es equivalente a su peso y se denomina fuerza normal. Cuando el cuerpo descansa sobre un plano inclinado la magnitud de la fuerza normal depende del ángulo de inclinación y es menor que el peso de dicho cuerpo (WCosØ). Cuando el cuerpo reposa sobre una superficie horizontal dicho cuerpo presiona sobre la superficie con todo su peso y si la superficie está inclinada, por ejemplo 60º, solo presiona con la mitad de su peso y la fuerza normal es de cero cuando el plano está en posición vertical, puesto que el cuerpo y la superficie no se presionan entre sí. La fuerza normal sobre la superficie puede ser mayor que el peso si se ejerce una presión adicional sobre el cuerpo. Los coeficientes de fricción de la llanta sobre el material ensayado se observan en la siguiente tabla: Probeta 1 2 3 4 5

Material Cerámica rugosa Cerámica lisa Acero Fibra de vidrio Vidrio

Coeficiente 0,7 a 0,9 0,5 a 0,7 0,6 a 0,7 0,5 a 0,7 0,4 a 0,5

Se ha desarrollado una industria alrededor de este fenómeno con el objetivo de minimizar los efectos adversos que producen en la maquinaria y minimizar el impacto Tópicos de Metalurgia. ECIM


Acreditada CEAB

3


energético en la sociedad moderna, la respuesta a esta necesidad ha sido el uso de los lubricantes, los cuales pueden ser observados en muchas de las máquinas modernas, desde vehículos de uso cotidiano hasta el uso en maquinaria especializada. La lubricación ha sido la respuesta a tratar de mitigar estos problemas de fricción, esta se puede dividir en: 1) Hidrodinámica: La carga es soportada por el film de aceite 2) Elasto hidrodinámica: La carga es soportada por el film viscoso con deformación elástica en la zona de contacto (ej: engranajes) 3) Mezcla (cuasi.hidrodinámica): La carga es soportada por el film y por el contacto de las asperezas. 4) Lubricación límite: La carga es soportada por el contacto de las asperezas. (ej: arranques) Los diferentes regímenes de lubricación pueden ser ilustrados por medio del diagrama de Stribeck que da el coeficiente de fricción f en función del parámetro adimensionado

Donde: μ = viscosidad dinámica del lubricante p = presión de carga o fuerza normal por unidad de superficie N = velocidad de giro del eje en el cojinete V = velocidad relativa entre placas b = longitud de contacto entre placas

Figura 2. Diagrama de Stribeck



Acreditada CEAB


4

Figura 3. Diagrama de Stribeck

Como ya se menciona, la fricción influye tanto en la perdida de potencia como en el consumo energético, una manera de relacionar el consumo energético y la fricción es por medio del aumento de la potencia consumida por un motor al entrar en contacto con una superficie, la siguiente ecuación se usa para calcular el aumento en el consumo de potencia.

  Dónde:

      √  

                     3. MATERIALES Y MÉTODOS Para encontrar el índice de fricción dinámico y su relación con el consumo energético de un motor se realizó la construcción de un dispositivo, el cual constaba de un motor unido a un eje con una llanta de bicicleta. Figura 4. Dispositivo usado para evaluar la fricción entre dos superficies. Cuando el motor es encendido la llanta gira, a esta llanta se le acerca una superficie, por medio de un dispositivo con un tornillo, mientras las dos superficies estén en contacto se mide el amperaje, así como el amperaje sin las superficies de contacto, para esto se usó un multímetro. Figura 5. Multímetro. Los materiales usados para usar como superficie de contacto con la llanta fueron una superficie metálica, un vidrio, fibra de vidrio y dos cerámicas, una rugosa y una lisa. Posterior a la prueba en seco, se realizó una prueba con una película de WD40 sobre los materiales y se midió la rugosidad de los materiales usados. Tópicos de Metalurgia. ECIM


Acreditada CEAB


5

Tabla 2. Probetas usadas en el experimento. Probeta 1 2 3 4 5

Material Cerámica rugosa Cerámica lisa Acero Fibra de vidrio Vidrio

Imagen

Después de realizar la prueba y medir los amperajes con y sin lubricantes, se calculó la potencia consumida adicionalmente al entrar en contacto ambas superficies, y se calculó el índice de fricción.

3. RESULTADOS

El amperaje en la maquina sin carga se observa a continuación, así como el consumo de potencia, se aprecian en la siguiente tabla. Tabla 3. Datos de la máquina sin carga. Amperaje Potencia (±0,1)A KW 1,9 0,3620 En la siguiente tabla se pueden observar los resultados de la prueba sin lubricante. Tabla 4. Resultados de amperaje en fricción en seco. Amperaje (±0,1)A Probeta 1 2 3 4 1 2,7 2,8 2,5 2,7 2 2,3 2,2 2,4 2,2 3 2,3 2,4 2,4 2,2 4 2,2 2,3 2,1 2,1 5 2 1,9 2 2 A continuación se pueden apreciar los resultados de la prueba de fricción con lubricante. Tabla 5. Resultados de amperaje en fricción con lubricante. Amperaje (±0,1)A Probeta 1 2 3 4 Tópicos de Metalurgia. ECIM


Acreditada CEAB


6

1 2 3 4 5

2,1 2,1 2 2,1 2

2,2 2,1 2 2 2

2,3 2,2 2 2,1 2

2,2 2,2 2,1 1,9 2

Posterior a estos resultados se calculó el cambio de potencia consumida y se computo un promedio para calcular el porcentaje de consumo de potencia adicional. Tabla6. Cambio de potencia del dispositivo en fricción en seco. Cambio de potencia KW Probeta 1 2 3 4 1 0,1524 0,1715 0,1143 0,1524 2 0,0762 0,0572 0,0953 0,0572 3 0,0762 0,0953 0,0953 0,0572 4 0,0572 0,0762 0,0381 0,0381 5 0,0191 0,0000 0,0191 0,0191 Tabla 7. Cambio de potencia del dispositivo en fricción con lubricante. Cambio de potencia KW Probeta 1 2 3 4 1 0,0381 0,0572 0,0762 0,0572 2 0,0381 0,0381 0,0572 0,0572 3 0,0191 0,0191 0,0191 0,0381 4 0,0381 0,0191 0,0381 0,0000 5 0,0191 0,0191 0,0191 0,0191 Tabla 8. Porcentajes de cambio de potencia para las pruebas realizadas en seco y con lubricante. % de cambio de potencia Probeta En seco Con lubricante 1 28,97 13,64 2 16,48 11,63 3 18,28 6,17 4 12,64 6,17 5 3,8 5

4. DISCUSIÓN Como se observa en la Tabla 7, el cambio en la potencia aumenta en casi un 29% para la cerámica decorativa no lisa en seco, lo cual era de esperarse, ya que la Tópicos de Metalurgia. ECIM


Acreditada CEAB


7

misma posee una superficie decorativa, la cual a simple tacto y vista se nota muy irregular con gran cantidad de picos y valles, el uso del WD 40 como lubricante disminuyo en casi a la mitad el aumento de la potencia, aunque la película de lubricante no fue probada por un largo periodo, y solo durante treinta segundos, el desgaste de la llanta y la generación de calor en la prueba en seco fue alta, mientras que la lubricada fue baja. Esta cerámica poseía el coeficiente de fricción más alto, de valores entre el 0,7 a 0,9, lo que indica que la fuerza requerida para superar la fricción del cuerpo ya que este coeficiente al aumentar genera una resistencia mayor. La cerámica lisa presento un aumento de un 16%, cerca de un 12% menor que la cerámica decorativa no lisa, y una disminución cercana del 5% con el lubricante con una generación de calor en seco mediana e igual desgaste y baja en lubricante. En este caso el porcentaje de aumento de potencia se asemeja mucho al del acero, el calor generado por la placa se asemejo al del acero, aunque esta fue un poco más alta que el acero. El acero posee un valor medio entre los porcentajes de aumento de la potencia, aunque su reducción en consumo con el lubricante obtuvo una disminución del 12%, siendo la segunda con mayor reducción con el uso de lubricante. La cerámica Lisa y el acero poseen coeficientes muy cercanos entre sí, esto puede indicar porque el aumento de la potencia es muy cercano entre ambos La fibra de vidrio presento valores de aumento en seco de casi un 13%, con poco desgaste de la llanta, mientras que la reducción con el uso de lubricante es de un 6%, el vidrio poseyó le menor aumento de potencia, con solo 3,8 en seco, aunque aumento a 5% mojado, esto puede deberse a que el instrumento usado para medir solo poseía una cifra significativa, y los valores obtenidos eran muy cercanos a los valores de la máquina sin carga y el milímetro es incapaz de dar una mejor resolución. El vidrio poseía el rango con menores valores de coeficientes de fricción por lo que indica el porqué su aumento de la potencia es la menor.

5. CONCLUSIONES El lubricante ayudo a disminuir el desgaste y el calor generado por la fricción entre ambos materiales. Tópicos de Metalurgia. ECIM


Acreditada CEAB


8

La disminución en el consumo de potencia con el uso de lubricante fue cercana a la mitad a excepción del vidrio donde se observo un aumento leve en el consumo de potencia.

6. BIBLIOGRAFÍA •

Avner. Sydney H. Introducción a la Metalurgia física, Segunda

edición, McGraw-Hill, México, 1995 •

Pat L. Mangonon. Ciencia de Materiales, selección y diseño.

Primera edición. Pearson Educación. Mexico 2001



Acreditada CEAB

INFORME FRICCION

Recommend Documents