U1-Impacto de la tribología en los costos de manufactura y medio ambiente.
1.1 Introducción a la tribología.
La palabra Tribología se deriva del término griego tribos, el cual entenderse como "frotamiento o rozamiento", así que la interpretación de la palabra puede ser, "la ciencia del rozamiento".
Los diccionarios definen a la Tribología como la ciencia y tecnología que estudia la interacción de las superficies en movimiento relativo, así como los temas y prácticas relacionadas. La Tribología es el arte de aplicar un análisis operacional a problemas de gran importancia económica, llámese, confiabilidad, mantenimiento, y desgaste del equipo técnico, abarcando desde la tecnología aeroespacial hasta aplicaciones domésticas. El entendimiento de las interacciones superficiales en una interface requiere tener conocimiento de varias disciplinas incluyendo la física, química, matemáticas aplicadas, mecánica de sólidos, mecánica de fluidos, termodinámica, transferencia de calor, ciencia de materiales, reología, lubricación, diseño de máquinas, desempeño y confiabilidad.
A través de la historia.
En sí, la Tribología podría parecer algo nuevo, pero solamente el término como tal lo es, ya que el interés en temas relacionados con la disciplina existe desde antes de que la historia se escribiera. Como un ejemplo, se sabe que las "brocas" realizadas durante el periodo Paleolítico para perforar agujeros o para producir fuego, eran "fijados" con rodamientos hechos de cornamentas o huesos.
Los documentos históricos muestran el uso de la rueda desde el 3500 a.c., lo cual ilustra el interés de nuestros antepasados por reducir la fricción en movimientos de traslación. Los egipcios tenían el conocimiento de la fricción y los lubricantes, esto se ve en el transporte de grandes bloques de piedra para la construcción de monumentos. Para realizar esta tarea utilizaban agua o grasa animal como lubricante.
El artista-científico renacentista Leonardo Da Vinci fue el primero que postuló un acercamiento a la fricción. Da Vinci dedujo la leyes que gobiernan el movimiento de un bloque rectangular deslizándose sobre una superficie plana, también, fue el primero en introducir el concepto del coeficiente de fricción. Desafortunadamente sus escritos no fueron publicados hasta cientos de años después de sus descubrimientos. Fue en 1699 que el físico francés Guillaume Amontons redescubrió las leyes de la fricción al estudiar el deslizamiento entre dos superficies planas. Muchos otros descubrimientos ocurrieron a lo largo de la historia referente al tema, científicos como Charles Agustín de Coulomb, Robert Hooke, Isaac Newton, entre otros, aportaron conocimientos importantes para el desarrollo de esta ciencia.
Al surgir la Revolución Industrial el desarrollo tecnológico de la maquinaria para producción avanzó rápidamente. El uso de la potencia del vapor permitió nuevas técnicas de manufactura. En los inicios del siglo veinte, desde el enorme crecimiento industrial hasta la demanda de una mejor tribología, el conocimiento de todas las áreas de la tribología se expandió rápidamente.
Fundamentos de la tribología.
La Tribología se centra en el estudio de tres fenómenos; la fricción entre dos cuerpos en movimiento, el desgaste como efecto natural de este fenómeno y la lubricación como un medio para evitar el desgaste.
Aplicaciones
La Tribología está presente en prácticamente todos los aspectos de la maquinaría, motores y componentes de la industria en general. Los componentes tribológicos más comunes son:
Rodamientos
Frenos y embragues
Sellos
Anillos de pistones
Engranes y Levas
Las aplicaciones más comunes de los conocimientos tribológicos, aunque en la práctica no se nombren como tales, son:
Motores eléctricos y de combustión (componentes y funcionamiento)
Turbinas
Extrusión
Rolado
Fundición
Forja
Procesos de corte (herramientas y fluidos)
Elementos de almacenamiento magnético
Prótesis articulares (cuerpo humano)
La aplicación de los conocimientos de la Tribología en estas prácticas deriva en:
Ahorro de materias primas
Aumento en la vida útil de las herramientas y la maquinaría
Ahorro de recursos naturales
Ahorro de energía
Protección al medio ambiente
Ahorro económico
Significado de la tribología en la industria
La tribología es crucial para la maquinaría moderna que utiliza superficies rodantes y/o deslizantes.
De acuerdo a algunos estimados, las pérdidas resultantes de la ignorancia en tribología en los Estados Unidos representan aproximadamente el 6% del total del producto bruto ($200 billones de dólares por año en 1966), y aproximadamente un tercio de los recursos energéticos existentes se pierden en forma de fricción. Por esto, la importancia de la reducción de la fricción y el desgaste para un ahorro de dinero y una confiabilidad a largo plazo de la maquinaria. Según Jost (1966,1976), el Reino Unido podría ahorrar aproximadamente 500 millones de libras al año, y los Estados Unidos llegarían a ahorrar hasta 16 billones de dólares al año utilizando mejores prácticas tribológicas. Este ahorro es significativo y puede obtenerse sin hacer una gran inversión de capital.
1.2 Tendencias de los costos de mantenimiento.
Partiendo de los porcentajes de las pérdidas económicas por la desatención de la lubricación planteada en el reporte jost, y considerando además los costos incurridos para el mantenimiento de plantas, las cifras de pérdidas económicas se muestran en la siguiente gráfica, se puede apreciar el ahorro potencial que representa la aplicación de las buenas prácticas tribológicas.
La lubricación es fundamental en los programas de mantenimiento y el análisis de aceite su herramienta principal. Para implementar un programa de mantenimiento basado en el análisis de aceite es indispensable entender el funcionamiento de un aceite lubricante, como parte de un sistema tribológico. Por esto, a continuación se define el sistema tribológico y se detalla la composición fisicoquímico de un aceite lubricante.
En la gráfica el Pareto presenta los desperdicios económicos en que se incurren en el mantenimiento de las plantas:
Reducción de mantenimiento y refacciones.
Reducción de pérdidas por dejar de producir.
Ahorros incrementar la vida útil de los equipos.
Ahorros de energía.
Ahorro de inversiones.
Ahorro en lubricantes.
Ahorro en mano de obra para la manufactura.
1.3 Tribología y medio ambiente
La tribología es la ciencia que estudia los fenómenos asociados a la fricción de los cuerpos en movimiento y sus efectos o consecuencias como calor, desgaste y agotamiento.
Esta disciplina toma en cuenta aspectos de la maquinaria industrial como el diseño, los materiales de las superficies en contacto, el sistema de aplicación de los lubricantes y el tipo de éstos, el medio circundante y, en términos generales, las condiciones operativas.
La Sociedad de Tribologistas e Ingenieros en Lubricación (STLE, por sus siglas en inglés) se fundó en 1944 y actualmente cuenta con 4,300 miembros reconocidos mundialmente, y tiene un acervo tecnológico que permite a la organización tener una trayectoria de solidez y seriedad.
Miguel González Bonnin, director general de esta agrupación, sección ciudad de México, destacó la importancia de esta ciencia, ya que gracias a su aplicación se obtienen mejoras en el desempeño de los equipos industriales y la elaboración de los productos, ayuda a conservar los recursos y a proteger el medio ambiente.
Durante la reunión anual de los miembros de la STLE en 2001, celebrada en Orlando, Florida (EU), se aprobó la primera sección de habla hispana de la organización: capítulo ciudad de México.
Ahí también se destacó el objetivo de impulsar la cooperación activa entre la industria y esta profesión, para el avance del conocimiento en la aplicación científica de la lubricación y todas sus ramas.
Entre los beneficios más importantes de la tribología hay que destacar un aumento considerable en la productividad de la industria, reducción de fallas mecánicas en los equipos, mayor confiabilidad en los procesos, incremento en la vida útil de los equipos, reducción de costos, cumplimiento de normas, así como control y reducción de emisiones contaminantes.
U2-Sistemas tribológicos y los tipos de fricción.
2.1 características que inciden en la fricción
a) Sistema Tribológico: Un sistema tribológico consta de las superficies de dos componentes que están en contacto móvil entre sí y su entorno. El tipo, progreso y extensión del desgaste se determina por los materiales y acabados de los componentes, cualquier material intermedio, las influencias del entorno y las condiciones de funcionamiento.
1 Objeto base
2 Cuerpo opuesto
3 Influencias del entorno: Temperatura, humedad relativa, presión
4 Material intermedio: Aceite, grasa, agua, partículas, contaminantes
5 Carga
6 Movimiento
b) El Concepto de Rugosidad: Durante la fricción de deslizamiento e independientemente de la rugosidad original de las superficies de trabajo, al finalizar el asentamiento, se obtiene para cada superficie del par una rugosidad que depende de las características de los materiales del par y de las condiciones de fricción, la cual se conserva en toda la etapa de trabajo, bajo una estabilidad del régimen de fricción en el proceso de asentamiento, la rugosidad inicial se transforma alcanzando una final de explotación, la que permanece en el posterior trabajo de las superficies.
Si fuera posible, alcanzar desde la etapa de elaboración de la superficie esta rugosidad no fuera necesario el periodo de asentamiento. Aunque siempre el asentamiento es necesario, este puede acortarse mientras más cercana este de la rugosidad inicial de la de trabajo, lo que a su vez reduce el desgaste, ya que el periodo de asentamiento es superior.
c) Contacto Elástico y Contacto Plástico: El área de la mecánica de contacto se ocupa del análisis de los cuerpos elásticos, visco elásticos o plásticos que se encuentran en contacto estático o dinámico. La mecánica de contacto es una disciplina fundamental dentro de la ingeniería para el diseño de sistemas técnicos basados en la seguridad y el ahorro de energía.
Los principios de la mecánica de contacto pueden ser aplicables en áreas como el contacto rueda-carril, mecanismos de acoplamiento, embragues, sistemas de frenos, neumáticos y rodamientos deslizantes, motores de combustión, articulaciones, juntas, remodelaciones, estudio de materiales, soldadura por ultrasonidos, contactos eléctricos y muchos otros. Los desafíos actuales en este campo incluyen desde la verificación de resistencia entre elementos de contacto y la influencia de la lubricación y el diseño de material en la fricción y el desgaste. Otras aplicaciones de la mecánica de contacto se amplían al campo del micro y nanotecnología.
Contacto entre una esfera y un semi espacio elástico
Contacto entre una esfera y un semi-espacio elástico.
Una esfera elástica de radio se hunde la profundidad en un semi-espacio elástico, creando así un área de contacto de radio. La fuerza necesaria toma la siguiente forma: con:
y son los módulos de elasticidad y son los coeficientes de Poison asociados a cada cuerpo.
Contacto ente 2 esferas
Dado un contacto entre dos esferas de radios y las ecuaciones siguen válidas, con el radio definido como:
La distribución de presiones en el área de contacto está dada por:
Con:
El máximo esfuerzo cortante se da en el interior con para
Contacto entre dos cilindros cruzados de mismo radio.
Esto es equivalente al contacto entre una esfera de radio y un plano, contacto entre un cilindro rígido y un semi-espacio elástico:
Contacto entre un cilindro rígido y un semi-espacio elástico.
Un cilindro rígido es presionado en un semi-espacio elástico, creando una distribución de presiones descrito por:
Con:
La relación entre la profundidad de la hendidura y la fuerza normal está dada por:
Contacto entre una hendidura cónica rígida y un semi-espacio elástico
Contacto entre una hendidura cónica rígida y un semi-espacio elástico.
En el caso del hundimiento de una hendidura cónica rígida en un semi-espacio elástico, la profundidad de la hendidura y el radio de contacto están relacionados por:
Con definido como el ángulo entre el plano y la superficie lateral del cono. La distribución de presiones toma la forma:
El esfuerzo tiene una singularidad logarítmica en la punta del cono (en el centro del área de contacto). La fuerza total se calcula:
d) Energía de Adhesión por Compatibilidad de los Materiales: En la actualidad existen varias teorías que tratan de explicar el fenómeno de adhesión de los adhesivos en los sustratos, actualmente no existe una teoría unificada que justifique todos los casos, es necesario el uso y combinación de las distintas teorías para justificar casos particulares.
Definición de adhesión: La adhesión corresponde a todas las fuerzas o mecanismos que mantiene unido el adhesivo con cada sustrato, el término de adhesión se refiere a una fina capa (capa límite) que existe entre el sustrato y el propio adhesivo.
En la definición de adhesión se utiliza 2 conceptos importantes a definir:
Fuerza o mecanismos que mantiene unido el adhesivo con cada sustrato.
Capa límite.
Las fuerzas o mecanismos se refieren tanto a las fuerzas creadas por las fuerzas intermoleculares, los enlaces químicos, así como mecanismos de anclaje mediante rugosidad, adsorción y difusión.
El fenómenos de adsorción se produce cuando parte de los polímeros del adhesivo entra en contacto con el sustrato pero no lo atraviesan, manteniéndose unidos a este mediante la acción de las fuerzas intermoleculares y/o enlaces químicos que se desarrollan en la zona de adhesión denominada capa límite o interface. Podemos definir la adsorción como la adhesión del adhesivo sin penetración al sustrato.
Por el contrario en el fenómeno de difusión parte los polímeros que conforma el adhesivos atraviesa al sustrato, generando puntos unión y anclaje entrelazando ambos materiales. Podemos definir la difusión como la adhesión del adhesivo con penetración al sustrato.
La capa límite se refiere a una fina capa correspondiente a las interfaces entre el sustrato y el adhesivo en donde se producen todas las fuerzas mencionadas anteriormente.
La adhesión está parame trizada bajo 2 conceptos:
Energía de adhesión: Representa la suma de todas las energías producidas por las interacciones (enlaces químicos, momentos dipolares, así como fuerzas electrostáticas y mecanismos de anclaje, adsorción y difusión.) que se desarrollan en la capa límite.
Trabajo reversible de adhesión: Representa el trabajo que tenemos que aplicar para superar la suma de todas las interacciones o fuerzas y mecanismos que se desarrollan en la capa límite.
Tal y como se ha citado anteriormente, existen diversas teorías y modelos que tratan de explicar el fenómeno de la adhesión, no existiendo actualmente un modelo unificado sobre la adhesión que explique todos los casos, las siguientes teorías son los modelos vigentes que explican el fenómeno de la adhesión:
Modelo mecánico
Teoría de la difusión
Teoría electrostática de la adhesión
Teoría termodinámica de la adhesión
Con objeto de garantizar la calidad de la adhesión entre dos materiales es importante cumplir los siguientes 2 parámetros:
Elección de la preparación y limpieza adecuada al sustrato que se quiere aplicar el adhesivo.
Elección correcta del adhesivo durante la fase del diseño, tanto por la compatibilidad del adhesivo con el sustrato, los efectos del envejecimiento que puede soportar el adhesivo, así como los coeficientes de expansión térmica de los sustratos.
El uso de ensayos destructivos permite evaluar la correcta adhesión de una unión según el tipo de fractura (cohesiva, adhesiva o mixta) y el valor de la resistencia de fractura obtenida del ensayo.
Los ensayos destructivos más habituales utilizados para evaluar la adhesión son:
Ensayos de cizalladora
Ensayos de torsión
Ensayos de pelado
Las probetas que se realizan para hacer estos tipos de ensayos pueden ser sometidas a condiciones climáticas, químicas o físicas previamente (luz ultravioleta, niebla salina…), con objeto de valorar el efecto del envejecimiento que puede soportar la adhesión durante la vida en uso de la unión.
El fenómeno de la adhesión es en la actualidad estudiado en los centros de investigación y desarrollo, dada la importancia que tiene este fenómeno en el campo de los adhesivos, puesto que el conocimiento al completo del fenómeno de la adhesión permitirá el desarrollo de adhesivos.
e) Acabados de las Superficies de Acuerdo al Tipo de Maquinado Utilizado: Acabado superficial abarca es un rango amplio de procesos industriales que alteran la superficie de un elemento de fabricación para lograr una propiedad determinada. Los procesos de acabado puede emplearse para: mejorar la apariencia, adhesión, soldadura, resistencia a la corrosión, resistencia, resistencia química, resistencia al desgaste, dureza, modificar la conductividad eléctrica, y otros defectos superficiales y control de la superficie de fricción. En casos limitados algunas de estas técnicas pueden utilizarse para restaurar dimensiones originales para salvar o reparar un artículo.
Los procesos de acabado de superficie pueden clasificarse por cómo afectan a la pieza:
Quitar o remodelación de acabado
Añadir o modificar acabado
Procesos mecánicos pueden también clasificarse juntos por terminar la final de la superficie de similitudes.
Lapeado.
En el Lapeado, el abrasivo se aplica en una suspensión sobre una superficie dura. Las partículas no pueden ser presionadas contra dicha superficie, dejándolas fijadas a la misma, por lo que ruedan y se mueven libremente en todas las direcciones. Las partículas de abrasivo arrancan pequeñas partículas de la superficie de la muestra, provocando en ella deformaciones profundas. Ello es debido a que la partícula de abrasivo, que goza de libertad de un movimiento, no es capaz de extraer una auténtica "viruta" de la superficie de la muestra. Por dicha razón, la velocidad de eliminación de material (la cantidad de material que es eliminado en un determinado periodo de tiempo) es muy baja durante el Lapeado, lo que hace que los tiempos de preparación sean muy largos. En el caso de los materiales blandos, las partículas de abrasivos a menudo son introducidas a presión en la superficie de la muestra, en la que quedan firmemente incrustadas. Tanto las deformaciones profundas como los gránulos incrustados son defectos extremadamente poco deseables en la preparación de muestras material gráficas. Por las razones expuestas anteriormente, el Lapeado solo se utiliza para la preparación de materiales quebradizos muy duros, como los materiales cerámicos y las muestras mineralógicas.
Proceso de Lapeado.
Tres posiciones de una superficie de abrasivo, pasando sobre la superficie de la muestra, rodando. Posición 1: La partícula empieza a introducirse en la superficie de la muestra. Posición 2: La partícula rueda y extrae un fragmento del material de la muestra por percusión. Debido al "efecto de martilleo" se producen deformaciones importantes en el material de la muestra. Posición 3: La partícula sigue rodando sin tocar ya la superficie de la muestra. Cuando la partícula vuelve a pasar de nuevo sobre la muestra, es extraído un nuevo fragmento, más pequeño o más grande, en función de la forma de la partícula.
Esmerilado.
El esmerilado consiste en la eliminación del material, mediante la utilización de partículas de abrasivos fijas, que extraen virutas del material de la muestra. El proceso de extracción de virutas con un grano de abrasivo de aristas vivas provoca el menor grado de deformación de la muestra, proporcionando simultáneamente la tasa más alta de eliminación de material. El pulido utiliza básicamente el mismo mecanismo que el esmerilado.
Pulido.
El pulido, como proceso, se ha descrito ya anteriormente junto con el esmerilado. El pulido incluye los últimos pasos del proceso de preparación. Utilizando de forma sucesiva tamaños de grano cada vez más pequeños y paños cada vez más elásticos, el pulido permite eliminar todas las deformaciones y rayas provocadas por el esmerilado fino. El riesgo del pulido radica en la aparición de relieves y en el redondeo de los bordes, como consecuencia de la elasticidad de los paños. Dichos inconvenientes se reducen utilizando unos tiempos de pulido tan cortos como sea posible
Desbarbado.
Las rebabas o barbas son montículos delgados que se forman en los bordes de una pieza debido al maquinado, al cizallado de láminas y en el recorte de forjas y piezas fundidas.
Entre sus efectos perjudiciales están: interferir con el ensamble de las partes, ocasionar atascamientos de las mismas, des alineamientos, y cortocircuitos en componentes eléctricos, además, pueden reducir la vida a la fatiga de los componentes.
En forma tradicional, éstas se han quitado siempre manualmente, lo cual puede ocupar hasta un 10% del costo de la pieza. En general, la economía del desbarbado depende de del grado de desbarbado requerido, la complejidad de la parte y el lugar de las barbas, así como de la cantidad de las partes.
Abrillantado.
Es muy parecido al pulido, sólo que se realiza con partículas muy finas sobre discos suaves de tela o piel. El abrasivo se suministra externamente con un lápiz de compuesto abrasivo.
Rectificado.
El rectificado es un proceso de remoción de virutas que utiliza un grano abrasivo individual como herramienta de corte. Las principales diferencias entre las acciones de grano y de herramienta de una punta son las siguientes:
1. Los granos abrasivos individuales tienen formas irregulares y están a distancias aleatorias en la periferia de la piedra.
2. El ángulo promedio de ataque de los granos es muy negativo, como por ejemplo: 60º o menos, lo que hace que las virutas del material sufran una deformación mayor que en los otros procesos de corte.
3. Las posiciones radiales de los granos varían.
4. Las velocidades de corte son, en general, muy altas, del orden de 30 m/s.
Maquina rectificadora
Electro pulido.
El electro pulido es un tratamiento superficial mediante el cual el metal a ser pulido actúa como ánodo en una celda electrolítica, disolviéndose. Con la aplicación de corriente, se forma un film polarizado en la superficie metálica bajo tratamiento, permitiendo a los iones metálicos difundir a través de dicho film. Las micro y macro proyecciones, o puntos altos de la superficie rugosa, lo mismo que zonas con rebabas, son áreas de mayor densidad de corriente que el resto de la superficie, y se disuelven a mayor velocidad, dando lugar a una superficie más lisa, nivelada y/o rebabada. Simultáneamente, y bajo condiciones controladas de intensidad de corriente y temperatura, tiene lugar un abrillantamiento de la superficie.
En aleaciones, como el acero inoxidable, se tiene además la ventaja adicional que, al ser el hierro un metal que se disuelve fácilmente, se incrementa el contenido de cromo y níquel en la superficie, aumentando así la resistencia a la corrosión.
En una escala macroscópica, el contorno de una superficie maquinada se puede considerar como una serie de picos y valles. La profundidad de los mismos y la distancia entre los picos dependen de los métodos utilizados para producir la superficie.
En una escala microscópica, la superficie es aún más compleja, con pequeñas irregularidades sobrepuestas a los picos y valles.
Con el fin de producir una superficie verdaderamente lisa, ambos tipos de irregularidades (macroscópicas y microscópicas) deben ser eliminadas.
Así, las funciones de un proceso de pulido ideal se pueden distinguir como:
a) Alisado: eliminación de las irregularidades a gran escala (tamaño superior a 1 micrón).
b) Abrillantado: remoción de pequeñas irregularidades de un tamaño inferior a centésimas de micrón.
Galvanizado.
La galvanización en caliente es un proceso mediante el que se obtiene un recubrimiento de zinc sobre hierro o acero, por inmersión en un baño de zinc fundido, a una temperatura aproximada de 450º C. A esta operación se la conoce también como galvanización por inmersión o galvanización al fuego. El proceso de galvanizado tiene como principal objetivo evitar la oxidación y corrosión que la humedad y la contaminación ambiental pueden ocasionar sobre el hierro.
Muleteado.
Muleteado de una superficie es la terminación que se le da a la misma para facilitar el agarre.
Puede realizarse por deformación, extrusión o por corte, este último de mayor profundidad y mejor acabado.
Anodizado.
El proceso de anodizado consiste en obtener de manera artificial películas de óxido de mucho más espesor y con mejores características de protección que las capas naturales, estas se obtienen mediante procesos químicos y electrolíticos. Artificialmente se pueden obtener películas en las que el espesor es de 25/30 micrones en el tratamiento de protección o decoración y de casi 100 micrones con el procedimiento de endurecimiento superficial (Anodizado Duro).
Podemos decir que el proceso de anodizado consiste en formar artificialmente una capa de óxido de aluminio en la superficie del metal, este procedimiento llevado a cabo en un medio sulfúrico produce la oxidación del material desde la superficie hacia el interior, como dijimos anteriormente el material que produce la oxidación, es oxido de aluminio, muy característico por su excelente resistencia a los agentes químicos, dureza, baja conductividad eléctrica y estructura molecular porosa, esta última junto con las anteriores, es la que nos permite darle una excelente terminación, características que la hacen adecuada y valiosa a la hora de elegir un medio de protección para este elemento.
Tabla de acabado superficial de acuerdo al material y tipo de acabado.
2.2 tipos de fricciones que se presentan en los elementos de máquinas.
FRICCIÓN DESLIZANTE: Se produce cuando dos superficies cualquiera en contacto directo se deslizan una sobre otra sin lubricación, ésta ocurre en los pistones, en los descansos planos o en su eje. La fricción es el movimiento relativo entre dos superficies cualquiera en contacto directo. Para producir un movimiento entre los cuerpos se necesita aplicar una fuerza mayor a la fricción adherente que existe entre ellos. Se produce fricción deslizante (mecánica) cuando dos cuerpos sólidos en contacto directo se deslizan uno sobre otro sin lubricación. En muchos procedimientos tecnológicos se utiliza lubricación para reducir el rozamiento. Otra manera de disminuir la fricción es la modificación superficial, que se obtiene cuando se remueven átomos o moléculas de la superficie de un material. La tribología es la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación de superficies en contacto.
FRICCIÓN RODANTE: Se produce cuando un cilindro o una esfera rueda sobre otra superficie sin lubricación, como sucede con una pelota o con un rodamiento. En este caso se necesita una fuerza menor para producir el movimiento, sin embargo, como no hay lubricación, siempre se puede esperar DESGASTE Y CALOR. Cuando un sólido rota a la vez que se traslada describir el movimiento con respecto a un SR inercial puede ser una tarea ardua, pero se simplifica si el sólido realiza lo que se conoce como rodadura, es decir, que gira sin deslizar. En este caso que existe una condición de ligadura que relaciona la velocidad con la que se traslada el CM y la velocidad angular de rotación del sólido. En una rodadura el punto de apoyo del sólido (por ejemplo, una esfera apoyada en un suelo horizontal) no sufre desplazamiento con respecto al suelo, o lo que es lo mismo, está instantáneamente en reposo.
Coeficiente estático y coeficiente dinámico
Existen dos tipos de rozamiento o fricción, la fricción estática (Fe) y la fricción dinámica (Fd).
El primero es la resistencia que se debe superar para poner en movimiento un cuerpo con respecto a otro que se encuentra en contacto con él. El segundo, es una fuerza de magnitud considerada constante que se opone al movimiento una vez que éste ha comenzado. En resumen, lo que diferencia a un rozamiento con el otro, es que el estático actúa cuando los cuerpos están en reposo relativo en tanto que el dinámico cuando están en movimiento.
El rozamiento estático es siempre menor o igual al coeficiente de rozamiento entre los dos objetos (número medido empíricamente y que se encuentra tabulado) multiplicado por la fuerza normal. El rozamiento cinético o dinámico, en cambio, es igual al coeficiente de rozamiento (denotado por la letra griega µ) por la normal en todo instante.
Un ejemplo bastante común de fricción dinámica es la ocurrida entre los neumáticos de un auto y el pavimento en una frenada brusca.
fe=fr=μϵmg
Dónde:
F: fuerza aplicada
Fr: la fuerza de rozamiento entre la superficie de apoyo y el cuerpo, y que se opone al deslizamiento.
P: el peso del propio cuerpo, igual a su masa por la aceleración de la gravedad.
N: la fuerza normal, con la que la superficie reacciona sobre el cuerpo sosteniéndolo.
Prescindiendo de los signos para tener en cuenta solo magnitudes, se puede reescribir la segunda ecuación de equilibrio dinámico:
fd=μdmg+ma, a=fdm-μdg
En el caso de rozamiento dinámico en un plano inclinado, se tiene un cuerpo que se desliza, y siendo que está en movimiento, el coeficiente que interviene es el dinámico, así como una fuerza de inercia Fi, que se opone al movimiento, el equilibrio de fuerzas se da cuando:
p+Fr+N+Fi=0
Con estas ecuaciones se determina las condiciones de equilibrio dinámico del cuerpo con fricción en un plano inclinado. Si el cuerpo se desliza sin aceleración (a velocidad constante) du fuerza de inercia Fi será cero, y se puede ver que:
psinα=μdPcosα
U3-Fallas de los elementos mecánicos por desgaste
3.1 Tipos de desgaste.
Desgaste abrasivo:
La Norma ASTM G40-92 define el desgaste abrasivo como la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas duras que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. La diferencia entre desgaste abrasivo y desgaste por deslizamiento es el grado de desgaste entre los cuerpos involucrados (mayor en el desgaste abrasivo), ya sea por la naturaleza, tipo de material, composición química, o por la configuración geométrica. Como se muestra en la siguiente, existen básicamente de los tipos de desgaste abrasivo, estos son: desgaste abrasivo a de los cuerpos o a tres cuerpos. En abrasión a de los cuerpos, el desgaste es causado por rugosidades duras pertenecientes a una de las superficies en contacto, mientras que la abrasión a tres cuerpos, el desgaste es provocado por partículas duras sueltas entre las superficies que se encuentran en movimiento relativo. Como ejemplo de desgaste abrasivo a dos cuerpos, se tiene un taladro penetrando una roca, mientras que a tres cuerpos se puede citar el desgaste sufrido por las mandíbulas de una trituradora al quebrar la roca, o por la presencia de partículas contaminantes en un aceite que sirve para lubricar de los superficies en contacto deslizante.
Mecanismos de desgaste abrasivo
El mecanismo más efectivo de remoción de material en desgaste abrasivo para materiales dúctiles es el corte. Aunque en función de determinadas variables del sistema y propiedades de los materiales involucrados, la eficiencia en la remoción de material bajo este mecanismo puede ser atenuada. Cuando esto ocurre, se dice que esté presente el mecanismo de micro surcado, donde la remoción de material solamente se da por acciones repetidas de los abrasivos, llevando a un proceso de fatiga de bajos ciclos. La figura siguiente muestra diferentes apariencias de la superficie en función de la carga, aplicada provocadas por un penetrador esférico de diamante de un material dúctil, en las cuales se pasa de micro surcado para micro corte. Estas micrografías fueron obtenidas en microscopio electrónico de barrido.
La proporción de material del volumen del surco desplazado durante el proceso de abrasión de un material dúctil a los lados del surco, es decir la relación entre micro surcado y micro corte depende del ángulo de ataque de la partícula abrasiva. De acuerdo a los investigadores Mulheram, Samuels y Sedriks, el material es sacado de la superficie por micro corte cuando el de la partícula erosiva es mayor que un valor crítico. Ese valor crítico del ángulo de ataque es función del material que esté siendo desgastado y de las condiciones de ensayo. Teóricamente α ángulo de ataque describe una transición aguda entre micro surcado y micro corte. En la práctica, una transición más gradual de micro surcado o micro corte es observado con el incremento del ángulo de ataque Autores como Stroud y Willian (1974), Buttery y Archard (1970) y Moore y Swanson (1983), discutieron el hecho, que solo una parte del volumen del surco producido por partículas duras, es inmediatamente removido como partículas de desgaste fuera del material, es resto se localiza en el borde en forma de proa. En materiales con micro constituyentes de plasticidad limitada, el mecanismo de micro corte acaba por ser característico, o sea, para una severidad de desgaste baja, se evidencia el micro surcado y hay una transición para micro fractura cuando alguna variable del sistema promueve aumento de severidad.
Desgaste por cavitación:
La cavitación es un problema frecuentemente encontrado en equipos hidráulicos, el cual genera gran dificultad para su mantenimiento. El problema de la cavitación surgió con el desarrollo de los barcos a vapor en el inicio de este siglo. Con la fabricación estos barcos, capaces de alcanzar mayores velocidades, algunos de ellos comenzaron a presentar un desgaste severo y localizado en sus hélices. Inicialmente se pensó que este desgaste se debía a la corrosión de los materiales de las hélices, siendo esta la responsable por el daño en dichos materiales, aprovechando su baja resistencia a la corrosión. Pero, al estudiarse el fenómeno más detalladamente, se descubrió que las hélices no sufrían desgaste cuando no estaban en funcionamiento y que este también ocurría en medios químicamente inertes. Así el desgaste solo podría ser debido a un fenómeno que ocurría durante el flujo de los fluidos frente a los materiales por los que pasaban.
En 1915 en Inglaterra se estudió este fenómeno por primera vez y se llegó a la conclusión que el desgaste era provocado por repetidos golpes hidráulicos que alcanzaban la superficie de las hélices durante su funcionamiento. Pero los mecanismos por los cuales este desgaste ocurría no quedaron claros y el fenómeno permaneció sin explicación hasta 1917. En este año, un artículo de autoría de Lord Rayleigh fue publicado. En el artículo, Rayleigh proponía un mecanismo para explicar el fenómeno. Este investigador dedujo en su hipótesis, que durante el flujo de un fluido pueden ocurrir caídas de presión que pueden alcanzar valores del orden de la presión de vapor del líquido en la temperatura de trabajo, provocando la nucleación de pequeñas burbujas de vapor. Estas burbujas son llevadas por el flujo y al alcanzar regiones de mayores presiones sufren un colapso violento y caótico que genera altas presiones y velocidades en las regiones próximas al colapso. Estas altas presiones y velocidades que surgen del colapso, provocan el desgaste de superficies sólidas próximas.
Como conclusión a esta teoría, hasta ahora la más aceptada, es que, el desgaste por cavitación se puede definir como aquel daño que ocurre en los materiales debido al crecimiento y colapso de pequeñas burbujas, que surgen debido a las variaciones de presión durante el flujo de un fluido.
Aunque hasta la fecha se ha tenido un enorme avance desde la publicación del artículo de Lord Rayleigh, un entendimiento completo del fenómeno aún esté lejos de ser alcanzado y aún es mucho lo que debe ser estudiado de este tópico. Los efectos que el desgaste por cavitación provocan, van desde la pérdida de eficiencia, hasta la inutilización completa del equipo. Hasta hoy no hay una manera de preverse el desgaste de un equipo sujeto a cavitación y las paradas para mantenimiento de un equipo aún son estipuladas con base en la experiencia de los operadores. Sin embargo hoy tenemos dos maneras de lidiar con el problema de la cavitación: uno es el desarrollo de materiales más resistentes y otro, es mejor el diseño de equipos hidráulicos evitando caídas de presión muy bruscas.
MECANISMOS DE DAÑO
Rayleigh mostró la posibilidad del surgimiento de elevadas presiones y velocidades debido al colapso de burbujas. En su trabajo utilizó un balance de energía para mostrar la posibilidad de surgimiento de altas presiones originadas en el colapso de las burbujas. De las suposiciones propuestas por Rayleigh, la que más influye es aquella donde afirma que la presión interna puede ser despreciada. En realidad siempre existir una cierta cantidad de aire o gases disueltos en el líquido, y en el interior de la burbuja siempre existirá vapor debido a su propia nucleación. Por otro lado la presión en el interior de la micro burbuja no puede ser despreciada. Parte de la energía de colapso es utilizada para comprimir los gases o vapores en el interior de la burbuja, los cuales alcanzan presiones y temperaturas muy altas. Las consecuencias de este hecho se pueden entender mejor de la siguiente forma. Durante el colapso, ocurre flujo de fluido en dirección a la burbuja, provocando aumento de presión en la interface burbuja/líquido y acelerando cada vez más la interface. El colapso se da de manera tan rápida que parte del vapor presente en la burbuja no tiene tiempo suficiente de condensarse. Así, el vapor (y también cualquier gas disuelto) ser comprimido a una alta presión que, eventualmente, será suficientemente alta para interrumpir el colapso y hacer con que la burbuja crezca nuevamente de forma explosiva, emitiendo ondas de presión o de choque, conforme se esquematiza en la figura siguiente:
Por lo tanto, existen dos mecanismos por los cuales el crecimiento y colapso de burbujas pueden causar daño al material en regiones vecinas al colapso: la emisión de ondas de choque y el micro chorro. La pregunta de sí el daño por cavitación es provocado por ondas de presión o por micro chorros es un asunto aún controversial en la literatura. Durante la década del 40 y 50, se creía que las ondas de presión eran el mecanismo responsable por el daño. Con el descubrimiento del micro chorros, fue entonces puesta atención a las presiones generadas por estos. Así que la pregunta aún no fue resuelta y la posición actual es que el daño es provocado por la acción conjunta de estos dos mecanismos.
Desgaste adhesivo:
La adhesión está asociada a toda formación y posterior rompimiento de enlaces adhesivos entre las interfaces, cuando dos superficies son colocadas en contacto íntimo. La adhesión conlleva además al soldado en frío de las superficies.
Con respecto al desgaste adhesivo, el papel principal lo juega la interacción entre las superficies y su grado de limpieza, es decir, cuando el acercamiento entre los cuerpos es tal, que no se presenta ningún tipo de impurezas, capas de óxido o suciedades, se permite que el área de contacto sea aumentada, pudiéndose formar uniones adhesivas más resistentes.
El desgaste adhesivo es ayudado por la presencia de altas presiones localizadas en las asperezas en contacto. Estas asperezas son deformadas plásticamente, permitiendo la formación de regiones soldadas localizadas. El desgaste adhesivo ocurre como resultado de la destrucción de los enlaces entre las superficies unidas, permitiendo que parte del material arrancado se transfiera a la superficie del otro. Así, la superficie que gana material aumenta su rugosidad con el agravante de que cuando el movimiento continua, se genera desgaste abrasivo contra la otra superficie.
Piezas de maquinaria donde esté normalmente involucrado el desgaste adhesivo, son. Sistemas, biela-seguidor, dados de extrusión-alambre, cola de milano-apoyo, engranajes, rodamiento-apoyo y herramientas de corte, son elementos que pueden sufrir desgaste debido a adhesión.
La unión entre las superficies en contacto son destruidas, en caso que la resistencia al corte de la interface sea menor que la resistencia de los dos materiales considerados. Puede suceder que la región adherida tenga mayor resistencia al corte que alguno de los dos materiales o incluso que los dos, por tanto se puede presentar desgarre en uno, o en los dos materiales, permitiendo que uno de ellos sea adherido a la otra superficie del otro o que los dos materiales pierdan la interface.
La tendencia a formar regiones adheridas, depende de las propiedades físicas y químicas de los materiales en contacto, al igual que de los valores de carga aplicados y las propiedades de los materiales que están sobre las superficies, y finalmente de la rugosidad. Generalmente el contacto entre metales es no metálico debido a la presencia de capas absorbidas como óxidos. La adhesión en este caso se da por medio de enlaces débiles o fuerzas de Van der Waals. Sin embargo, la deformación elástica o plástica de las asperezas puede provocar rompimiento de estas capas, por lo que la unión de la interface se da por medio de enlaces covalentes y metálicos, siendo los enlaces iónicos insignificantes en los metales.
Mientras la fuerza de adhesión dependa del área real de contacto, esta será influenciada por la resistencia de los materiales a la deformación plástica, por el tipo de estructura cristalina y por el número de sistemas de deslizamiento. El investigador Sikorski (1964) mostró que hay una fuerte tendencia a la adhesión de acuerdo al tipo de estructura cristalina que presenten los materiales. En la figura 13 es mostrada la dependencia del coeficiente de adhesión en función de la dureza y el tipo de estructura cristalina presente. Aquí el coeficiente de adhesión es definido como la relación entre la fuerza necesaria para quebrar las uniones adheridas y la carga normal con la cual las muestras fueron inicialmente comprimidas. De la figura es posible notar que a medida que aumenta la dureza, en general hay un decrecimiento del coeficiente de adhesión.
Desgaste erosivo y erosivo-corrosivo:
El desgaste erosivo es un fenómeno que afecta gran cantidad de elementos de máquinas en las industrias minera y alimenticia, así como: turbinas hidráulicas, implementos agrícolas, sistemas de bombeo y dragado en ríos y minas, al igual que piezas específicas usadas en las industrias petrolífera y petroquímica, entre otras muchas aplicaciones. Con este tipo de desgaste, no solo se tiene perdida de material y la consecuente falla de las piezas, sino que está asociado a perjuicios financieros en virtud del tiempo asociado a la reparación de equipos y substituciones de los componentes desgastados. El conocimiento de los mecanismos de remoción de material involucrados durante el desgaste erosivo, así como el reconocimiento y la caracterización de las diferentes variables involucradas, son líneas muy importantes de investigación en la ingeniería actual, así su estudio haya sido comenzado hace ya varias décadas.
Varias teorías que intentan entender y relacionar los diferentes mecanismos que actúan durante la erosión, con las variables involucradas, han sido desarrolladas en modelos matemáticos. Estos modelos se basan en hipótesis, que a veces limitan el análisis, ya que son realizados para aplicaciones muy específicas, orientadas a la solución de problemas particulares en procesos industriales. Muchos de estos modelos, aunque basados en líneas de pensamiento coherentes, están siendo actualmente estudiados nuevamente para perfeccionarlos. Desde este punto de vista, se está intentando modelar una teoría general del fenómeno de desgaste erosivo, para lo cual se han utilizado los principios básicos de la mecánica y de la termodinámica, combinados con la ciencia e ingeniería de materiales. Un fenómeno que acta de forma sinérgica con la erosión, es la corrosión, en general cuando el medio de trabajo es húmedo. La corrosión puede ser definida de acuerdo con literatura, como un fenómeno que deteriora un material (generalmente metálico), por acción química o electroquímica del medio ambiente, asociada o no a esfuerzos mecánicos. La acción combinada de estos procesos, corrosión y desgaste erosivo, resulta en la degradación acelerada de los materiales debido a su comportamiento sinérgico. El proceso de desgaste corrosivo en materiales que forman capas pasivas es acelerado cuando esta capa es débil, como en el caso de algunos aceros inoxidables auténticos.
Según [ZUM GAHR, 1978], el desgaste erosivo se presenta en la superficie de los cuerpos, resultado del impacto de partículas sólidas, líquidas o gaseosas que los impactan. Estas partículas pueden actuar solas o de manera combinada. La erosión afecta muchos materiales de ingeniería, especialmente elementos que componen maquinaria usada en la industria minera y en general toda pieza que sea impactada por cualquier tipo de partícula.
Las partículas que causan el desgaste erosivo pueden estar en ambientes secos o húmedos pudiendo actuar en forma muy variadas tal como se muestra en la figura siguiente. Cuando el medio de trabajo es húmedo (por ejemplo, un medio con agua y partículas de arena), la erosión y la corrosión son fenómenos que actúan en forma sinérgica, provocando la degradación acelerada de los materiales. Para el estudio del desgaste de piezas en general, se han propuesto en los últimos años varios modelos teóricos. En estos modelos se intentan comprender los mecanismos de remoción de material y las variables involucradas.
Desgaste por fatiga:
El desgaste por fatiga ocurre entre dos superficies en contacto (no necesariamente moviéndose tangencialmente), las cuales experimentan pequeñas oscilaciones cíclicas (del orden de 1 a 100 µm). Cuando algunas vibraciones aparecen en las superficies en contacto, ocurren pequeños deslizamientos en la dirección del movimiento relativo, esos pequeños deslizamientos son causa de desgaste por fatiga.
Desgaste por fatiga es comúnmente observado en los cubos de las ruedas de vehículos, entre las esferas y su camino de rodadura en un rodamiento de bolas, en los puntos de contacto entre dos engranajes, entre otros ejemplos.
El desgaste por fatiga puede conducir a la pérdida de las uniones de contacto de los cuerpos, incrementando la vibración y acelerando la tasa de desgaste. También se ha observado que en general los derbis (partículas de desgaste), son óxidos y como estos ocupan un mayor volumen que el material que los origina, pueden conducir a falla por Sisare (adhesión severa que conduce a soldado de las superficies), en partes diseñadas para trabajar con una determinada holgura. De esta forma la holgura será ampliada y los derbis tendrán la posibilidad de abandonar la interface más fácilmente. Un fenómeno asociado al daño por fatiga, es la aparición de grietas en la región afectada, lo que ocasiona reducción de la resistencia a fatiga del material, en caso que el componente experimente esfuerzos cíclicos.
El desgaste por fatiga es comúnmente estudiado en laboratorios, utilizando un sistema esfera-plano, donde son aplicadas tanto carga normal como carga tangencial. Como fue mostrado en el capítulo de la mecánica de contacto, cuando una esfera es presionada normalmente contra una superficie plana, se genera debajo de esta zona una distribución de presiones, obteniéndose una presión máxima en el centro y aproximadamente cero en el borde del contacto. Cuando además de aplicar una fuerza normal, se aplica una fuerza tangencial y está a la vez tiene la posibilidad de ser aumentada, se generan deslizamientos que cambian la distribución de presión y llevan a un desgaste de la zona de contacto, la cual varía de acuerdo a la intensidad de la fuerza tangencial, tal como se muestra en la figura siguiente.
3.2 Tipos de fallas.
Análisis de fallas de los rodamientos.
Más frecuentemente que no, al analizar fallas de rodamientos muchos fabricantes culparán a la lubricación como la causa. Sin embargo, existen usualmente factores externos que pueden ayudar a degradar la película protectora de aceite. Una inspección completa de rodamientos puede ayudar a determinar la causa real de falla, condiciones que usualmente señalarán como causa una resonancia inadecuada, desbalanceo y/o des alineamiento.
Las 10 fallas más comunes de falla:
Sobrecalentamiento: Decoloración de las pistas, los elementos rodantes y las jaulas de dorado a azul/negro.
Falso Brinelling: Marcas de desgaste elípticas en las pistas alineadas axialmente en la posición de cada bola con una terminación brillante y demarcación aguda. Indica vibración externa excesiva y normalmente ocurre cuando el rodamiento es almacenado en las cercanías de equipos vibrantes tales como compresores alternativos o motores estacionarios.
Brinelling verdadero: Ocurre cuando las cargas exceden el límite elástico del anillo. Las marcas se ven como indentaciones en las pistas que aumentan el ruido del rodamiento.
Carga revertida: Los rodamientos de contacto angular están diseñados para aceptar cargas axiales solamente en una dirección. Cuando se cargan opuestamente, el área de contacto elíptico en el anillo exterior se ve truncada por el hombro bajo en ese lado.
Desalineamiento: El trazo de desgaste de las bolas no es paralelo a los bordes de las pistas.
Ajuste flojo: Deslizamiento del anillo exterior provocado por ajuste inadecuado del alojamiento.
Ajuste apretado: Interferencia excesiva puede sobrecargar los elementos rodantes y producir un trazo de desgaste en el fondo de la pista.
Carga excesiva: Ajustes apretados, brinelling y pre-carga inadecuada pueden también provocar tempranas fallas superficiales por fatiga de tanto los elementos rodantes como las pistas dando una apariencia de "baches" a las superficies metálicas.
Corrosión: Manchas rojas/marrones en los elementos rodantes, pistas, jaulas o bandas son síntomas de corrosión.
Contaminación: Síntomas son dentado de las pistas y elementos rodantes que eventualmente provocan alta vibración. Otro síntoma es rayado profundo de la pista donde grandes partículas son "aplastadas" por los elementos rodantes.
Análisis de falla de los engranajes.
La falla más común en las transmisiones por engranajes metálicos cerradas, que están bien lubricadas y protegidas contra la contaminación es la picadura, mientras que en las transmisiones abiertas, mal lubricadas es la falla por desgaste.
En las Transmisiones por engranajes metálicos se pueden presentar diversos modos de fallas superficiales las cuales se agrupan en cuatro grandes grupos:
Fallas Superficiales en los dientes del engranaje
Falla del diente debido a la fatiga por contacto
Falla superficial por gripado
Fallas superficiales por deformaciones plásticas
1. Fallas Superficiales en los dientes del engranaje.
Las fallas que van menguando la capacidad y el rendimiento del diente en la superficie del engranaje, son fallas que pueden aparecer a largo plazo, el operario en muchos casos no se daría cuenta de que está ocurriendo, por lo que es importante conocer estas fallas para poder identificar la posible causa de su aparición y desarrollo para corregirla a tiempo antes de que ocurran pérdidas materiales. Dentro de este grupo se encuentran, las fallas por fatiga superficial, fallas por desgaste, fallas por gripado y otras.
2 Falla del diente debido a la fatiga por contacto.
Producto de la carga aplicada en la superficie del diente se generan grietas que se extienden por debajo de ésta hasta provocar el desprendimiento de pequeñas partículas de material. La principal propiedad mecánica que ofrece resistencia a este tipo de falla es la dureza superficial del material.
3 Falla superficial por gripado.
Se define como un daño localizado, causado por la soldadura de la fase sólida entre superficies que se deslizan. Es acompañado por la transferencia de metal de una superficie a otra debido a la soldadura, esto puede ocurrir en cualquier contacto por deslizamiento o rodadura donde la película del lubricante no tiene el espesor suficiente para separar las superficies. Los síntomas son asperezas microscópicas, superficies con un acabado tipo mate. Los análisis de la superficie muestran transferencia de metal de un cuerpo a otro.
El gripado puede ocurrir en los dientes de engranajes que operan en un régimen de lubricación límite. Si el espesor de la película no es lo suficientemente grueso, como para evitar el contacto entre las superficies de los dientes de los engranajes, ésta puede romperse y la superficie descubierta, soldarse.
En contraste con la picadura o la fatiga por flexión, las cuales ocurren después de un período de operación determinado, el gripado puede aparecer inmediatamente después de ponerse en marcha el equipo. De hecho, los engranajes son más vulnerables al gripado cuando son nuevos y las superficies no se han asentado.
Los mecanismos básicos del gripado, no están claramente definidos, por lo general se considera que es causado por una generación intensa de calor friccionar, generado por la combinación de altas velocidades de deslizamiento y una intensa presión de contacto. La teoría de la Temperatura crítica de Block es considerada como el mejor criterio para predecir el gripado. Esta falla se presenta principalmente, cuando existe deslizamiento bajo condiciones de lubricación límite.
4. Fallas superficiales por deformaciones plásticas.
Las deformaciones plásticas tienen lugar en los dientes cargados fuertemente de las ruedas dentadas de acero, bajo la acción de las fuerzas de rozamiento. En estas fallas la superficie de los flancos puede entrar en fluencia, arrastrando material por la acción del deslizamiento, apareciendo estrías o rebabas en la cabeza. Las partículas de metal de la capa superficial de los dientes de la rueda conductora, se alejan del polo y los dientes de la rueda conducida que se acercan al polo; como resultado de esto, sobre los dientes impulsores se forman surcos a lo largo de la línea polar, y en los dientes impulsados, crestas. Estas deformaciones plásticas aparecen con más intensidad en los dientes de acero con dureza poco elevada, particularmente con insuficiencia de lubricación y en las transmisiones de pequeña velocidad.
Análisis de falla de levas.
La posible causa de la falla de un árbol de levas de un motor de combustión interna proveniente de motor de seis cilindros en línea. Un análisis morfológico muestra micro grietas, provenientes de un conducto central, marcas de maquinado severo y defectos probablemente producidos por maquinado de desbaste rápido y severo en zonas críticas de diseño y altos concentradores de esfuerzo. Sumado a esto se presentan, y debido a la naturaleza de las cargas de trabajo de un eje de levas, en los puntos de concentración de esfuerzos, esfuerzos fluctuantes que según el análisis realizado se deduce que no indujeron una falla por fatiga. Se realizó un análisis de Fluorescencia de Rayos X (XRF) para establecer el material del cual estaba fabricado el eje. Este análisis comprueba las recomendaciones para selección de materiales dadas por varios autores en el área de diseño de ejes. Con base en los datos técnicos del vehículo, se establecieron las cargas a las que estaba sometido el árbol de levas. Por último se utiliza el criterio de Griffith para estimar un punto de falla. La presencia simultánea de estos factores disminuyó la resistencia efectiva del eje, creó las condiciones adecuadas para la fractura en forma frágil y abrupta.
Análisis de fallas en cojinetes.
SUCIEDAD EN EL CIRCUITO DE LUBRICACIÓN
La presencia de partículas de suciedad en el circuito de lubricación es una de las causas más frecuentes de daño de los cojinetes. Su origen suele estar en una limpieza insuficiente del motor. En función de la naturaleza y el tamaño de las partículas de suciedad, el cojinete presenta rayas circunferenciales de mayor o menor entidad, normalmente acompañadas de restos del material contaminante que han quedado incrustados en su superficie.
SUCIEDAD EN EL RESPALDO DEL COJINETE
La presencia de una partícula atrapada entre el respaldo del cojinete y su alojamiento provoca una zona levantada con riesgo de interferir con el eje. Esto tiene su reflejo en la zona opuesta a la partícula, en la superficie interior del cojinete, que presenta un fuerte desgaste localizado.
FALLO EN EL CIRCUITO DE LUBRICACIÓN
La ausencia total de lubricación del sistema eje-cojinete conduce al gripado del cojinete, normalmente con la destrucción total de la pieza. No obstante, es más frecuente el fallo por lubricación insuficiente, en el que la cantidad de lubricante que llega al sistema eje-cojinete no permite mantener la película de aceite y se produce el contacto entre las dos piezas. El funcionamiento prolongado en esas condiciones también produce la destrucción total del conjunto.
ROTURA DE UN RETÉN
En el ejemplo de la fotografía, la rotura del retén del cigüeñal provocó el escape del aceite por ese extremo. La pista de la pareja de semicojinetes próxima al retén presenta síntomas de gripado, debido a la rotura de la película lubricante por pérdida de presión de aceite. La ranura de engrase circunferencial actuó de barrera del defecto, de forma que la otra pista de los semicojinetes junto con las otras dos parejas del juego presenta sólo zonas brillantes signo de una lubricación insuficiente.
COJINETE INVERTIDO
Cuando por error se coloca un cojinete sin taladro en una posición en la que debería llevarlo, por ejemplo, intercambiando la posición superior e inferior de una pareja de semicojinetes de bancada, se anula completamente la entrada de lubricante a ese apoyo. En consecuencia, también se anula la lubricación a la muñequilla a través de estos taladros, resultando el gripado del cojinete afectado. Se puede observar en el dorso del cojinete que el orificio de lubricación ha sido obturado.
ALOJAMIENTO MAL RECTIFICADO (FACETADO O POLIGONAL)
Si el rectificado del alojamiento es defectuoso por vibraciones de la máquina o por alguna otra causa que origine un error de redondez acusado, el cojinete copia el defecto de forma de su alojamiento. Presentará franjas de fuerte desgaste alternando con franjas de aspecto normal. Este defecto puede derivar en fatiga de la aleación.
INTERFERENCIA CON EL RADIO DE ACUERDO
Si durante una reparación se incrementa el valor del radio de acuerdo de la muñequilla o del apoyo de bancada con el brazo del cigüeñal, el lateral del cojinete puede interferir con dicho radio, impidiendo además el flujo de salida del lubricante. En la fotografía el cojinete presenta un daño incipiente, con el borde redondeado debido al frotamiento con el radio de acuerdo del cigüeñal.
ERRORES DE FORMA DEL EJE: CÓNCAVO, CONVEXO O CÓNICO
Si la muela de rectificar tiene excesivo desgaste, el cigüeñal copiará sus errores de forma. Esto conduce a que las holguras no sean las mismas en toda la superficie del cojinete, y por tanto la distribución de la carga tampoco. Esto provoca un aceleramiento del desgaste en las zonas más cargadas al existir una lubricación inapropiada. Se pueden tener ejes con zonas parcialmente cónicas, cóncavas o convexas. En la figura podemos observar un cojinete dañado que ha sido montado en un eje parcialmente cónico.
DESALINEACIÓN ENTRE EJE Y ALOJAMIENTO
Existen varias causas que originan una desalineación entre el cigüeñal y los alojamientos del bloque: errores de mecanizado, flexión del cigüeñal, deformación del bloque... Estos defectos producen desgaste localizado en algunos cojinetes de bancada, que tiende a disminuir en los cojinetes contiguos.
APRIETE INSUFICIENTE
El contacto total entre el respaldo del cojinete y el alojamiento es fundamental para que exista una buena transmisión del calor y un correcto asentamiento de la pieza. Si el ajuste es insuficiente, el cojinete se moverá dentro del alojamiento y se observará en el respaldo brillos debido al rozamiento con el alojamiento. En otras ocasiones se observarán manchas oscuras debidas a aceite quemado que se ha introducido entre ambas superficies.
SOBRECARGA
Cuando las condiciones de funcionamiento provocan una carga excesiva sobre los cojinetes, se produce el daño por fatiga del material. La rotura se inicia perpendicular a la superficie del cojinete y progresa en otras direcciones, originando el desprendimiento de pequeños trozos de aleación.
CORROSIÓN
Un aceite en mal estado puede dañar la superficie del cojinete. Este efecto es debido a la dilución del plomo de la aleación por parte de algunos compuestos formados en el aceite deteriorado.
CAVITACIÓN
En determinadas condiciones de funcionamiento, la presión de aceite disminuye localmente y se originan burbujas de vapor que dañan la superficie del cojinete. Este daño se presenta en las zonas del cojinete donde el flujo de aceite presenta discontinuidades, como ranuras de engrase o taladros.
Análisis de falla de cadenas mecánicas.
La especificación de la cadena en relación a su capacidad para transmitir potencia considera tres modos de falla diferentes:
Fatiga de las placas de los eslabones por aplicación sucesiva de la tensión en el lado flojo de la cadena.
Impacto en los rodamientos conforme se enlazan con los dientes de la rueda dentada.
Raspaduras entre los pernos de cada eslabón y los bujes.
Las especificaciones se basan en datos empíricos con un impulsor suave y una carga suave (factor de servicio = 1) y una vida útil especificada de 15000 horas aproximadamente. Las variables importantes son el paso de la cadena, el tamaño y la velocidad de giro de la rueda dentada más pequeña. La lubricación es de fundamental importancia para un buen funcionamiento de la cadena.
U4-Lubricación
4.1 Tipos de películas lubricación.
Película Hidrostática
En la película hidrostática la capa de lubricante se garantiza gracias al suministro de un fluido a presión en la zona de contacto. Será esa presión exterior la encargada de mantener la separación de los dos cuerpos.
Es muy apropiada para velocidades relativas de deslizamiento bajas o, incluso, para los momentos de arranque en las diferentes máquinas o mecanismos. El nivel de rozamiento es muy bajo en este régimen de lubricación.
Existen dos tipos de cojinetes hidrostáticos:
Caudal constante
Presión constante
Si las cargas son excéntricas, el gradiente o caída de presión no es constante. Para evitar la excentricidad se recurre a varios apoyos con bombas distintas. En general, el tipo más utilizado es el de presión constante, ya que son más pequeños y baratos (se necesita sólo una bomba). Es importante tener en cuenta que el elemento regulador puede consistir, simplemente, en un capilar. Una aplicación muy importante de este régimen de lubricación, es en el arranque de varias máquinas. Para que se forme la capa de aceite en régimen hidrodinámico, el eje tiene que tener una velocidad mínima. Si se arranca desde parado, se utiliza la lubricación hidrostática al principio hasta que se alcanza la velocidad suficiente. Una vez alcanzada la velocidad necesaria, se genera la cuña hidrodinámica que es capaz por si misma de mantener la película de aceite.
Película Hidrodinámica
La película hidrodinámica se tiene cuando al girar el eje arrastra al aceite creando zonas de sobrepresión y de depresión. Llegado un determinado momento, se crea una cuña hidrodinámica a presión que mantiene separados los dos cuerpos sin ningún aporte de presión exterior. La formación de la cuña hidrodinámica depende fundamentalmente de los siguientes factores:
Viscosidad del lubricante.
Velocidad en el movimiento relativo entre los elementos, cojinete y gorrón.
Huelgo radial entre los dos elementos.
Carga radial del eje.
La teoría actual de la lubricación hidrodinámica tuvo su origen en el laboratorio de Beauchamp Tower en los primeros años de la década de 1880 en Inglaterra. Este investigador estaba encargado de estudiar la fricción en los cojinetes de los ejes de los vagones de ferrocarril y de determinar los mejores métodos para lubricarlos. Fue un accidente o un error durante el curso de esta investigación, lo que lo llevó a analizar el problema con mayor detalle, y de esto resultó un descubrimiento que finalmente condujo al desarrollo de la teoría.
Película Elastohidrodinámica
La película elastohidrodinámica se genera en los contactos altamente cargados, que pueden ser:
Lineales (engranajes).
Puntuales (rodamientos de bolas).
Como consecuencia de las cargas elevadas en los contactos se tienen:
Aumento de viscosidad en el aceite.
Deformaciones elásticas en los cuerpos.
Dado que la viscosidad aumenta debido a la alta presión, la distribución de presión aumenta, con lo que también lo hace la capacidad de carga. Para cuantificar la teoría de la lubricación elastohidrodinámica, es necesario conjugar las siguientes ecuaciones:
Ecuación de la viscosidad en función de la presión
Ecuación diferencial de Reynolds.
Ecuaciones de la deformación elástica de los cuerpos.
Para resolver el sistema de ecuaciones anterior es necesario recurrir a métodos numéricos.
La lubricación elastohidrodinámica comienza con la ecuación analítica de Grubin en 1949. Posteriormente, Weber, Saafeld y Pretrusevich proporcionan soluciones parciales del sistema de ecuaciones. Es a partir de 1959, con Dowson y Higginson cuando se avanza de verdad en este campo, con la realización de multitud de experimentos que permitieron la cuantificación de la distribución de presiones.
Película mixta y límite
En la lubricación elastohidrodinámica, el espesor mínimo de película depende de la viscosidad, de la velocidad y de la presión.
Si aumenta la presión, la película disminuye y se produce contacto metal-metal debido a las rugosidades. Esta situación da lugar a la lubricación mixta.
Si se denomina:
Se tiene que para "λ" comprendido entre 1 y 3'5, el régimen de lubricación es mixto y que para "λ" menor que 1, toda la carga la soportan los elementos. No existe película y se tiene lubricación límite. Para un valor de "λ" igual a 2, el desgaste afecta sólo a las rugosidades, lo que constituye un desgaste perfectamente admisible.
En el caso de lubricación límite, la importancia de la viscosidad disminuye pero aumenta mucho la importancia de la untuosidad. De igual modo, adquiere importancia la composición química de las piezas en contacto.
La misión del lubricante en el caso de lubricación límite sigue siendo la de reducir el contacto sólido-sólido, mediante el esfuerzo de cortadura en el seno del mismo. Esto se consigue con:
Moléculas largas con grupo polar.
Alta adherencia.
Punto de vaporización alto.
4.2 Tipos de lubricantes.
