UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE D E NA N AYARI ARIT T INGENIERÍ A EN MANTENIMIENTO INDUSTRIAL
M.C. Pedro Gallegos Nolasco Cuatrimestre: Sep-Dic Cuatrimestre: Sep-Dic de 2010
UNIDAD II
El Sistema Tribológico y los tipos de Fricción
Objetivos Después de completar esta unidad, el alumno deberá ser capaza de: •
• •
Identitififica Iden cará rá la lass pa part rtes es qu quee co cons nstititu tuye yenn un si sist stem emaa tribológico para localizar posibilidades de reducción de fricción mediante el reconocimiento de tipos de fricción y los factores (variables) que la originan. Conocer los diferentes tipos de fricción que se generan en los elementos de máquinas. Definir y calcular los coeficientes de fricción cinética y estática, y dar la relación de fricción a la fuerza normal.
TEMA 2.1. SISTEMA TRIBOLÓGICO En los estudios de fricción y desgaste el término más utilizado es la noción de sistema tribológico. Un sistema tribológico consta de las superficies de dos compo pone nenntes qu quee 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 inter erm medio io,, las influenci ciaas del entorno y la lass condiciones de funcionamiento.
Un sistema tribológico, se identifica como un par mecánico y se caracteriza por los siguientes parámetros:
Características geométricas de las superficies en contacto. Propiedades de los materiales de los constituyentes del tribo-sistema: cuerpos sólidos, lubricantes (si es el caso) y el ambiente Régimen cinemático, indicado por las velocidades relativas de los cuerpos en contacto. Régimen dinámico (la carga norrma no mall so sobr bree la su supe perf rfic icie ie de contacto y la fuerza de fricción asociada.
Componentes de un sistema tribológico
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
Aunque nominalmente homogéneos, los sistemas tribológicos, prácticos, son absolutamente heterogéneos ya que técnicamente las condiciones de fricción remiten a un fenómeno simultáneamente afectado tanto por parámetros directos (condiciones de operación), como por variables indirectas de naturaleza termodinámica, es decir, las superficies evolucionarán en el tiempo, y lo harán de manera nolineal, transformando la fricción en un atributo local in-situ de 3er. cuerpo del sistema (o componente).
En otras palabras, existirá más de una probabilidad condicional de falla tribológica fuertemente afectada por esos heterogéneos factores aleatorios-indirectos de naturaleza termodinámica, de manera que el sistema tribológico colapsará básicamente por la complejidad inherente que siempre acompaña internamente a los parámetros de operación de los equipos. Tribosistema
Por ejemplo: Trituradora mecánica Entrada – Movimiento y material Salida – Material Pérdidas – Fricción y desgaste
Ejemplo de sistema tribológico: Ruedas de vehículos
automotores y trenes de aterrizaje de aviones
s o c i g e ó d l s o o b i l r p t m s e a j E m e t s i s
TEMA 2.1. FRICCIÓN EN ELEMENTOS DE MÁQUINAS Introducción:
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, encender un cerrillo, fabricar piezas en un torno ó en una fresadora, etc.; pero es completamente improductiva en los elementos de una máquina, los cuales podrían fallar 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.
Problemática: •
Es muy importante el análisis de ingeniería 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 un valor aceptable.
Equilibrio en un sistema:
Hasta que inicia el movimiento, todas las fuerzas sobre la podadora están balanceadas. La fricción sobre los cojinetes de las ruedas y en el suelo se oponen al movimiento lateral.
Premisas sobre la Fricción: 1. La fuerza de fricción es directamente proporcional al coeficiente de fricción y al peso del cuerpo en movimiento. 2. La fuerza de fricción depende del área (microscópica) real de contacto y no del área aparente del cuerpo deslizante.
Definición de Fricción: 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 lamentables.
Cálculo de la fuerza de Fricción: •
La fuerza de fricción se calcula de la siguiente ecuación: F = f x W
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).
Ejemplos de Fricción:
Tipos de Fuerza de Fricción: •
La fuerza de fricción, puede ser estática ó cinética. Fuerza de fricción estática (FE ) Fuerza de fricción cinética (FK )
Fuerzas de fricción Cuando dos superficies están en contacto, las fuerzas de fricción se oponen al movimiento relativo o al movimiento inminente.
P
Fricción estática: No movimiento relativo.
Las fuerzas de fricción son paralelas a las superficies en contacto y se oponen al movimiento o movimiento inminente. Fricción cinética: Movimiento relativo.
Fricción y fuerza normal
4N
8N
n 2 N
12 N
n 4N
n 6N
La fuerza que se requiere para superar la fricción estática o cinética es proporcional a la fuerza normal, n.
f s = m s n
f k = m k n
Características de las fuerzas de fricción Las fuerzas de fricción son independientes del área.
4N
4N
Si la masa total que jala es constante, se requiere la misma fuerza (4 N) para superar la fricción incluso con el doble de área de contacto. Para que esto sea cierto, es esencial que TODAS las otras variables se controlen estrictamente.
Las fuerzas de fricción son independientes de la temperatura, siempre que no ocurran variaciones químicas o estructurales.
4N
4N
A veces el calor puede hacer que las superficies se deformen o vuelvan pegajosas. En tales casos, la temperatura puede ser un factor.
Las fuerzas de fricción son independientes de la rapidez.
5 m/s
2 N
20 m/s
2 N
La fuerza de fricción cinética es la misma a 5 m/s o a 20 m/s. De nuevo, debe suponer que no hay cambios químicos o mecánicos debido a la rapidez.
Fuerza de fricción estática (FE )
Es una fuerza negativa y mayor que la fuerza aplicada la cual no es suficiente para iniciar el movimiento de un cuerpo estacionario.
Se genera debido a la rugosidad microscópica de dos superficies, que interactúan y se entrelazan.
Entre estas superficies se generan enlaces iónicos y microsoldaduras formadas por la humedad y el oxigeno del aire.
La fuerza de fricción estática Cuando se intenta mover un objeto sobre una superficie, la fricción estática aumenta lentamente hasta un valor MÁXIMO.
n
P
f s
f s m s
n
W
En este módulo, cuando se use la siguiente ecuación, se refiere sólo al valor máximo de la fricción estática y se escribe simplemente: f s = m s n
Movimiento constante o inminente Para el movimiento que es inminente y para el movimiento con rapidez constante, la fuerza resultante es cero y SF = 0. (Equilibrio)
P
f s Reposo
P – f s = 0
P
f k
Rapidez constante
P – f k = 0
Aquí el peso y las fuerzas normales están balanceadas y no afectan al movimiento.
Fricción y aceleración Cuando P es mayor que el máximo f s la fuerza resultante produce aceleración. a
f k
P Rapidez constante
f k = m k n
Note que la fuerza de fricción cinética permanece constante incluso mientras aumenta la velocidad.
Fuerza de fricción cinética (F K )
Es una fuerza negativa que se presenta cuando un cuerpo se mueve con respecto a otro, se opone al movimiento y es de magnitud constante. La fuerza de fricción cinética entre dos cuerpos que se mueven se clasifica en cuatro tipos: 1. 2. 3. 4.
Metal - metal Sólida Mixta Fluida
1. Fuerza de fricción cinética metal-metal
Tiene lugar cuando la rugosidad de una superficie metálica desliza directamente sobre la otra y el sistema tribológico está constituido por dos cuerpos sólidos, entre los cuales no hay un tercer elemento sólido ó fluido que los separe.
Características:
Puede ser de alta ó de mediana intensidad, dependiendo del tipo de materiales en contacto.
Ocasiona en la mayoría de los casos que las superficies de fricción de los componentes de la máquina se suelden y la falla sea catastrófica, debido a la gran cantidad de calor generado cuando las crestas altas y pequeñas chocan, se deforman elásticamente y luego plásticamente hasta fracturarse.
Ocurre de manera transitoria cuando los mecanismos lubricados de una máquina se ponen en operación ó se detienen y la condición final de lubricación es Elastohidrodinámica ó fluida.
2. Fuerza de fricción sólida-cinética: •
Se presenta de manera transitoria siempre que los componentes de la máquina inician su movimiento ó paran.
Características:
Depende del tipo de aditivo antidesgaste que tenga el lubricante utilizado.
Es de regular intensidad, y conlleva a un bajo nivel de desgaste adhesivo.
Puede conllevar a altos niveles de desgaste adhesivo cuando la película lubricante es fluida y se rompe debido a condiciones mecánicas u operacionales anormales en el mecanismo lubricado.
3. Fuerza de fricción mixta cinética: •
Se presenta de manera permanente cuando los mecanismos lubricados de una máquina trabajan bajo condiciones de lubricación Elastohidrodinámica (EHL).
Características: Depende
del tipo de aditivo extrema presión y de las características del lubricante utilizado.
Es
de mediana intensidad y conlleva a un nivel de desgaste adhesivo moderado, que se presenta en los componentes lubricados durante el funcionamiento de la máquina.
Se
puede minimizar cuando se requiere un lubricante con un aditivo extrema presión de tipo EP1 y se utiliza un EP3 y se puede incrementar cuando se requiere un EP3 y se pasa a un EP1 .
Fuerza de fricción fluida cinética: Tiene
lugar cuando las superficies de fricción se mueven la una con respecto a la otra completamente separadas por un tercer elemento que por lo regular es un fluido.
Características: 1. Para un mismo espesor de película lubricante, depende de si el lubricante utilizado es mineral, sintético ó vegetal. 2. En el caso del aceite mineral se define como la resistencia que presentan al corte las laminillas que constituyen la película lubricante, un valor típico es de 0,008. 3. En el caso de los aceites sintéticos como la resistencia a la rodadura de las esferas de igual diámetro que constituyen la película lubricante, un valor típico es de 0,006. 4. En el caso de los aceites vegetales como la resistencia a la rodadura de las esferas de diferente diámetro que constituyen la película lubricante, un valor típico es de 0,007.
Tabla de características de los compuestos y principales aplicaciones
Coeficientes de rozamiento de algunas sustancias Materiales en contacto
Articulaciones humanas Acero // Hielo Acero // Teflón Teflón // Teflón Hielo // Hielo Esquí (encerado) // Nieve (0 °C) Acero // Acero Vidrio // Madera Caucho // Cemento (húmedo) Madera // Cuero Caucho // Madera Acero // Latón Madera // Madera Madera // Piedra Vidrio // Vidrio Caucho // Cemento (seco) Cobre // Hierro (fundido)
Coeficiente Coeficiente estático dinámico
0,02 0,03 0,04 0,04 0,1 0,1 0,15 0,2 0,3 0,5 0,7 0,5 0,7 0,7 0,9 1 1,1
0,003 0,02 0,04 0,04 0,03 0,05 0,09 0,25 0,25 0,4 0,6 0,4 0,4 0,3 0,4 0,8 0,3
Ejemplo 1: Si m k = 0.3 y m s = 0.5, ¿qué jalón horizontal P se requiere para apenas iniciar el movimiento de un bloque de 250 N? 1. Dibuje bosquejo y diagrama de cuerpo libre como se muestra.
n f s
P +
W
2. Mencione lo conocido y etiquete lo que se encontrará: mk = 0.3; ms = 0.5; W = 250 N Encontrar: P = ¿ ? Para apenas comenzar
3. Reconozca movimiento inminente: P – f s = 0
Ejemplo 1 (cont.): m s = 0.5, W = 250 N. Encontrar P para superar f s (máx) . Aplique fricción estática.
n f s
Para este caso: P – f s = 0
P +
4. Para encontrar P necesita conocer f s , que es: f s = msn
250 N 5. Para encontrar n:
n=?
SFy = 0
n – W = 0
W = 250 N
n = 250 N
(continúa)
Ejemplo 1 (cont.): ms = 0.5, W = 250 N. Encontrar P para superar f s (máx) . Ahora se conoce n = 250 N. 6. A continuación encuentre f s a partir de: f s = msn = 0.5 (250 N) 7. Para este caso: P – f s = 0
P = f s = 0.5 (250 N)
P = 125 N
n f s
P +
250 N m s
= 0.5
Esta fuerza (125 N) es necesaria para apenas iniciar el movimiento. Considere a continuación P necesaria para rapidez constante.
Ejemplo 1 (cont.): Si m k = 0.3 y m s = 0.5, ¿qué jalón horizontal P se requiere para mover con rapidez constante? (Superar fricción cinética).
SFy = may = 0 mk =
0.3
n-W=0
n
P
f k
+ mg
P = (0.3)(250 N)
n=W
Ahora: f k = mk n = mk W SFx = 0;
P - f k = 0
P = f k = mk W
P = 75.0 N
La fuerza normal y el peso La fuerza normal NO siempre es igual al peso. Los siguientes son ejemplos:
P n
Aquí la fuerza normal es menor que el peso debido al componente ascendente de P.
300
m
W
P n
W
Aquí la fuerza normal es igual sólo al componente del peso perpendicular al plano.
Repaso de diagramas de cuerpo libre: Para problemas de fricción: •
Lea el problema; dibuje y etiquete bosquejo.
•
Construya diagrama de fuerzas para cada objeto, vectores en el origen de los ejes x , y . Elija el eje x o el y a lo largo del movimiento o movimiento inminente.
•
Puntee rectángulos y etiquete los componentes x y y opuesto y adyacente a los ángulos.
•
Etiquete todos los componentes; elija dirección positiva.
Para fricción en equilibrio: • • •
•
•
•
Lea, dibuje y etiquete el problema. Dibuje diagrama de cuerpo libre para cada cuerpo. Elija el eje x o y a lo largo del movimiento o movimiento inminente y elija la dirección de movimiento como positiva. Identifique la fuerza normal y escriba una de las siguiente: f s = m s n o f k = m k n Para equilibrio, escriba para cada eje: SF x = 0 SF y = 0 Resuelva para cantidades desconocidas.
Ejemplo 2. Una fuerza de 60 N arrastra un bloque de 300-N mediante una cuerda a un ángulo de 400 sobre la superficie horizontal. Si u k = 0.2, ¿qué fuerza P producirá rapidez constante?
P = ?
W = 300 N n
f k
400
m
W
Se sustituye la fuerza P por sus componentes P x y P y .
1.
Dibuje y etiquete un bosquejo del problema.
2. Dibuje diagrama de cuerpo libre.
P sen 400 P y
n
f k W
P 400
P y
P x
P cos 400
+
Ejemplo 2 (cont.). P = ¿?; W = 300 N; u k = 0.2. 3. Encuentre componentes de P:
P sin 400
n
Px = P cos 400 = 0.766P
P 400
Py = P sen 400 = 0.643P
f k
P cos 400
Px = 0.766P; Py = 0.643P
mg
+
Nota: Las fuerzas verticales están balanceadas y, para rapidez constante, las fuerzas horizontales están balanceadas.
F x 0
F y 0
Ejemplo 2 (cont.). P = ¿?; W = 300 N; uk = 0.2. Px = 0.766P Py = 0.643P
0.643P
n
4. Aplique condiciones de equilibrio al eje vertical. SF y = 0
n + 0.643P – 300 N= 0 n = 300 N – 0.643P;
P 400
f k
0.766P
300 N
+
[Py y n son arriba (+)] Resuelva para n en términos de P
n = 300 N – 0.643P
Ejemplo 2 (cont.). P = ¿?; W = 300 N; u k = 0.2. n = 300 N – 0.643P 5. Aplique SF x = 0 a movimiento
horizontal constante.
SF x = 0.766P – f k = 0
0.643P
n f k 300 N
P 400
0.766P
+
f k = m k n = (0.2)(300 N - 0.643P ) f k = (0.2)(300 N - 0.643 P ) = 60 N – 0.129P
0.766P – f k = 0;
0.766P – (60 N – 0.129P ) = 0
Ejemplo 2 (cont.). P = ¿?; W = 300 N; u k = 0.2. 0.643P
n
f k
300 N
P
400 0.766P
+
0.766P – (60 N – 0.129P )=0 6. Resuelva para incógnita P. 0.766P – 60 N + 0.129P =0
0.766P + 0.129P = 60 N 0.766P + 0.129P = 60 N 0.895P = 60 N P = 67.0 N
Si P = 67 N, el bloque se arrastrará con rapidez constante. P = 67.0 N
Ejemplo 3: ¿Qué empuje P sobre el plano se necesita para mover un bloque de 230 N arriba del plano con rapidez constante si m k = 0.3? cuerpo libre, incluidos fuerzas, ángulos y componentes. Paso
1: Dibuje
y
n f k
W sen 600
P W cos
600
P W =230 N
x 600
Paso 2: SF y = 0 n – W cos 600 = 0 n = (230 N) cos 600
230 N
n = 115 N
Ejemplo 3 (cont.): Encuentre P para dar movimiento sobre el plano (W = 230 N).
y
n
P
f k
W sen 600
x
W cos 600
600
n = 115 N
W = 230 N
Paso 3. Aplique SF x = 0 P - f k - W sen 600 = 0 f k = m k n = 0.2(115 N)
W
f k = 23 N, P = ¿?
P - 23 N - (230 N) sen 600 = 0 P - 23 N - 199 N= 0
P = 222 N
Resumen: Puntos importantes a considerar cuando resuelva problemas de fricción. •
La fuerza máxima de fricción estática es la fuerza requerida para apenas iniciar el movimiento.
n
P
f s
f s m s
W
En ese instante existe equilibrio:
SF x 0;
SF y 0
n
Resumen: Puntos importantes (cont.) •
La fuerza de fricción cinética es aquella requerida para mantener movimiento constante.
n
f k •
P
n
f k m k
W
Existe equilibrio si la rapidez es constante, pero f k no se hace más grande conforme la rapidez aumenta.
SF x 0;
SF y 0
Resumen: Puntos importantes (cont.) •
Elija eje x o y a lo largo de la dirección de movimiento o movimiento inminente. La SF será zero a lo largo del eje x y del eje y . m k
= 0.3
n
P
f k
+ W
En esta figura se tiene:
SF x 0;
SF y 0
Resumen: Puntos importantes (cont.) •
Recuerde: la fuerza normal n no siempre es igual al peso de un objeto.
P n
300
m
W
P
Es necesario dibujar el diagrama de cuerpo libre y sumar las fuerzas para encontrar el valor correcto de n .
n
W
SF x 0;
SF y 0
Resumen Fricción estática: No movimiento relativo.
f s ≤
n
m s
Fricción cinética: Movimiento relativo.
f k = m k n
El procedimiento para la solución de problemas de equilibrio es el mismo para cada caso:
SF x 0 SF y 0
