FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO
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UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA ELECTRICA REGIÓN POZA RICA-TUXPAN “FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO” TESINA QUE PARA ACREDITAR LA MATERIA DE EXPERIENCIA RECEPCIONAL PRESENTAN EIBAR ITURBIDE FELICIANO ANGEL MARCOS RAMIREZ VALDES DIRECTOR DEL TRABAJO RECEPCIONAL Dr. JUAN RODRIGO LAGUNA CAMACHO Poza Rica de Hidalgo, Ver. 2012 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO INDICE GENERAL INTRODUCCION .................................................................................................... 5 CAPITULO I JUSTIFICACIÓN ..................................................................................................... 7 NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DE TRABAJO .......................................... 8 ENUNCIACIÓN DEL TEMA ................................................................................... 9 EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO ........................................ 10 CAPITULO II DESARROLLO DEL TEMA ................................................................................... 13 PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE INVESTIGACION ......................................... 14 MARCO CONTEXTUAL ........................................................................................ 15 MARCO TEORICO SUBTEMA 1. DESGASTE POR DESLIZAMIENTO 1.1 INTRODUCCIÓN Y TERMINOLOGÍA ............................................................. 16 1.2 METODOS DE PRUEBA................................................................................ 21 1.3 TEORIA DEL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO ........................................ 25 1.4 EXPLICACIÓN DE LA ECUACIÓN DE ARCHARD ...................................... 29 SUBTEMA 2. CASOS REALES DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS 2.1 DESGASTE EN COMPONENTES DE TURBINAS DE GAS ......................... 32 TESINA Pág. 2 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO 2.2 DESGASTE EN COMPONENTES USADOS EN EL PROCESAMIENTO DE ALIMENTOS ...................................................................................................... 36 2.3 DESGASTE EN COMPONENTES ELECTRONICOS (MEMS) ....................... 41 2.4 DESGASTE EN ENGRANES .......................................................................... 44 2.5 DESGASTE EN BANDAS TRANSPORTADORAS DE MINERALES ............. 49 SUBTEMA 3. CASOS REALES DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES LUBRICADAS 3.1 CONCEPTO DE LUBRICANTE ..................................................................... 53 3.2 LUBRICANTES USADOS EN LA INDUSTRIA ............................................... 61 3.3 DESGASTE EN PISTONES DE AUTOMÓVIL ................................................ 67 3.4 DESGASTE EN FRENOS AUTOMOTRICES ................................................. 72 3.5 DESGASTE EN PRÓTESIS DE CADERA ...................................................... 79 3.6 DESGASTE EN HERRAMIENTAS DE CORTE, USADAS EN MAQUINAS HERRAMIENTAS............................................................................................... 84 ANALISIS CRÍTICO DE LOS DIFERENTES ENFOQUES .................................... 89 CAPITULO III CONCLUSIONES.................................................................................................. 91 BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 92 ANEXOS ............................................................................................................... 95 APÉNDICES.......................................................................................................... 98 TESINA Pág. 3 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO INTRODUCCIÓN Antes de abordar el tema de desgaste por deslizamiento, es conveniente comentar el concepto de Tribología como parte importante del estudio del desgaste entre superficies interactuantes. La palabra Tribología se deriva del término griego tribos, cuyo significado es frotamiento o rozamiento, se puede decir entonces que su significado etimológico es: “La ciencia de frotamiento o rozamiento.” La aplicación de esta ciencia, implica tener conocimiento de varias disciplinas, tales como: Física, Química, Matemáticas aplicadas, Mecánica de fluidos, Mecánica de materiales, Termodinámica, Transferencia de calor, Ciencia de materiales, Estructura y propiedad de los materiales, entre las más importantes. La Tribología se encuentra prácticamente en todos los aspectos de la maquinaria, motores y componentes de la industria en general. Los componentes tribológicos más comunes son: rodamientos, anillos de pistones, embragues, discos de frenos de automóviles, engranes y levas. Este trabajo de investigación, se basa en la recopilación de investigaciones experimentales relacionadas con el proceso de desgaste por deslizamiento. El contacto por deslizamiento, se obtiene al desplazarse un cuerpo en contacto sobre otro en forma paralela, aplicando una carga normal en la superficie de uno de ellos. Este tipo de desgaste, se puede localizar en procesos tales, como: Herramientas de corte, rieles del tren, frenos en automóviles, bandas transportadoras, entre otros. TESINA Pág. 4 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO CAPITULO I TESINA Pág. 5 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO JUSTIFICACIÓN En la actualidad, la exigencia mecánica de los equipos y máquinas modernas es cada día más notoria. Los elementos mecánicos son sometidos a grandes cargas, a intensas velocidades de trabajo y a condiciones ambientales severas. Por ello, es necesario buscar nuevas alternativas para su diseño, donde se incluye la selección de materiales más resistentes. Hoy en día, existen diferentes tipos de materiales utilizados para fabricar elementos mecánicos sometidos al desgaste por deslizamiento, entre ellos están: aceros aleados con alto contenido en cromo, aceros inoxidables, materiales cerámicos y algunos polímeros. En el caso de recubrimientos, se cuenta con Nitruro de Titanio (TiN), Carburo de Tungsteno (WC), Nitruro de Cromo (CrN), los cuales tienen aplicaciones en herramientas de corte (brocas, insertos de buriles, cortadores de fresa, etc.) El presente trabajo, permite conocer la importancia del desgaste ocasionado por deslizamiento bajo aplicaciones mecánicas en distintos tipos de condiciones, en casos reales. TESINA Pág. 6 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO NATURALEZA, SENTIDO Y ALCANCE DE TRABAJO En este trabajo, se describe el desgaste que se produce por deslizamiento en diferentes componentes mecánicos como turbinas de gas, componentes electrónicos, entre otros, así como las causas que producen este tipo de desgaste, finalmente se dan a conocer los tipos de lubricación y métodos de prueba de desgaste por deslizamiento. El sentido del trabajo, es conocer las causas del desgaste por deslizamiento en piezas mecánicas, así poder prevenir este tipo de daño, debido a que es un problema constante en la industria mecánica. TESINA Pág. 7 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO ENUNCIACIÓN DEL TEMA El desgaste es un problema muy grave en la industria y en la sociedad, ya que la presencia de este daño en los componentes de los equipos ocasiona muchas pérdidas ya sea económicas y de tiempo, etc. Esta tesina conjunta fundamentos básicos que facilitarán el entendimiento de éste tipo de desgaste, así como las causas que lo ocasiona. Casos reales de desgaste por deslizamiento en componentes mecánicos son mostrados. TESINA Pág. 8 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EXPLICACIÓN DE LA ESTRUCTURA DEL TRABAJO El presente trabajo se divide en los siguientes temas: En el Capítulo I, se expone la justificación, naturaleza, sentido y alcance del trabajo, enunciación del tema y explicación de la estructura del trabajo. En el Capítulo II, se comienza con el desarrollo del tema seleccionado, siguiendo con el marco contextual, y finalizando con el marco teórico el cual se divide en 3 subtemas: El Subtema 1, explica el fenómeno de desgaste por deslizamiento. Se describen los métodos de prueba y los tipos de fallas provocados por fenómenos, así como su origen y forma de propagación. Se explicará la ecuación de Archard. En el Subtema 2, se describe el desgate por deslizamiento que se presenta en muchos de los componentes mecánicos. El Subtema 3, describe el fenómeno de lubricante y tipos de lubricación, utilizados en la industria. Se menciona el desgaste en mecanismos de automóvil y en herramientas de corte usadas en máquinas herramienta, y se presenta desgaste no sólo en componentes mecánicos, sino también aplicaciones, como en las prótesis de cadera. Finalmente, en el Capítulo III, se dan las conclusiones obtenidas de este trabajo. . TESINA Pág. 9 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO CAPITULO II TESINA Pág. 10 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO DESARROLLO DEL TEMA Este trabajo recepcional se inicia por describir una explicación breve de los factores que intervienen en el desgaste por deslizamiento y sus causas. Se explicara en qué consiste el método de prueba para este tipo de desgaste, los parámetros que se toman en cuenta, y las partes importantes del equipo de prueba. La finalidad de la presente tesina es reunir la mayor información posible sobre el control del desgaste por deslizamiento en casos reales para obtener la selección de lubricante más adecuado técnicamente en los elementos mecánicos. Así de esta manera empezaremos a observar paso a paso todo el procedimiento para prevenir este daño en los diferentes casos presentados. TESINA Pág. 11 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO PLANTEAMIENTO DEL TEMA DE INVESTIGACION En toda industria es necesario tener presente de que siempre se tendrá efectos contaminantes, deficiencia en la maquinaria, siempre y cuando no se lleve un buen control de operación de esta. Este tema plantea las diferentes formas de aparición del desgaste por deslizamiento, sus efectos y también las formas de combatirlos apoyándose en los procedimientos para cada tipo de desgaste. Este trabajo, tiene como finalidad proporcionar conocimientos fundamentales del desgaste por deslizamiento y de lubricación adecuada, para poder prevenirlo y reducir las pérdidas que se generan en la industria. TESINA Pág. 12 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO MARCO CONTEXTUAL El trabajo de investigación, con formato de tesina, se desarrolla a partir de la recopilación de información, realizada en distintas bibliotecas (Biblioteca de la Facultad de ingeniería y ciencias Químicas, Biblioteca de la Universidad Veracruzana USBI en la región Poza Rica-Tuxpan), así como la utilización de páginas de internet. Esto es, porque se cuenta con la bibliografía adecuada, capacidad y tiempo necesario para poder realizar la investigación pertinente para incrementar el conocimiento que se tiene acerca del desgaste por deslizamiento. El desgaste por deslizamiento, se produce fundamentalmente cuando dos superficies en contacto se deslizan una con otra, ocasionando desprendimiento de material de una de las superficies en contacto. Este tipo de desgaste puede ocasionar el mal funcionamiento de un mecanismo y dañar otros componentes involucrados. Este daño es uno de los tipos de desgaste que ocurre con más frecuencia en la industria mecánica que ocasiona pérdidas económicas y de tiempo, por esto la realización de esta investigación. Para evitar este problema por adelantado, es importante establecer un plan de estrategia de mantenimiento. Este trabajo tiene como finalidad, que las personas interesadas en este tema se les facilite el entendimiento de los conceptos básicos acerca de causas de este tipo de desgaste y cómo prevenirlo. TESINA Pág. 13 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO SUBTEMA 1. DESGASTE POR DESLIZAMIENTO 1.1 INTRODUCCIÓN Y TERMINOLOGÍA El desgaste es conocido desde que el ser humano comenzó a utilizar elementos naturales que le servían como utensilios domésticos. Este fenómeno, al igual que la corrosión y la fatiga, es una de las formas más importantes de degradación de piezas, elementos mecánicos y equipos industriales. El desgaste puede ser definido como el daño superficial sufrido por los materiales después de determinadas condiciones de trabajo, a los que son sometidos. Este fenómeno se manifiesta por lo general en las superficies de los materiales, llegando a afectar la sub-superficie. El resultado del desgaste, es la pérdida de material y la subsecuente disminución de las dimensiones y por tanto la pérdida de tolerancias. Los mecanismos de daño en los materiales, se deben principalmente a deformación plástica, formación y propagación de grietas, corrosión y/o desgaste. Desde que el desgaste comenzó a ser un tópico importante y que necesitaba ser estudiado y entendido, comenzaron a aparecer en los libros de diseño y en la mente de los diseñadores, ideas sencillas de cómo prevenirlo o combatirlo, entre esas ideas se tienen: Disminuir la presión de contacto. Reducir la velocidad de deslizamiento. Mantener lisas las superficies de rodamientos. Asegurar bajos coeficientes de fricción. Usar lubricantes. Los conceptos de fricción y desgaste, pueden ser abordados de mejor manera, sí se comprenden los fundamentos del contacto entre sólidos. TESINA Pág. 14 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO El contacto elástico que ocurre entre sólidos, fue investigado primeramente por Hertz en 1881, conociéndose como contacto Hertziano. Estos al ser sometidos a cargas, se deforman elásticamente hasta que el esfuerzo alcanza un valor límite, llamado esfuerzo de fluencia 𝝈𝒚 . En la mayoría de los casos, algunas asperezas son deformadas elásticamente y otras plásticamente. Terminología Fricción Este efecto proviene de la existencia de fuerzas tangenciales que aparecen entre dos superficies sólidas en contacto, cuando permanecen unidas por la existencia de esfuerzos normales a las mismas, en términos más sencillos, es la pérdida de energía durante el inicio, desarrollo y final del movimiento relativo, entre dos materiales en contacto. Si se habla de fricción, no se puede dejar de mencionar la fuerza de fricción y el coeficiente de fricción, conceptos que están muy ligados. Fuerza de fricción: Siempre que un cuerpo se deslice o ruede sobre la superficie de otro, existe una fuerza que se opone al movimiento, llamada fuerza de fricción o rozamiento. La fuerza de fricción es paralela y opuesta al sentido del movimiento; se observa un esquema en la Figura 2.1. Fig. 2.1 Esquema de la fuerza de fricción opuesta al sentido de movimiento. [1] La fuerza de fricción se define como: 𝐅=𝛍 ×𝐍 TESINA (1) Pág. 15 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Donde 𝐅, es la fuerza necesaria para iniciar y mantener el movimiento, sus unidades son 𝑲𝒈𝒇 ó (𝒍𝒃𝒇 ), N es la fuerza normal que mantiene las dos superficies juntas, 𝑲𝒈𝒇 ó (𝒍𝒃𝒇 ); y 𝝁, se refiere al coeficiente de fricción, que se presenta entre metal-metal, metal-sólido o metal-fluido. Coeficiente de fricción: Este parámetro no es una propiedad intrínseca del material o de una combinación de varios, sino que depende de otros factores, como la humedad, temperatura, velocidad de deslizamiento, presión de contacto, tipo de lubricante, acabado superficial y forma de la región de contacto. La relación entre la fuerza necesaria para iniciar el movimiento y el peso del elemento que se va a mover, se conoce como coeficiente estático de fricción, y la relación entre la fuerza necesaria para mantenerlo en movimiento y su peso, se denomina coeficiente cinético de fricción, por deslizamiento o rodadura. A continuación, se mencionan algunos medios que se utilizan para reducir la fricción: Pulir las superficies. Cambiando el deslizamiento por rodamiento. Interponiendo un lubricante. Desgaste Consiste en la separación de material de la superficie de un cuerpo como consecuencia de un movimiento relativo de otro cuerpo. Es un proceso, en el cual las capas superficiales de un sólido se rompen o se desprenden de la superficie. Al igual que la fricción, el desgaste no es solamente una propiedad del material, sino una respuesta integral del sistema. Los análisis de los sistemas han demostrado que el 75% de las fallas mecánicas, se deben al desgaste de las superficies en rozamiento. Se deduce fácilmente, que para aumentar la vida útil de un equipo se debe disminuir el desgaste. TESINA Pág. 16 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Consecuencias del desgaste Las más importantes son: Movimiento errático de los mecanismos lubricados. Altos valores de vibración e incremento en los niveles de ruido. Elevadas temperaturas de operación. Mayor consumo de repuestos por incremento del mantenimiento correctivo. Reducción significativa de la producción por paros de maquinaria. Mayor consumo de energía, para realizar la misma cantidad de trabajo útil. Posibilidades de accidentes ante el peligro de roturas de componentes de máquinas. Desgaste por deslizamiento Se define como el daño que se produce cuando dos superficies en contacto se deslizan una con otra. Esto origina, desprendimiento de material de una de las superficies. Problemas Ocasionados por este tipo de desgaste Mayor consumo de repuestos, por aumento en las reparaciones y en el mantenimiento. Reducción en la producción por paros de maquinaria. Vida útil más corta de la maquinaria. En motores de combustión interna da lugar a pérdida de potencia, mayor consumo de combustible, etc. Posibilidades de accidentes, ante el peligro de rotura de piezas al sobrepasar los límites permisibles de diseño. Formas de reducir el desgaste. Utilizando los lubricantes más apropiados para las diferentes condiciones de operación. TESINA Pág. 17 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Frecuencia de lubricación adecuada, con el fin de determinar los cambios de aceite y los reengrases correctos. Buenos programas de mantenimiento preventivo, incluyendo principalmente la limpieza y/o el cambio de los filtros de aire y aceite. Evitar que los equipos sean sometidos a condiciones diferentes a las del diseño. Fundamentos del contacto entre sólidos Se llama contacto mecánico a la situación en que dos cuerpos se tocan físicamente en un área determinada. Los problemas referidos entre cuerpos deformables, es un tema de actualidad en mecánica de sólidos, con importantes aplicaciones en el diseño mecánico. Dicha situación es, frecuentemente, encontrada en muchos sistemas mecánicos, tales como, levas, engranes, cojinetes, embragues, rueda-riel, etc. Para el diseño de estos elementos, se requiere realizar un análisis de esfuerzos y deformaciones generadas entre las superficies de los cuerpos en contacto. Las superficies de los sólidos resultan ser más complejas al ser observadas a detalle. Existen diferentes factores que dificultan su estudio, tales como: distorsiones, defectos, deformaciones, entre otros. Por otra parte, el estudio de las superficies se han incrementado a partir de la incesante búsqueda a soluciones de problemas que afectan comúnmente a los sistemas mecánicos, los cuales en la mayoría comprenden interacciones entre superficies, donde puede generarse un contacto tipo Hertziano, o de otras características, donde esté presente el fenómeno de fricción, de movimiento deslizante, rodante o una combinación de ambos. Aquellas situaciones de contacto entre cuerpos elásticos son consideradas como Hertzianas, sólo si se cumplen las siguientes condiciones: TESINA Pág. 18 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Los cuerpos son homogéneos, isotrópicos y satisfacen la Ley de Hooke, donde, establece que el alargamiento unitario que experimenta un material elástico es directamente proporcional a la fuerza aplicada F. Los contactos ocurren sin fricción y las deformaciones causadas son pequeñas. El análisis de esfuerzo en la zona de contacto, se realiza aplicando la teoría lineal de la elasticidad. 1.2 METODOS DE PRUEBA Diferentes tipos de arreglos experimentales han sido empleados para estudiar el desgaste por deslizamiento [2]. La mayoría de ellos se utilizan para examinar los mecanismos de desgaste, simular aplicaciones prácticas y proveer información sobre volúmenes y tasas de desgaste y coeficientes de fricción. Los métodos de prueba pueden ser divididos en dos tipos. El primero es aquel donde las superficies de deslizamiento están colocadas simétricamente. El otro tipo corresponde a un arreglo asimétrico de las superficies en contacto, en el cual ambos cuerpos, que pueden ser del mismo material, casi siempre experimentan volúmenes de desgaste diferentes. Entre los métodos de prueba de tipo simétrico se encuentran: anillo sobre anillo y de tipo cara a cara. Para los asimétricos se tiene: perno sobre disco, bloque sobre anillo y perno sobre placa. Las dimensiones de los especímenes normalmente van desde algunos milímetros hasta decenas de milímetros. En arreglos asimétricos, los pernos y bloques pueden ser de un tamaño menor a 25 mm, mientras que los anillos y discos son comúnmente de decenas de mm de diámetro. De igual manera, se tienen variaciones en las cargas y velocidades empleadas dependiendo del tipo de ensayo. Muchos de los métodos de prueba de desgaste por deslizamiento, están estandarizados por ejemplo, método bloque sobre anillo (ASTM G77), método TESINA Pág. 19 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO cilindros cruzados (ASTM G83), perno sobre disco (ASTM G98), entre otros. La cantidad de material removido en un contacto por deslizamiento depende de la distancia de deslizamiento, la velocidad de deslizamiento, duración de la prueba y de la presión nominal (carga normal dividida por área de contacto nominal) sobre la región de contacto. Algunas veces, el desgaste es medido retirando el espécimen de la máquina, a ciertos intervalos de tiempo para pesarlo o medirlo. En otros casos, se cuenta con un monitoreo continuo de la evaluación del peso y dimensionamiento de la huella de desgaste, utilizando transductores eléctricos o mecánicos. La velocidad de deslizamiento, afecta tanto la variabilidad en la energía de disipación, como en la temperatura de la interface. Equipo de desgaste tribómetro El tribómetro mostrado, en la Figura 2.2, se utiliza para llevar a cabo pruebas de desgaste, funciona mediante la técnica perno sobre disco (pin-on-disk, término en ingles) para realizar ensayos de resistencia de diferentes materiales ante este tipo de desgaste. Fig. 2.2 Detalles del equipo de desgaste perno sobre disco [3]. La primera fase, consiste en la calibración y puesta a punto del equipo para iniciar el proceso de experimentación. TESINA Pág. 20 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO El tribómetro está conformado por un brazo que va unido a un portapernos, un plato portamuestra de 100 mm de diámetro, un dinamómetro electrónico que mide la fuerza de fricción y un sistema de control que permite cambiar la señal mecánica a señal eléctrica. Los resultados se registran automáticamente, a través del software instalado en el computador. Las cargas se aplican normal a los sustratos, mediante un conjunto de pesas calibradas, 1, 2, 5 y 10 N, combinándose entre sí, se debe tener en cuenta que la carga máxima no debe de exceder los 10 N. En ensayos de resistencia al desgaste, este equipo permite determinar la vida útil de piezas sometidas a desgaste y hacer comparaciones de la calidad de capas finas con recubrimientos. Es posible analizar probetas de diferentes tamaños y geometrías, como se muestra en la Figura 2.3. PROBETA DE GEOMETRIA CIRCULAR. Fig. 2.3 Probeta estándar fundida en la posición en el escenario listo para la determinación del área de función [4]. El tribómetro tiene acoplado un motor con velocidad variable, que permite mantener la velocidad seleccionada constante; con una variación de ± 1% de la máxima velocidad del motor. Las velocidades de rotación más usadas se encuentran en el rango de 60 a 600 rpm. El equipo está programado para detener el motor indicando que la prueba ha finalizado cuando se llega a un recorrido o TESINA Pág. 21 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO revoluciones del perno, estos valores son determinados y programados previamente por el usuario [4]. Para esta prueba se requiere que el perno y el material a analizar preferiblemente sean del mismo material, aunque esto depende del ensayo que se requiera. El perno tipo esfera presenta diámetros en un rango de 2 a 10 mm. En la Figura 2.4, se muestran los pernos tipo esferas con su respectivo portapernos utilizados en el ensayo de desgaste. Fig. 2.4 Pernos tipo esfera de 3 y 6 mm de diámetro con sus respectivos portapernos [5]. Los pernos se sitúan dentro del portapernos perpendicularmente a la probeta de estudio. El perno permanece estacionario durante el ensayo y el plato portamuestras, gira; como consecuencia, se forma una huella de desgaste sobre la probeta, siendo ésta el objeto de estudio. El perno se presiona sobre el disco aplicándole una carga especifica, y el equilibrio se mantiene por medio de contrapesas. Parámetros del Ensayo Las variables a controlar durante el ensayo de desgaste se describen a continuación: Fuerza de Rozamiento: Es la fuerza que se opone a la carga que se aplica para que exista el movimiento. Estos valores se expresan en Newtons. TESINA Pág. 22 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Velocidad: Es la velocidad de recorrido o deslizamiento con que se lleva a cabo el ensayo y sus unidades de deslizamiento, se expresan en revoluciones por minuto (rpm). Distancia: Es la distancia recorrida acumulada en la prueba, las unidades se representan en metros (m). Atmósfera: Este parámetro se refiere a las condiciones atmosféricas en las que se desarrolla la prueba (aire del laboratorio, humedad relativa, lubricante, etc.) Preparación de las probetas Las probetas que se someten a ensayos de desgaste cuentan con una descripción detallada de las dimensiones, acabados superficiales, tipo de material, geometría, composición química, microestructura, tratamiento térmico realizado y dureza. Es importante que la rugosidad de las probetas, no sea mayor a 0.8 µm, ya que si es superior los resultados de la prueba no serían confiables, éste es un parámetro de operación establecido en el equipo para la realización de las pruebas. 1.3 TEORIA DEL DESGASTE POR DESLIZAMIENTO El sistema de deslizamiento depende de la estructura cristalina de los metales y es tal que la distorsión atómica que acompaña al movimiento de una dislocación es mínima. Para una determinada estructura cristalina, el plano de deslizamiento es el plano que tiene la distribución más densa de átomos, es decir, tiene la mayor densidad planar de átomos. La dirección de deslizamiento corresponde a la dirección a este plano que es más compacta, es decir, que tiene la mayor densidad lineal. Contacto por deslizamiento entre cuerpos sólidos Muchos de los análisis del contacto entre sólidos, están basados en contactos sin fricción (estáticos), donde no se tiene deslizamiento entre las superficies. Parámetros como el área real de contacto y el esfuerzo promedio de contacto, TESINA Pág. 23 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO son importantes para la interpretación de la fricción y del desgaste por deslizamiento. Se ha obtenido una descripción cualitativa de las características del contacto entre asperezas, durante el deslizamiento, por estudios realizados sobre la indentación de éstas sobre materiales más suaves, observándose tres etapas de contacto: Contacto estático, movimiento violento de la aspereza (fuerza tangencial en su máximo nivel) y el movimiento no restringido de la aspereza. Una vez que la aspereza comienza a moverse o deslizarse entre el material suave, una cantidad de material deformado da suficiente soporte a la aspereza para alcanzar la parte superior del nivel del contacto estático. Como resultado, la fuerza tangencial cede, ya que el soporte de la aspereza es ofrecido por el material. Este tipo de contacto es fundamentalmente afectado por el deslizamiento, causando un primer efecto, que es la separación de las superficies por una pequeña distancia. Desgaste por contacto de deslizamiento Este tipo de desgaste ocurre, cuando una superficie se desliza sobre otra, en algunos casos, las superficies en contacto por deslizamiento están lubricadas, pero la mayoría de las investigaciones realizadas en laboratorio, se trabajan en condiciones secas. Cuando dos sólidos están en contacto bajo una carga normal, las superficies se acercan una a la otra hasta que la fuerza reactiva elástica en la interface es suficiente para soportar la carga normal. Una situación similar, ocurre en el contacto por deslizamiento, donde la fuerza reactiva es requerida para soportar tanto la fuerza normal como la tangencial. En algunos casos, en condiciones específicas de operación se pueden producir partículas de óxido, las cuales a su vez generan abrasión. TESINA Pág. 24 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO En ocasiones, el término de desgaste por adhesión, es utilizado para describir el desgaste por deslizamiento, pero su uso puede ser erróneo porque aunque juega un papel importante en el desgaste por deslizamiento, es sólo uno de los muchos procesos físicos y químicos que están involucrados. La deformación inducida en el desgaste por deslizamiento, eventualmente rompe la estructura original en la superficie formando dislocaciones en la estructura cristalina. Estas se describen como regiones submicroscopicas, relativamente libres de dislocaciones separadas por regiones de alta zona de las mismas. Frecuentemente, se han encontrado grietas y fisuras en piezas sometidas a desgaste por deslizamiento. Las fisuras se originan en la superficie en algún punto débil del material y se propagan hacia el interior del mismo, a lo largo del plano de deslizamiento. Una segunda grieta puede formarse a partir de la primera; cuando la nueva grieta alcanza la superficie, se forma una partícula de desgaste que se desprende de la misma. Cuando dos superficies se ponen en contacto por deslizamiento, las asperezas en ambas superficies pronto son reemplazadas por una superficie suave y lisa. Si la dureza de la superficie es diferente, la menos dura perderá las asperezas primero que la otra. Esencialmente, el desgaste por deslizamiento, es aquel en el cual hay un movimiento relativo entre dos superficies en contacto con una carga aplicada. El desgaste por deslizamiento es uno de los tipos de desgaste que ocurre con más frecuencia en la industria y por esto, es estudiado con gran interés por los investigadores. Una de las razones del gran esfuerzo dedicado al estudio del desgaste por deslizamiento es su complejidad, especialmente en lo que se refiere a los múltiples mecanismos involucrados. En el desgaste por deslizamiento están presentes mecanismos de adhesión, formación y crecimiento de grietas subsuperficiales por fatiga y formación de películas superficiales por procesos triboquímicos. TESINA Pág. 25 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Un esquema mostrando un sistema que sufre este tipo de desgaste es presentado en la Figura 2.5. Fig. 2.5 Desgaste por deslizamiento [6]. Experimentos con diferentes tipos de metales han mostrado que el deslizamiento produce deformación plástica en la superficie. Variables relacionadas a las condiciones de contacto y otras relacionadas con la microestructura de los materiales deslizantes, influyen en la intensidad de la deformación plástica de las regiones debajo de ésta. Si se grafica la pérdida de masa de un tribosistema durante el tiempo (o la distancia recorrida), se obtiene una forma muy similar a la mostrada en la Figura 2.6. Fig. 2.6. Variación de la tasa de desgaste con la distancia o el tiempo durante el deslizamiento. El coeficiente de desgaste K, representa el comportamiento de un tribosistema pero, aunque se plantea como una constante, depende de las condiciones TESINA Pág. 26 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO particulares de trabajo. Si en el diseño se cuenta con el valor de K para el tribosistema que se presentará, entonces es posible establecer con más precisión la vida útil de los elementos que participan. Variables que afectan en el desgaste por deslizamiento Muchas variables están involucradas en el comportamiento del desgaste por deslizamiento, tales como las variables relacionadas con la geometría del par deslizante y también las variables metalúrgicas, sin excluir las variables externas como las condiciones de carga y las del medio interfacial y circundante. Cada variable tiene una naturaleza diferente en función de la etapa del proceso de deslizamiento. Variables como el trabajo ejercido, la masa de cada cuerpo, las propiedades del material y la temperatura de la interfase, pueden ser consideradas como variables de entrada del tribosistema. Por otro lado, estas pueden ser el resultado final del proceso, esto es, se pueden transformar en variables de salida del tribosistema. Deben ser considerados también efectos como las vibraciones, calor generado, atmósfera y cambios de las propiedades de los materiales. Como resultado final de la fricción y desgaste, hay generación de productos indeseables, como fragmentos de desgaste (wear debris) y ruido. 1.4 EXPLICACIÓN DE LA ECUACIÓN DE ARCHARD El modelo de Archard para desgaste por deslizamiento en seco, formulado en 1953, es un modelo clásico que plantea una variación del desgaste inversamente proporcional a la dureza del material y directamente proporcional a la carga aplicada. El desarrollo de nuevas tecnologías, aeroespacial e industrial, en las décadas de los 50´s y 60´s, impulsó los estudios de adhesión y desgaste apoyado en ecuaciones basadas en la mecánica de contacto que utilizan propiedades del material, tales como su módulo de elasticidad (E) y dureza (H). En esa época, se TESINA Pág. 27 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO produjeron grandes avances en la identificación y el entendimiento de los mecanismos asociados a los diferentes procesos de desgaste: deslizamiento, abrasión y erosión. Conceptos como área real de contacto, adhesión, transferencia de material entre superficies en contacto, ángulos críticos para abrasión y erosión, y la mecánica del contacto de superficies rugosas fueron bien desarrollados. En las décadas posteriores (1970-1980) el desarrollo de la instrumentación avanzada microscopio electrónico de barrido (MEB), instrumentos para el análisis de la superficie, etc., facilitaron la investigación sobre el estado de las superficies permitiendo la identificación de los mecanismos presentes durante el desgaste, tanto a nivel de laboratorio como en la industria. Las técnicas computacionales, por otro lado, permitieron el análisis de los esfuerzos de contacto y de la temperatura en la superficie impulsando el modelado numérico de problemas relacionados con la interacción de superficies. Archard desarrolló un modelo en el cual la rapidez de desgaste (V) es proporcional a la carga normal aplicada (W) e inversamente proporcional a la dureza del material (H) relacionados a través de una constante de desgaste (𝜿), que siempre es menor que 1. Este autor obtuvo una ecuación de forma simple, conocida como ecuación de Archard: 𝑽= 𝒌𝑾𝒔 𝑯 (2) Donde V: volumen del material removido ( 𝒎𝒎𝟑 ), K: coeficiente de desgaste, W: carga normal a la superficie (N), s: distancia de deslizamiento (𝒎𝒎) y H: dureza del material ( 𝑵/𝒎𝒎𝟐 ). Este modelo, aparentemente muy sencillo, es empleado a menudo en aplicaciones de ingeniería y ha servido de base para el desarrollo de modelos más elaborados que intentan dar una interpretación más amplia a los fenómenos presentes en la interacción de superficies. TESINA Pág. 28 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO SUBTEMA 2 CASOS REALES DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES SECAS La fricción implica una disipación de energía debido a la conversión de energía mecánica en calor. Hay que suponer un ensayo tribológico en el cual se ponen en contacto dos superficies. Si la interacción entre los dos materiales puestos en contacto se limita a distancias atómicas, la fricción se limita a un fenómeno superficial. Sin embargo, si las condiciones del ensayo llevan a una extensa deformación plástica, entonces las pérdidas de energía asociadas, pueden ser tenidas en cuenta, como algo más que pérdidas por fricción. En este caso la fricción, implica más que simples fenómenos superficiales. Excepto durante los procesos de desgaste severos, se puede proponer el siguiente mecanismo para el desgaste por deslizamiento, debido a la tensión acumulada. Esto da lugar a una transferencia de material alrededor de la interfase posiblemente ayudada por la adhesión. Así se inicia un complejo proceso de mezcla, similar al que ocurre durante las primeras etapas del proceso de aleación mecánica. Las partículas de desgaste son normalmente generadas por el material, no directamente por el material base. Cada uno de estos pasos, pueden ser controlados, aunque va a depender del sistema tribológico empleado, por lo que no será posible obtener una ecuación de desgaste universal. TESINA Pág. 29 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO 2.1 DESGASTE EN COMPONENTES DE TURBINA DE GAS Una turbina de gas (Figura 2.7) es una turbo máquina destinada a la generación de energía eléctrica o trabajo en las plantas térmicas, así como en los campos aeronáuticos y marítimos. En la turbina de gas todos sus sistemas y componentes auxiliares, excepto los elementos de reemplazo periódico, como filtros y consumibles; se deben diseñar y fabricar para una vida útil de al menos 30,000 hrs en operación continua ininterrumpida, sin necesidad de mantenimiento correctivo o mantenimiento mayor. La mayor parte de los fallos en turbinas de gas, están relacionados con las altas temperaturas que se emplean en la cámara de combustión y en las primeras filas de álabes de la turbina de expansión. Otra parte de las averías son las típicas de los equipos rotativos: vibraciones, desalineaciones, etc. Y por último, al igual que ocurre con los motores de gas, las negligencias de operación y mantenimiento están detrás de muchos de los problemas que se viven con turbinas de gas, y especialmente, detrás de las averías más graves. Fig. 2.7. Turbina de gas [7]. TESINA Pág. 30 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO La fatiga, el desgaste y la aportación de materia por fricción, son problemas muy frecuentes que provocan las consecuencias siguientes: Fatiga térmica, que conduce a la formación de fisuras en componentes esenciales. Desgaste excesivo producto de las vibraciones asociadas con la dinámica de combustión. Aportación de materia por fricción en los marcos de salidas de las piezas de transición, lo que provoca la deformación y la distribución irregular de la potencia en la trayectoria crítica del gas. La fricción y la combustión creada por las numerosas partes móviles de la turbina de gas generan grandes cantidades de calor, haciendo que las muchas partes de la turbina de gas, sean susceptibles a deslizamiento y desgaste abrasivo, así como a daños de temperatura. Desgaste de componentes En este trabajo, se describe el desgaste en componentes importantes, como los álabes, mostrados en la Figura 2.8 y cojinetes de la turbina. Fig. 2.8 Álabes de una turbina de gas [8]. TESINA Pág. 31 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Algunos álabes, tales como el de la Figura 2.9, experimentan la perforación de la cámara de enfriamiento y desgaste del material. Deterioro adicional, en forma de pequeñas manchas oscuras, en la mitad superior del borde de ataque, también se puede detectar. Desgaste del material Fig. 2.10 Daño de un álabe [9]. Del mismo modo, otros depósitos superficiales de coloración variada, se observa en la Figura 2.11, correspondiente a un sector de la turbina revestimiento, muestra un desgaste desigual, que puede ser debido a la fricción con la punta de la pala. Esta fricción puede haber generado las marcas horizontales en el sector de revestimiento. Además, las fisuras paralelas al eje de la turbina están presentes. Desgaste Fisuras Fig. 2.11 El desgaste localizado y grietas [10]. TESINA Pág. 32 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Desgaste de cojinetes En el caso de los arranques de la turbina, como parte de velocidad cero existe un leve deslizamiento en seco entre el material del cojinete y el árbol de acero, hasta vencer la inercia y conseguir su velocidad de trabajo, aunque involuntariamente la turbina se embala (aumentan en exceso su velocidad), esto quiere decir que al realizar las paradas de mantenimiento y reiniciar la operación, se suprime la carga de generación, lo que ocasiona que la turbina gire en vació hasta llegar a tener una velocidad del 90% de su capacidad. Desgaste por el contacto metal-metal. Fig. 2.12 Condición superficial del cojinete de la turbina [11]. Como se ve en la Figura 2.12, las huellas en la superficie de contacto representa las áreas donde se produjo el desgaste por el contacto metal-metal entre el eje y el cojinete. Por esta razón, es necesario medir periódicamente las holguras entre eje y cojinetes, y el desplazamiento del eje, para comprobar que los cojinetes aún están en condiciones de permitir un funcionamiento correcto de la turbina Las turbinas de gas trabajan bajo condiciones muy severas. Así mismo, el lubricante está sometido a condiciones de trabajo más exigentes: mayores temperaturas y presiones, alternancia entre ciclos de trabajo/parada e intervalos de cambios de aceite mayores. TESINA Pág. 33 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO 2.2 DESGASTE EN COMPONENTES USADOS EN EL PROCESAMIENTO DE ALIMENTOS El procesamiento de alimentos implica modificar o convertir materias primas, tales como plantas o piezas crudas de animales descuartizados, en alimentos seguros, comestibles y más apetecibles. Gracias a los envases de plástico y otros aislantes, el procesamiento de alimentos también proporciona los medios para hacer más longevos los productos y, por lo tanto, poder alargar la fecha de caducidad de los alimentos. Además, éste procesamiento abastece las necesidades de las poblaciones urbanas modernas y evita que la variedad de alimentos disponibles no sea limitada debido a su estacionalidad, tal como ocurría antiguamente. El cambio de los estilos de vida y de las estructuras familiares ha provocado una demanda, impulsada por el consumidor, de una selección de alimentos cada vez mayor, particularmente, en el segmento de los productos precocinados y semicocinados. Siempre que exista producción y procesamiento de alimentos, es necesario disponer de un producto de plástico para su manipulación, se trate de productos sólidos o líquidos, frescos o congelados, crudos o cocinados, se necesita siempre algún tipo de contenedor de plástico para almacenar y transportar el alimento desde el almacén hasta el consumidor final (tienda). Por otra parte, este sector es ampliamente diverso en términos de tamaño y variabilidad, ya que comprende desde el pequeño comercio de carnicería hasta la mayor industria cárnica integrada (carnes dedicadas al consumo), pasando por diferentes segmentos como lácteos, pescados, ternera, cerdo, pollo, etc. Los contenedores de plástico ayudan a simplificar y mejorar la logística en la producción de alimentos. Los productos de embalaje empleados en el procesamiento de alimentos deben proporcionar una protección máxima y a la vez ser rentables. Además, deben ser agradables al consumidor y cumplir con todas las normas de seguridad e higiene necesarias. Entre las ventajas de los contenedores de plástico, se puede decir que TESINA Pág. 34 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO pueden mostrar el precio y/o la información sobre el producto, que son reciclables y por lo tanto ecológicos y que es muy fácil limpiarlos y mantener su higiene. También se puede controlar la temperatura de estos contenedores, para evitar que las mercancías se estropeen. Son resistentes y robustos, razón por la cual protegen los productos contra daños y aumentan la productividad debido a su diseño simple. Estos contenedores de plástico se fabrican con polipropileno o polietileno, materiales autorizados para uso alimentario. Estos materiales plásticos son muy ligeros y reciclables, por lo cual son idóneos para el sector alimentario y de las bebidas. Desgaste en componentes Se genera desgaste por deslizamiento cuando los elementos del rodamiento, están separados entre sí. También se produce cuando se disminuye la velocidad ya que se reduce la fuerza centrifuga de los elementos del rodamiento como se muestra en la Figura 2.13, este es un componente importante en la industria procesadora de alimentos. Bolas Superficie frontal de los aros. Jaula de rodamiento . Anillo interior Anillo exterior Fig. 2.13 Partes de un rodamiento [12]. TESINA Pág. 35 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Huellas de deslizamiento en rodillos cilíndricos. Los elementos rodantes se deslizan, sobre todo en el caso de rodillos grandes y pesados, por, ejemplo, en rodamientos de rodillos sin jaula. Rugosidades de los caminos de rodadura o de los elementos rodantes, con frecuencia, también desgarros materiales y huellas de deslizamiento. En la mayoría de los casos, no distribuidos uniformemente sobre la superficie, sino en forma de manchas, Figuras 2.14 y 2.15. Huellas de desgaste Fig. 2.14 Huellas de deslizamiento en rodillos cilíndricos [13]. Manchas ocasionadas por el deslizamiento. Fig. 2.15 Daños por deslizamiento en el aro interior de un rodamiento de rodillos cilíndricos [14]. Las causas que lo provocan, se tiene que: En caso de una carga demasiado baja y lubricación deficiente, deslizamiento de los elementos rodantes sobre los caminos de rodadura. En ocasiones, también zonas de carga demasiado cortas, debido a lo cual TESINA Pág. 36 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO se produce un frenado de los elementos rodantes en la zona no sometida a carga de la jaula y subsiguientes aceleraciones al llegar a la zona de carga. Variaciones rápidas de la velocidad de rotación. Medidas correctivas: Emplear rodamientos con menor capacidad de carga. Someter los rodamientos a precarga, por ej. con muelles. Disminuir el juego interno del rodamiento. Mejorar la lubricación. Huella de rozamiento laterales Huellas en forma de surcos o desgaste en la superficie frontal de los aros de rodamiento o de las obturaciones, véase la Figura 2.16 y 2.17. Las causas que provocan el desgaste son, fijación insuficiente de los rodamientos en el alojamiento o sobre el eje, gran acumulación de contaminación externa entre el rodamiento y la parte anexa, partes anexas flojas; juego axial interno excesivo. En un rodamiento, la obturación se encuentra instalada entre el aro exterior y el aro interior, o alrededor del eje fuera del rodamiento. En algunas aplicaciones, como en entornos muy contaminados, la obturación es fundamental para el funcionamiento del rodamiento. Estrías Fig. 2.16 Estrías circulares en la superficie frontal por rozamiento de una parte anexa [16]. TESINA Fig. 2.17 Deterioro de la obturación por rozamiento lateral [17]. Pág. 37 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Algunas medidas correctivas serían: Fijar las piezas en la forma debida. Garantizar la limpieza del lubricante. Comprobar y eventualmente restringir el juego axial interno. La lubricación en los rodamientos tiene la función de evitar o de reducir el contacto metálico entre las superficies de rodadura y de deslizamiento, es decir, mantener bajos el rozamiento y el desgaste. El aceite separa las superficies de contacto y evita así el contacto metálico. En las superficies de contacto aparecen movimientos de deslizamiento aparte de los movimientos de rodadura, pero en un grado mucho menor que en los cojinetes de deslizamiento. Estos movimientos de deslizamiento tienen su origen en deformaciones elásticas de los componentes de los rodamientos y en la forma curva de las superficies de rodadura. Otras funciones de las que debe encargarse el lubricante en el rodamiento es la protección contra la corrosión; la evacuación de calor de rozamiento en el rodamiento (lubricación con aceite); el lavado de partículas abrasivas. TESINA Pág. 38 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO 2.3 DESGASTE EN COMPONENTES ELECTRONICOS (MEMS) Los Sistemas Microelectromecánicos (Micro-Electro-Mechanical-Systems) MEMS son la integración de elementos mecánicos, sensores, actuadores, y la propia electrónica, en un sustrato de silicio, a través de teconología de la microfabricación como se puede ver en los ejemplos de la Figura 2.18. (a) (b) Fig. 2.18 (a) Micromotor eléctrico y un cabello, (b) Fotografía de un espejo micromaquinado [18]. Los dispositivos MEMS, tienen un tamaño que va de un micrómetro (una millonésima parte de un metro) a un milímetro (una milésima parte de un metro) como se observan, en la Figura 2.19. Fig. 2.19 Microdispositivos MEMS [19]. TESINA Pág. 39 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Problemas de desgaste En la actualidad, uno de los principales factores que limita el uso de MEMS es la fricción y el desgaste de las piezas móviles, ya que resulta ser mucho más difícil de obtener bajos coeficientes de fricción en la micro-escala de los contactos que en el macro-escala de los mismos. Esto significa que todos los dispositivos MEMS que se utilizan actualmente requieren poco contacto deslizante o nada. Sin embargo, existe un gran interés en la construcción de micromáquinas con grandes cantidades de deslizamiento, tales como pequeñas turbinas de gas y generadores. Estos dispositivos se podrían utilizar para los teléfonos móviles de alimentación y otros equipos portátiles, tales como equipo de supervivencia, pero el problema es cómo lubricar efectivamente. Fricción estática: Fricción estática es considerado uno de los más importantes problemas en MEMS. Las estructuras internas de MEMS son tan pequeñas que las fuerzas de superficie provocan que las estructuras microscópicas se adhieran, cuando sus superficies se encuentran en contacto (véase Figura 2.20). Fig. 2.20 Fricción estática en los dedos de MEMS [20]. Desgaste por deslizamiento: Desgaste es causado por el movimiento de una superficie sobre otra. Se define como la eliminación de material de una superficie sólida como resultado de la acción mecánica. Generalmente, se considera un efecto no deseado en MEMS. Hay cuatro procesos principales que al combinarse causan el desgaste por deslizamiento, son adherencia y la abrasión. TESINA Pág. 40 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO La Figura 2.21, muestra las partículas de desgaste en la superficie de un micromotor operado a 600,000 ciclos. Fig. 2.21 Desgaste por partículas en el micromotor [21]. La adherencia es causada por fragmentos de superficie fuera de otra superficie, mientras que se deslizan. Esto es causado por las fuerzas de superficie de unión de dos materiales juntos. El desgaste abrasivo se produce cuando una superficie dura, áspera se desliza en la parte superior de una superficie más suave. TESINA Pág. 41 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO 2.4 DESGASTE EN ENGRANES Los engranajes son, en general, cilindros con resaltos denominados dientes, conformando ruedas dentadas, las que permiten, cuando giran, transmitir el movimiento de rotación entre sus árboles o ejes colocados a una distancia relativamente reducida entre sí. Esta transmisión se realiza mediante la presión que ejercen los dientes de una de las ruedas, denominada motora sobre los dientes de la otra rueda, denominada conducida, cuando engranan entre ambas, estando durante el movimiento en contacto varios dientes sin choques ni interferencias que lo impidan o entorpezcan. Los engranajes cilíndricos pueden ser de dientes rectos, cuando éstos son paralelos al eje de giro del cilindro, o de dientes helicoidales, cuando son parte de una hélice que envuelve a dicho eje. En la Figura 2.22 se pueden observar dos engranajes cilíndricos rectos que engranan entre sí, z1 y z2, estando montados sobre los ejes I y II, siendo el primero estriado, lo que permite al engranaje z1 deslizarse a lo largo del mismo, ocupando otra posición. Distintos materiales se utilizan para la construcción de los engranajes, pudiendo ser fundición de hierro, acero, bronce, aluminio, materiales sintéticos, como el teflón, por ejemplo, etc. Fig. 2.22 Engranaje cilíndrico rectos [22]. Debido al constante rozamiento entre las superficies en contacto, éstas están expuestas al desgaste, motivo por el cual son endurecidas mediante tratamientos TESINA Pág. 42 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO térmicos de endurecimiento superficial, como es el caso del cementado de los aceros. A los efectos de evitar el desgaste, el engrane está continuamente lubricado, lo que además lo refrigera, favoreciendo la transmisión del movimiento a elevada velocidad. Los engranajes juegan un papel vital en la industria siendo encontrados en casi todo tipo de maquinaria. Su lubricación apropiada es claramente de gran importancia. La gran ventaja de los engranajes sobre otros métodos de transmisión de potencia, tales como correas, cadenas o cuerdas, es que los engranajes pueden transmitir mayores fuerzas a altas velocidades. Además los engranajes lo hacen de una manera suave y sin deslizarse. Deterioro y fallo de los engranajes Las fallas en engranajes se han agrupado en cuatro clases generales: fractura, fatiga superficial (picado), flujo plástico y desgaste. En este trabajo, se trate el fallo por desgaste. Las dos principales fuentes de fallo en un diente de engrane son por fricción y flexión, (llamados también pitting y bending, en ingles), esto es debido a las fuerzas lógicas durante la transferencia de la fuerza por el diente / engranaje, la fricción de diente contra diente y la fuerza que deben de resistir los dientes, (el que transfiere y el que recibe). Igualmente se puede originar el deterioro prematuro de un engranaje, esto es divido a que no se le dio el mantenimiento adecuado con los lubricantes que le sean propios de acuerdo a las condiciones de funcionamiento. Otra causa de deterioro, del mecanismo, es que por un sobre esfuerzo del mecanismo se superen los límites de resistencia del engranaje. La capacidad de transmisión de un engranaje viene limitada: TESINA Por el calor generado (calentamiento). Pág. 43 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Fallo de los dientes por rotura (sobre esfuerzo súbito y seco). Fallo por fatiga en la superficie de los dientes (lubricación deficiente y dureza inadecuada). Ruido como resultante de vibraciones a altas velocidades y cargas fuertes. El desgaste en un engranaje depende del material del mismo, de la forma del perfil del diente, del acabado superficial, de la lubricación y de la mayor o menor fuerza de roce entre las superficies de los dientes. Se producen cavidades por el escoriado del material por falla por fatiga y la acumulación de material debido al material blando arrastrado. El desgaste sobre el diente del engranaje puede frecuentemente ser minimizado usando diferentes aceros para cada uno de los componentes de un par de engranajes. Falla por desgaste Desgaste por deslizamiento, implica la rotura de la película lubricante, al aumentar la velocidad y la carga de la máquina, se produce contacto metal con metal, aumenta la temperatura en el contacto, se produce una sobrecarga en la zona de contacto, como se puede observar en la Figura 2.23. Cuando se eleva la temperatura, la viscosidad del aceite disminuye, también el espesor de la película. Parte desgastada de los dientes Fig. 2.23 Desgaste por deslizamiento [23]. TESINA Pág. 44 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Esto favorece nuevamente a que la temperatura se incremente hasta desarrollar fusión y soldaduras en las superficies de contacto. En los engranajes, la adhesión y desprendimiento de partículas se manifiesta encima del perfil del diente y por debajo de la línea de carga. Puede presentarse en engranajes (ver Figura 2.24), cuando se encuentra presente el deslizamiento y partículas abrasivas entre las superficies de los flancos de contacto. Por lo general, este tipo de desgaste es originado por contaminación del lubricante con partículas extrañas de alta dureza y por el deslizamiento entre los flancos. Cuando se tiene un picado severo, las partículas desprendidas pueden causar abrasión. Fig. 2.24 Desgaste abrasivo en flanco de diente de engranaje [24]. Se puede producir un desgaste por deslizamiento severo, cuando la partícula de lubricante entre los flancos activos de engrane, no es lo suficientemente efectiva (para determinadas condiciones de operación, diseño y fabricación) para evitar el contacto metal-metal. Este tipo de desgaste puede ser tan intenso que produzca escoriaciones e intenso rallado en la dirección de deslizamiento, conduciendo a un deterioro rápido de los engranajes. TESINA Pág. 45 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Causantes del desgaste abrasivo Resulta del transporte de partículas abrasivas en la película lubricante, que pueden quedar atrapadas entre los dientes de los engranajes. Las partículas abrasivas provienen del medio ambiente o de otros tipos de falla como el Pitting (picadura). El desgaste abrasivo depende de la naturaleza y tamaño de las partículas contaminantes. Prevención del desgaste abrasivo Engranajes endurecidos en su superficie. Mantener sellos de aceite herméticos. Venteos o respiraderos con filtros. Lubricantes de alta viscosidad. Cambiar el aceite periódicamente y filtrarlo en sistemas de circulación Hábitos de limpieza durante el mantenimiento Elección del lubricante y su viscosidad más adecuada El primer indicador del lubricante a utilizar en un determinado equipo, debe ser siempre la recomendación del fabricante que lo ha diseñado y conoce sus necesidades. El cambio de lubricante y el mantenimiento de los niveles en las cajas de transmisión por engranajes forman parte del mantenimiento preventivo, que hay que realizar a todo tipo de máquinas, después de un período de funcionamiento. Este mantenimiento puede tener una frecuencia en horas de funcionamiento, en kilómetros recorridos o en tiempo cronológico, semanal, mensualmente o anualmente. TESINA Pág. 46 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO 2.5 DESGASTE EN BANDAS TRANSPORTADORAS DE MINERALES En el transporte de materiales, materias primas, minerales y diversos productos se han creado diversas formas; pero una de las más eficientes es el transporte por medio de bandas y rodillos transportadores, ya que estos elementos son de una gran sencillez de funcionamiento, que una vez instalados en condiciones, suelen dar pocos problemas mecánicos y de mantenimiento. Las bandas transportadoras sufren cortes y desgaste debido a la acción abrasiva del material que transportan. Si las zonas afectadas no son reparadas inmediatamente, el corte o desgaste pueden causar daños mayores a la banda. Las bandas y rodillos transportadoras son elementos auxiliares de las instalaciones, cuya misión es la de recibir un producto de forma más o menos continua y regular para conducirlo a otro punto. Son aparatos que funcionan solos, intercalados en las líneas de proceso y que no requieren generalmente de ningún operario que manipule directamente sobre ellos de forma continuada. Consisten en una lámina sinfín (extremos unidos) plana y flexible, hecha de tela, goma, cuero o metal, estirada entre dos poleas que la hacen girar. El material se dispone en la parte superior de la banda para transportarlo. El lado de arriba de la banda, que hace el trabajo, es soportado mediante rodillos locos o por travesaños de deslizamiento. Algún dispositivo debe mantener la tensión en la banda, que se estira o afloja con el uso. TESINA Pág. 47 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Componentes de una cinta transportadora. Los componentes de una banda transportadora se pueden observar en la Figura 2.25. Fig. 2.25 Componentes de una cinta transportadora [25]. Para garantizar el funcionamiento óptimo del transportador de banda, la operación de carga de los materiales a granel tiene que cumplir ciertas condiciones como: El material debe ser suministrado centradamente en la banda y fluir uniformemente. El efecto de los impactos de las partículas al caer sobre la banda y los apoyos de rodillos amortiguadores debe reducirse al mínimo. No debe producirse estancamientos ni derrame del material en la zona de alimentación. El llenado no debe hacerse en todo lo ancho de la banda. TESINA Pág. 48 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Desgaste en bandas El principal problema de los rodamientos en las poleas de las correas transportadoras en plantas mineras, está relacionado con el desgaste por deslizamiento mezclado con el abrasivo. Este se produce al ingresar polvo contaminante a la grasa generando en la operación una verdadera pasta de pulir. Esta es la causa del porque, los rodamientos se “desgastan” cuando es controlado su juego radial en el tiempo. El mayor desgaste de la banda tiene lugar en la zona de suministro debido al deslizamiento del material sobre ella. El deslizamiento del mineral sobre la banda es resultado de la diferencia de velocidades entre las partículas alimentadas y la banda. El desgaste de la banda se intensifica con el aumento de la altura de caída de la mineral, aumentando la superficie de contacto y la longitud de deslizamiento de las partículas de mineral, el impacto y la presión de mineral contra la banda y los rodillos de apoyo en la zona de carga. El desgaste de la banda en los puntos de carga se puede reducir disminuyendo la altura de caída. La siguiente secuencia (Figura 2.26) muestra el proceso de destrucción de los rodamientos en una polea de una correa transportadora. TESINA Pág. 49 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Fig. 2.26 Proceso de destrucción del rodamiento en una polea. La lubricación, debe ser realizada con productos específicos y adecuados es indispensable para el buen funcionamiento de las instalaciones y asegura los requisitos de limpieza, higiene y desinfección. La correcta gestión de las cintas permite un elevado rendimiento, elimina los derrames, reduce las vibraciones y el ruido, mejorando las condiciones de trabajo del personal. TESINA Pág. 50 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO SUBTEMA 3 CASOS REALES DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO EN CONDICIONES LUBRICADAS. 3.1 CONCEPTO DE LUBRICANTE Un lubricante es una sustancia que, colocada entre dos piezas móviles, no se degrada, y forma así mismo una película que impide su contacto, permitiendo su movimiento incluso a elevadas temperaturas y presiones. Una segunda definición es que el lubricante es una sustancia (gaseosa, líquida o sólida) que reemplaza una fricción entre dos piezas en movimiento relativo por la fricción interna de sus moléculas, que es mucho menor. En el caso de lubricantes gaseosos, se puede considerar una corriente de aire a presión que separe dos piezas en movimiento, en el caso de los líquidos, los más conocidos son los aceites lubricantes que se emplean, por ejemplo, en los motores. El propósito de la lubricación, es la separación de dos superficies con deslizamiento relativo entre sí, de tal manera que no se produzca daño en ellas: se intenta con ello que el proceso de deslizamiento sea con el rozamiento más pequeño posible. Para conseguir esto se intenta, siempre que sea posible, que haya una película de lubricante de espesor suficiente entre las dos superficies en contacto para evitar el desgaste, como se muestra en la Figura 2.27. Fig. 2.27 Película de lubricante entre dos cuerpos en contacto [26]. TESINA Pág. 51 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO El lubricante en la mayoría de los casos es aceite mineral. En algunos casos, se utiliza agua, aire o lubricantes sintéticos cuando hay condiciones especiales de temperatura, velocidad, etc. Objetivos y campos de aplicación Un lubricante tiene por objetivo evitar el contacto entre dos superficies deslizantes de manera que no se produzca el roce directo o continuado entre ambas. Se aumenta así la vida útil del mecanismo; se mejora su rendimiento, evitando las pérdidas de energía por fricción; se lo hermetiza convenientemente; se disipa mejor el calor generado; y se facilita la limpieza y evacuado de impurezas. La lubricación correcta implica la aplicación del lubricante adecuado en el lugar que corresponda, en los intervalos y en las cantidades correctos. La aplicación típica en ingeniería mecánica es el cojinete, constituido por muñón o eje, manguito. Campos de aplicación: Cojinetes del cigüeñal y bielas de un motor (vida de miles de Km.). Cojinetes de turbinas de centrales (fiabilidad del 100%). Los factores a considerar en diseño son técnicos y económicos: Cargas aplicadas y condiciones de servicio. Condiciones de instalación y posibilidad de mantenimiento. Tolerancias de fabricación y funcionamiento; vida exigida. Costo de instalación y mantenimiento. El estudio de la lubricación está basado en: Mecánica de fluidos. Termodinámica y transmisión de calor. Mecánica de sólidos, materiales. TESINA Pág. 52 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO La lubricación por película fluida ocurre cuando dos superficies opuestas se separan completamente por una película lubricante y ninguna aspereza está en contacto. La presión generada dentro el fluido soporta la carga aplicada, y la resistencia por fricción al movimiento se origina completamente del cortante del fluido viscoso. El espesor de la película lubricante depende en gran parte de la viscosidad del lubricante tanto en el extremo alto como bajo de la temperatura. El mecanismo de lubricación se muestra en la Figura 2.28. Fig. 2.28 Mecanismo de lubricación [27]. Tipos de lubricación Pueden distinguirse, tres formas distintas, Lubricación hidrodinámica, Lubricación límite o de contorno, Lubricación hidrostática. Lubricación hidrodinámica Las superficies están separadas por una película de lubricante que proporciona estabilidad. No se basa en introducir lubricante a presión (puede hacerse), exige un caudal de aceite, la presión se genera por movimiento relativo. Se habla también de lubricación de película gruesa, fluida, completa o perfecta. La TESINA Pág. 53 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO lubricación hidrodinámica requiere de un flujo adecuado de lubricante para mantener separada las dos superficies. El espesor de equilibrio de la capa de aceite se puede alterar por: Incremento de la carga, que expulsa aceite. Incremento de la temperatura, que aumenta la pérdida de aceite. Cambio a un aceite de menor viscosidad, que también aumenta la pérdida de aceite. Reducción de la velocidad de bombeo, que disminuye el espesor de la capa. Entonces, en un cojinete bien lubricado, las propiedades de fricción y resistencia al desgaste de los materiales serían irrelevantes. La presión del lubricante en el régimen hidrodinámico mantiene suspendido al eje, soportando comúnmente entre 10 y 100 atmósferas. Lubricación límite En este tipo de lubricación (de película delgada, imperfecta o parcial) más que la viscosidad del lubricante es más importante la composición química. Al proyectar un cojinete hidrodinámico hay que tener en cuenta que en el arranque puede funcionar en condiciones de lubricación límite. La lubricación límite se produce cuando la viscosidad es muy baja, o el número de r.p.m. es reducido, o la carga es muy grande. La misión del lubricante, en el caso de lubricación límite, sigue siendo la de reducir el contacto sólido-sólido, esto se consigue con: Moléculas largas con grupo polar. Alta adherencia. Punto de vaporización alto. TESINA Pág. 54 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Se producen lubricantes para éste uso, agregando una pequeña cantidad de compuestos orgánicos polares, tales como ácidos grasos a un aceite lubricante. La reacción del grupo polar tal como un carboxilo con la superficie del metal, produce una capa monomolecular muy adherente. La película resultante reduce el número y área de las soldaduras metálicas, disminuyendo en forma importante la fricción y el desgaste. Para altas temperaturas, se usan lubricantes sólidos (grafito <600 °C>, bisulfuro de molibdeno <800 °C>). El coeficiente de fricción cae hasta 10 veces. Lubricación hidrostática Se obtiene introduciendo a presión el lubricante en la zona de carga para crear una película de lubricante. No es necesario el movimiento relativo entre las superficies. Se emplea en cojinetes lentos con grandes cargas. Puede emplearse aire o agua como lubricante. 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. Una aplicación muy importante de este régimen de lubricación, es en el arranque de varias máquinas. Para que se forme una 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 sí misma, de mantener la película de aceite. TESINA Pág. 55 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Otros tipos de lubricación Lubricación elastohidrodinámica. Lubricación sólida. Lubricación Marginal. Lubricación mixta. Lubricación elastohidrodinámica La definición de la lubricación Elastohidrodinámica (EHL) se puede explicar así: Elasto: elasticidad, ó sea que la cresta de la irregularidad en el momento de la interacción con la cresta de la otra superficie se deforma elásticamente sin llegar al punto de fluencia del material; Hidrodinámica, ya que una vez que ocurre la deformación elástica la película de aceite que queda atrapada entre las rugosidades forma una película hidrodinámica de un tamaño microscópico mucho menor que el que forma una película hidrodinámica propiamente dicha. En la lubricación hidrodinámica, el espesor de la película lubricante puede ser del orden de 5 μm en adelante, mientras que en la EHL de 1 μm ó menos. Normalmente, esta lubricación está asociada con superficies no concordantes y con la lubricación por película fluida. La lubricación elastohidrodinámica se genera en los contactos altamente cargados, que pueden ser: Lineales (engranajes). Puntuales (rodamientos de bola). Como consecuencia de las cargas, elevadas en los contactos, se tienen: Aumento de viscosidad en el aceite. Deformaciones elásticas en los cuerpos. En la lubricación elastohidrodinámica, el espesor mínimo de película depende de la viscosidad, de la velocidad y la presión. TESINA Pág. 56 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Lubricación sólida Se recurre a la lubricación sólida cuando se producen alguna/s de las condiciones siguientes: Temperaturas elevadas. Acceso difícil del lubricante liquido. Cargas extremas con vibraciones. Presencia de gases, disolventes, ácidos, etc., Los lubricantes más utilizados en este caso, son el bisulfuro de molibdeno y el grafito, que posee una estructura molecular en láminas superpuestas de tipo “hojaldrado”. Lubricación Marginal En la lubricación marginal los sólidos no están separados por el lubricante, los efectos de la película fluida son insignificantes y existe un contacto de las asperezas importante. El mecanismo de lubricación por contacto, se rige por las propiedades físicas y químicas de las películas delgadas de superficie de proporciones moleculares. Las propiedades volumétricas del lubricante tienen menor importancia y el coeficiente de fricción es esencialmente independiente de la viscosidad del fluido. Las propiedades de los sólidos y la película del lubricante en las interfaces comunes determinan las características de la fricción. El espesor de las películas de superficie varía, entre 1 y 10 nm, dependiendo del tamaño molecular. TESINA Pág. 57 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO En la Figura 2.29, se muestra el comportamiento del coeficiente de fricción en los diferentes regímenes de lubricación. El coeficiente de fricción medio se incrementa hasta un total de tres veces más al pasar del régimen hidrodinámico, al elastohidrodinámico, al marginal y al sin lubricación. Fig. 2.29 Diagrama de barras que muestra los coeficientes de fricción para varias condiciones de lubricación [28]. Lubricación Mixta. En lubricación, mixta el desgaste y el consumo de energía, dependen tanto de las características de la película límite como de la resistencia a la cizalladura de la película fluida y de su estabilidad. Si las presiones en los elementos de máquinas lubricados resultan ser demasiado altas (alta carga) o las velocidades de operación son demasiado bajas, la película del lubricante se dispersa; existe algún contacto entre asperezas y entonces ocurre este tipo de lubricación. El comportamiento de la conjunción en un régimen de este tipo se rige por una combinación de efectos marginales y de película fluida. La interacción parcial ocurre entre una o más capas moleculares de películas de lubricación marginal. La acción parcial de la lubricación de película TESINA Pág. 58 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO fluida se desarrolla en el volumen del espacio entre los sólidos. El espesor promedio de la película en una conjunción de este tipo es menor a una micra pero mayor a 0.01 micras. Es importante reconocer que la transición de la lubricación hidrodinámica a la mixta no ocurre instantáneamente a medida que la severidad de la carga se incrementa, sino que las presiones dentro del fluido que llena el espacio entre los sólidos opuestos soportan una proporción decreciente de la carga. A medida que ésta se incrementa, la mayor parte la soporta la presión de contacto entre las asperezas de los sólidos. Además el régimen de lubricación para superficies concordantes va directamente de la lubricación hidrodinámica a la mixta. 3.2 LUBRICANTES USADOS EN LA INDUSTRIA No existe en el mundo máquina alguna por sencilla que sea que no requiera lubricación, ya que con ésta, se mejora tanto el funcionamiento, como la vida útil de los equipos y maquinarias. Uno de los mayores problemas que enfrenta el mundo es la contaminación ambiental, que avanza con pasos acelerados como consecuencia del desarrollo industrial y tecnológico que demanda el aumento de la población, por lo que podemos decir que una consecuencia directa de la industrialización es la generación de grandes cantidades de residuos. La preocupación del hombre por preservar su hábitat se traduce en una preocupación de los industriales en disminuir la generación de residuos y en reutilizar la mayor parte de los que necesariamente se producen. El lubricante es un derivado del petróleo y un elemento esencial en el desarrollo, que una vez que se usa se convierte en un residuo altamente contaminante, si no se le da el manejo adecuado. De acuerdo con la información disponible es, encontrado que el problema de los lubricantes usados aún no han sido resuelto en TESINA Pág. 59 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO forma definitiva en ningún país del mundo. Se han ensayado diferentes caminos, pero la realidad es que no se ha podido controlar la totalidad de la producción. Los primeros esfuerzos por recuperar y reutilizar el aceite datan de finales de la Primera Guerra Mundial, cuando las potencias europeas se percataron del papel estratégico tan importante que jugó el petróleo. Elementos que requieren lubricación. Por complicada que parezca una máquina, los elementos básicos que requieren lubricación se muestran en la Figura 2.30: Fig. 2.30 Elementos básicos que requieren lubricación [29]. Cojinetes simples y antifricción, guías, levas, etc. Engranajes rectos, helicoidales, sin fin, etc., que puedan estar descubiertos o cerrados. Cilindros como los de los compresores, bombas y motores de combustión interna. Cadenas, acoples flexibles y cables. TESINA Pág. 60 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Grado de viscosidad de los aceites industriales Norma ISO 3448. La ISO (International Organization for Standardization) desarrolló un sistema de grados de viscosidad para los aceites industriales. El sistema comprende 18 grados de viscosidad indicados en 𝑚𝑚2 /s a 40° C. como se muestra la Tabla 1, el grado de viscosidad se indica con un numero ISO VG (valor medio del grado de viscosidad). Tabla 1 Grados de viscosidad GRADOS DE VISCOSIDAD DE LOS ACEITES PARA USO INDUSTRIALES DE ACUERDO CON LA NORMA ISO 3448 Clase ISO VG ISO VG 2 ISO VG 3 ISO VG 5 ISO VG 7 ISO VG 10 ISO VG 15 ISO VG 22 ISO VG 32 ISO VG 46 ISO VG 68 ISO VG 100 ISO VG 150 ISO VG 220 ISO VG 320 ISO VG 460 ISO VG 680 ISO VG 1000 ISO VG 1500 TESINA Valor medio de la viscosidad mm^2/s a 40°C, tolerancia 10%. 2,2 3,2 4,6 6,8 10,0 15,0 22,0 32,0 46,0 68,0 100,0 150,0 220,0 320,0 460,0 612,0 1000,0 1500,0 Pág. 61 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Para partículas, el tamaño máximo de partícula en el fluido, debe ser menor que el espesor mínimo de la película lubricante. La Tabla 2 muestra los rangos típicos de requerimientos de espesor de película para diferentes componentes en sistemas industriales. Tabla 2. Típicos espesores mínimos de película de fluido COMPONENTE Rodamientos de bolas Engranajes bombas de engranajes Bombas de pistón Servo válvulas Cojinetes planos Actuadores ESPESOR DE PELICULA (um) 0.1 a 1 0.1 a 1 0.5 a 5 0.5 a 40 1 a 60 5 a 50 50 a 250 Parámetros que se deben tomar en cuenta para la selección de un lubricante. Siempre que se vaya a seleccionar el aceite para un equipo industrial se debe tener presente que se debe utilizar un aceite de especificación ISO, y que cualquier recomendación que se dé, se debe llevar a este sistema. Los siguientes son los pasos que es necesario tener en cuenta para seleccionar el aceite para un equipo industrial: 1- Consultar en el catálogo del fabricante del equipo, las recomendaciones del aceite a utilizar. 2- Selección del grado ISO del aceite requerido a la temperatura de operación en el equipo. 3- Selección del aceite industrial, de la misma marca que los lubricantes que se están utilizando en la empresa y su aplicación en el equipo. TESINA Pág. 62 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Lubricación y diseño de elementos La lubricación de las máquinas ha cambiado mucho en los últimos años, no sólo por la evolución de los lubricantes, sino también por la utilización de los sistemas de engrase, cada vez más sofisticados. El mercado de grasas lubricantes no queda exento de cambios. Aparecen necesidades de lubricación más exigentes, y se requiere grasas de mayor calidad para periodos de lubricación más largos. Los componentes de maquina industrial que necesitan habitualmente lubricación con grasa son: Cojinetes Rodamientos Engranajes Otras partes en movimiento Selección de lubricantes Aceites contra grasas El uso de uno u otro dependerá más o menos, del diseño del cojinete, de las condiciones de trabajo y del tipo de máquina que se va a lubricar. Ventajas de las grasas 1. La frecuencia de lubricación es usualmente menor cuando se usa grasa que cuando se usa aceite. Esto hace a la grasa ideal para puntos de lubricación de difícil acceso. 2. La grasa es menos propensa a derramarse del alojamiento de un cojinete, por su naturaleza plástica, especialmente en lugares poco cubiertos. 3. Usualmente se necesita menos grasa para la buena lubricación de un cojinete que la que se necesitaría en el caso de usarse aceite. 4.-La grasa actúa como un sello contra el polvo, la suciedad y el agua. TESINA Pág. 63 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Ventajas de los aceites 1. El aceite se adapta más a todas las partes de una máquina, como cojinetes engranajes y correderas. 2. El aceite es más fácil de manipular en el vaciado y llenado de cárteres o depósitos cerrados. Por ejemplo: Caja de velocidades. 3. Es más fácil controlar la cantidad correcta de lubricante en un cojinete cuando se utiliza aceite. 4. El aceite es más adecuado para una escala amplia de temperatura y condiciones de operación. Si debido a las altas temperaturas de operación, se requiere el enfriamiento del aceite, se puede usar un sistema circulatorio de aceite, o serpentines de enfriamiento. 5. Los aceites ofrecen una escala más amplia de viscosidad a elegir para un campo más amplio de velocidades y cargas a soportar que con las grasas. 6. Es posible un campo más amplio de elección de métodos de aplicación con el aceite que con las grasas. TESINA Pág. 64 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO 3.3 DESGASTE EN PISTONES DE AUTOMÓVIL Una parte del trabajo desarrollado en el cilindro por los gases durante la combustión o trabajo indicado, se transforma en trabajo efectivo disponible en el cigüeñal, la otra fracción corresponde a las pérdidas mecánicas. El desgaste es la pérdida o deformación progresiva del material en los elementos de un sistema, que se encuentran en movimiento relativo. El desgaste ocasiona una serie de problemas graves, que a su vez contribuyen a acelerar el fenómeno: Mayor consumo de energía. Pérdida de ajustes y tolerancias. Pérdida de potencia y mayor consumo de combustible. Contaminación del lubricante. Disminución de la vida útil del activo. Mayores costos por mantenimiento. Pérdidas de producción Pistón Es un émbolo metálico de forma cilíndrica que se mueve en forma alternativa dentro de uno de los cilindros del motor para comprimir la mezcla airecombustible y percibir su energía. Los pistones tienen por función recibir la fuerza expansiva de los gases producto de la combustión de la mezcla aire-combustible y trasmitirla a las bielas. Los pistones deben ser construidos en materiales de alta resistencia al calor y al esfuerzo, deben ser de bajo peso y permitir una rápida evacuación del calor. Actualmente para su construcción se prefiere el aluminio y se les refuerza en sus partes principales con láminas de acero. TESINA Pág. 65 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Partes del Pistón Las partes de un pistón se pueden observar en la Figura siguiente. Fig. 2.31 Partes de un pistón [30]. Desgaste por deslizamiento El deslizamiento ó “Scuffing” es el desgaste más típico y perjudicial que se produce durante el funcionamiento del motor. Dependiendo, si se da en los segmentos del pistón o en las paredes del cilindro el tipo de “Scuffing” es diferente. Paredes del cilindro: Delaminación. Segmentos del pistón: Fractura de la “capa blanda”. El desgaste que se produce en los segmentos del cilindro suele ser una mezcla de abrasión y “scuffing”. La abrasión, en este caso forma parte del desgaste por deslizamiento, se produce cuando penetran en el sistema partículas duras (por ejemplo, polvo ambiental). El desgaste de los cilindros no es uniforme; es mayor hacia la cámara de combustión, donde llega el aro superior de estanquidad cuando el pistón se halla en el punto medio superior (PMS), y disminuye rápidamente hacia el otro extremo. TESINA Pág. 66 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Esto se debe a 3 causas: La abrasión debida a partículas extrañas presentes en el aceite. La abrasión debida al contacto metal con metal, con el cilindro por un lado y el pistón con sus aros por otro. La corrosión causada por acción química de los productos de la combustión. La abrasión, causada por la presencia de partículas metálicas o de polvo, se combate con éxito por medio de filtros de aire y de aceite que, poseen una eficiencia muy elevada. En este trabajo, se describen algunas formas de daño del pistón y cilindro ocasionados por el desgaste por deslizamiento y en estos casos va mezclado con abrasión. Desgaste por falta de lubricación ocasionada por exceso de carburante En la superficie de rodadura de la falda del pistón hay huellas longitudinales con rayas delgadas localizadas en áreas determinadas, como se muestra en la Figura 2.32. Fig. 2.32 Desgaste por falta de lubricación [31]. TESINA Pág. 67 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO El carburante no quemado y condensado en la superficie de rodadura del cilindro ha diluido la película de aceite o la ha eliminado. Por eso el conjunto pistón-cilindro se mueve sin lubricación. El resultado son rayas delgadas a lo largo de la superficie producida por el rozamiento de ambas piezas. En estos casos, el área de segmentos permanece intacta porque sólo los del pistón entran en contacto con la superficie de rodadura del cilindro. En el caso de desgaste por exceso de carburante, el lugar estropeado del pistón está ubicado siempre en los puntos en donde se apoya la falda del pistón en el cilindro. Ahí aparece el diagrama normal de un pistón que ha funcionado en buen estado. Desgaste irregular del cilindro. En los agujeros del cilindro aparece un desgaste irregular con áreas individuales pulidas y brillantes, ver la Figura 2.33. El pistón, en contraste, no tiene huellas de desgaste ni de fricción. El motor ha perdido aceite en los lugares de obturación, especialmente en los retenes radiales. Áreas pulidas Fig. 2.33 Áreas pulidas y brillantes ocasionadas por el desgaste [32]. El aceite pasa por los segmentos y penetra en la cámara de combustión en donde se carboniza. El aumento de los gases de combustión que atraviesan los pistones, incrementa, desde luego, la presión en el cárter del cigüeñal. Esta sobrepresión conduce a pérdidas de aceite en diversos lugares en el motor, sobre todo en los TESINA Pág. 68 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO retenes radiales. Además de esto, las guías de las válvulas presionan el aceite en los canales de aspiración y de escape y el motor entonces los aspira y los quema o expulsa. Consumo excesivo de aceite ocasionado por suciedad, Desgaste de pistones, segmentos y superficies de rodadura de cilindros En el diagrama del pistón, ver la Figura 2.34, destaca el color gris lechoso de la falda y las finas estrías longitudinales en la pared de fuego. Las ranuras formadas al mecanizar el pistón están enteramente desgastadas en la falda. La Figura 2.35 muestra un corte aumentado de la falda, en donde se nota claramente el desgaste por deslizamiento asociado con abrasión. Zona desgastada, se formas estrías longitudinales. Fig. 2.34 Estrías longitudinales en la pared de fuego [33]. Fig. 2.35 Desgaste por abrasión [34]. Este deterioro ha causado una disminución de la altura axial de los segmentos del pistón, y por lo tanto, ha reducido también las tensiones tangenciales. La lubricación forma parte fundamental de las operaciones del mantenimiento preventivo que se debe realizar al vehículo para evitar que el motor sufra desgaste prematuro o daños por utilizar aceite contaminado o que ha perdido sus propiedades. Un lubricante automotriz que no cumple con las recomendaciones del fabricante o que ya está degradado genera: TESINA Pág. 69 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Desgaste prematuro de partes internas del motor: cigüeñal, pistones, metales, árbol de levas, etc. Mayor emisión de contaminantes, lo que afecta al convertidor catalítico. Carbonización en la cámara de combustión, lo que provoca la pre-ignición. Evaporación del propio producto. En la Tabla 3, se recogen los diferentes requisitos de aditivos que necesita tener un lubricante en función del problema que se produzca en el motor. Tabla 3. Problemas relacionados con una mala selección del lubricante a los aditivos. PROBLEMAS Gases de azufre y ácidos Cobustible oxidado Componentes pesdos del combustibles Cenizas procedentes de la combustión Altas temperaturas del pistón EFECTOS Desgaste corrosivo Lacas en el pistón Lacas en el pistón Carbón en las gargantas del segmento REQUERIMIENTOS Alta reserva alcalina Detergentes Dispersantes Detergentes Dispersantes Detergentes Dispersantes Oxidación del aceite Antioxdantes Depósito en los segmentos . 3.4 DESGASTE EN FRENOS AUTOMOTRICES Todos los vehículos han de disponer de un mecanismo que sea capaz de aminorar la velocidad a la que circula o pararse completamente si es necesario. Ese mecanismo, es el denominado sistema de frenado. Pero como no todos los vehículos son iguales, se montan los sistemas de frenado con algunas diferencias entre ellos. Es un mecanismo de absorción de energía que convierte el movimiento del vehículo en calor mientras detiene las ruedas. Se considera el mecanismo más TESINA Pág. 70 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO importante del vehículo porque la seguridad y la vida de quienes viajan en el vehículo dependen de él. Conforme se continúa absorbiendo energía, la temperatura del tambor o del rotor ayuda a disipar el calor y a mantener la elevación de la temperatura bajo control. Frenos Los frenos son elementos que sirven para disminuir la velocidad y mantener en reposo los elementos de una máquina. Si el freno actúa entre dos elementos con movimiento relativo de rotación, puede ser considerado como un embrague con uno de los elementos fijo a la bancada. El sistema de frenos fundamenta su funcionamiento en dos principios básicos de la física: • La Ley de Pascal, y • La Fricción Daños de los frenos Los frenos reducen la velocidad de los vehículos mediante el uso de la fricción para convertir la energía cinética en energía térmica. Este proceso, implica la abrasión de las pastillas de freno, rotores y los discos, que produce los residuos y partículas. Las emisiones de desgaste de los frenos se ven afectadas por una serie de factores, los cuales se indican a continuación: A finales de frenado y frenado, las emisiones aumenta por causa de fuerza mayor sobre las pastillas de freno o el disco. Mantenimiento, pérdidas y desajustes no sólo son peligrosos, si no que aumentan el desgaste de los materiales de frenos. TESINA Pág. 71 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Esta vez solo se menciona el desgaste de los frenos de disco y de tambor, las causas que ocasionan este tipo de desgaste por deslizamiento. Frenos de Disco Disco Fisurado o con Grietas Los discos han sido sometidos a temperaturas de funcionamiento muy altas. En la parte exterior del disco se ven claros síntomas de sobrecalentamiento. Las altas temperaturas favorecen la aparición de las grietas, las cuales se forman al existir pequeños poros en el material, los cuales debido a las altas temperaturas, crecerán hasta formar una grieta. Las grietas hacen que el disco sea frágil, lo cual en definitiva, favorece el crecimiento de la grieta hasta romper en dos partes el disco. Las grietas se producen debido a las deformaciones a las que son sometidos los discos y los impactos que las pastillas producen sobre los mismos. Se provocan vibraciones y existe la posibilidad de que una de las grietas crezca tanto que rompa el disco, con el consiguiente riesgo que ello conlleva. Antes de llegar a la ruptura del disco, las características fricciónantes del conjunto balata / disco se ven fuertemente alteradas como consecuencias de la ruptura de la tercera capa. En la Figura 2.36 se observa como el desgaste prematuro de las balatas ha hecho muescas en el disco. Se aprecia claramente el surco que la zapata de la balata ha dejado sobre el borde exterior del disco. Surcos ocasionados por las zapatas. Fig. 2.36 Uso intensivo, Daño por Fisura o con Grieta [35]. TESINA Pág. 72 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Para que este problema no aparezca nuevamente, es necesario que durante el período de asentamiento pastillas-disco, por lo menos los primeros 200 km., las frenadas deben ser suaves y progresivas. Y luego durante la vida de los discos evitar el calentamiento excesivo de los mismos. Desgaste excesivo de los discos debido al contacto metal-metal con las zapatas de las pastillas Si las pastillas se han desgastado tanto que ha llegado haber un contacto metal – metal entre el disco y la zapata de la pastilla, como se observa en la Figura 2.37, se aprecia un desgaste abrasivo que deja surcos muy pronunciados, también se observa transformación de material entre el disco ya que aparecen zonas oscuras. Se puede reconocer este problema por la disminución de la eficiencia del freno, así como por el ruido que produce al frenar, con el consiguiente incremento de la temperatura que se produce por el contacto metal – metal. Surcos pronunciados. Fig. 2.37 Desgaste excesivo de los discos debido al contacto Metal-Metal con las zapatas de las pastillas [36]. TESINA Pág. 73 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Desgaste por surcos y/o rayado profundo. La formación de rayas y/o surcos profundos como se puede observar en la Figura 2.38, pueden haber sido causados por la interposición de diferentes materiales extraños entre la pastilla y el disco. Estos materiales se pueden haber introducido entre la pastilla y el disco durante el manejo de la unidad. También puede ser provocado por una acumulación de material duro de la pastilla al tener un mal proceso de mezclado o elementos extraños durante el proceso de fabricación. Otra causa es la falta de limpieza después del rectificado, es por eso tan importante la recomendación de lavar con agua y con jabón el disco después de rectificado. Los síntomas que se pueden detectar son la aparición de ruidos muy desagradables durante el proceso de frenado y sin aplicar el freno. Se aprecia una reducción de la eficacia de frenado debido a la reducción de la superficie útil de contacto entre el disco y la pastilla. Surcos Fig. 2.38 Desgaste por surcos [37]. TESINA Pág. 74 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Freno de Tambor Desgaste excesivo Si hay desgaste excesivo en los bordes del área de contacto entre la superficie de frenado y las balatas, como se muestra en la Figura 2.39, o en las áreas que coinciden con los agujeros para remaches de las balatas, hay que revisar el sistema para asegurar que no haya acumulación anormal de materiales abrasivos. La causa más usual de este problema es la acumulación de materiales abrasivos, ya sea por la presencia o ausencia de guardapolvos, dependiendo de la aplicación del vehículo. Si el problema ocurre con los guardapolvos instalados, quite el guardapolvo inferior para permitir que los materiales abrasivos salgan con mayor facilidad del sistema de frenos. Zonas de desgaste. Fig. 2.39 Desgaste excesivo [38]. Tambores con muescas Este problema se manifiesta en surcos definidos en la superficie de frenado del tambor y como un desgaste excesivo de las balatas. TESINA Pág. 75 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Si las marcas son profundas y el tambor está dentro de los límites recomendados de diámetro interno puede rectificar el tambor para eliminar las marcas. La Figura 2.40, muestra las marcas profundas en forma de surcos. Surcos ocasionados por el desgaste excesivo. Fig. 2.40 Balatas con surcos [39]. El funcionamiento constante y confiable de un sistema de frenos depende de un buen programa de mantenimiento. Es importante que el programa de mantenimiento preventivo incluya inspecciones regulares programadas del sistema de frenos. Sus costos por kilómetro disminuirán notablemente si incorpora un programa de inspección regular de frenos. Puede reducir los costos de tiempos muertos, si detecta los problemas antes de que obliguen a tener el vehículo fuera de servicio durante largos períodos. TESINA Pág. 76 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO 3.5 DESGASTE EN PRÓTESIS DE CADERA Existen múltiples causas por la cual una cadera tenga que ser sustituida por una prótesis. Dentro de estas causas la más común es la artrosis de cadera, que corresponde al desgaste del cartílago que cubre las articulaciones. Esta artrosis se puede producir sin una causa reconocible o secundaria a alguna otra enfermedad, por ejemplo: displasia de cadera, artritis reumatoide, necrosis avascular, etc. La operación consiste en sacar la articulación de la cadera que se encuentra dañada y reemplazarla por una articulación artifcial (prótesis), teniendo como principales objetivos el alivio del dolor y la recuperación de la movilidad [40]. Independientemente de los fenómenos de corrosión u oxidación que experimentan las prótesis, los parámetros fricción, lubricación y desgaste se muestran como variables dependientes que se manifiestan físicamente a través de un mayor o menor desgaste protésico, y es que el desgaste y sus partículas impactan directamente sobre el éxito o el fracaso de las prótesis articulares implantadas en una artroplastia total de cadera (ATC), osteolisis con aflojamiento aséptico, aparición de pseudo tumores, efectos chirriantes, etc. La investigación sobre tribología en prótesis “in vitro” utiliza tribómetros o dispositivos, para medir la fricción y el desgaste como principal herramienta. La razón de ello, es que con un tribómetro, es posible simular en laboratorio las características fundamentales de un problema de desgaste o fricción, sin las dificultades asociadas a la experimentación “in vivo”, reproduciendo los fenómenos de fricción y desgaste bajo condiciones controladas. TESINA Pág. 77 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Mecanismos de daño El uso normal de la prótesis puede provocar daños en el polímero. Hay tres mecanismos de daño que afectan al mismo: Desgaste: daño, abrasión – adhesión. Fatiga: iniciación de fisuras y propagación. Delaminación: combinación de desgaste y fatiga. El mecanismo dominante depende de cada tipo de prótesis y de la conformidad entre sus partes. Las prótesis de cadera tienen un alto grado de conformidad entre el tallo metálico y al acetabular. Esto hace que el mecanismo de daño dominante sea el de desgaste mientras que en las prótesis de rodilla el grado de conformidad es muy bajo y por lo tanto los mecanismos que dominan son el de fatiga y delaminación. Desgaste por deslizamiento. Centrándonos en lo que se conoce como desgaste por deslizamiento el desgaste de los materiales, en prótesis se mide por índice de desgaste o volumen de material perdido por unidad de superficie, es decir, espesor perdido perpendicularmente a la superficie por unidad de longitud de deslizamiento relativo. TESINA Pág. 78 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO En la Figura 2.41, es posible ver los 4 componentes que forman la prótesis de cadera. El componente acetabular con su vertiente metálica que estará en contacto con el hueso, y la vertiente de polietileno que contacta con la cabeza del fémur. La cabeza femoral. Componente femoral o vástago que se introducirá en el interior de la cavidad labrada del fémur. Fig. 2.41 Componentes de la prótesis de cadera [41]. El desgaste en la prótesis, suele producirse lentamente, esto se debe al aflojamiento del componente acetabular que es el problema mecánico mas frecuente la prótesis. Produce dolor y, si el aflojamiento es importante, puede ser necesario sustituir la prótesis por otra. Las partes que sufren desgaste en las prótesis de cadera son: el componente acetabular, cabeza y el polietileno. TESINA Pág. 79 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO En la Figura 2.42, se muestra la cabeza de la prótesis y la zona de desgaste que se origina al ser contacto con el componente acetabular.. Zona de desgaste. Fig. 2.42 Cabeza de la prótesis [42]. Por otra parte, el componente acetabular transmite la carga al hacer contacto con la cabeza de prótesis ocasionando el desgaste, como lo indica la Figura 2.43. Zona de Desgaste ocasionado por el movimiento entre el acetabular y la cabeza. Fig. 2.43 El componente acetabular, transmite la carga hacia la cabeza de la prótesis [43]. TESINA Pág. 80 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO En la Figura 2.44 de la derecha, se aprecia el desgaste en dicha zona; está comprendida dentro del plano ecuatorial de la cabeza, perpendicular a la fuerza resultante del peso corporal se representa con la letra R. Fig. 2.44 Desgaste del material. Relación orientación / zona de carga [44]. Tribológicamente hablando, la articulación de cadera es un mecanismo complejo de baja fricción en la que el líquido sinovial actúa como lubricante apoyado por el cartílago articular, que mediante el propio movimiento articular reparte el lubricante por toda la extensión cartilaginosa, consiguiendo un coeficiente de fricción del orden de 0,002 a 0,004 y soportando normalmente esfuerzos del orden de 1 MPa. TESINA Pág. 81 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO 3.6 DESGASTE EN HERRAMIENTAS DE CORTE, USADAS EN MAQUINAS HERRAMIENTAS La transformación de la forma de los materiales por cualquier proceso de arranque de virutas, juega un papel fundamental en la elaboración de piezas. El objetivo fundamental de este proceso es obtener piezas con una configuración geométrica requerida y un acabado deseado. El proceso consiste en arrancar de la pieza bruta, el excedente de material por medio de herramientas de corte y máquinas adecuadas para estas operaciones. Hoy en día, las producciones de piezas mediante este proceso han aumentado, tanto por la demanda, como por las exigencias de las mismas. Para poder satisfacer el mercado, los procesos de fabricación se ven obligados a sacarle todo el potencial a las máquinas, viéndose obligados a trabajar a regímenes de corte muy violentos, sobre todo a muy altas velocidades de corte. Este desgaste es debido a varios factores mecánicos y químicos que actúan sobre el filo de la herramienta, que se ve incrementado por el aumento de la temperatura en la zona de corte. Este aumento es debido al rozamiento entre viruta-herramienta-pieza, a grandes presiones que sufre el conjunto y al proceso de formación de la viruta. Este efecto calorífico se puede disminuir con el empleo de un fluido de corte que sea capaz de arrastrar el calor que se genera en el conjunto y lubricar la zona de rozamiento. El desgaste de las herramientas de corte es un proceso gradual, cuya rapidez depende de los materiales de la herramienta y del elemento a mecanizar, la forma de la herramienta, el fluido de corte, los parámetros involucrados en el proceso de corte como la velocidad, avance y profundidad, y las características de la máquina herramienta en general. TESINA Pág. 82 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Existen dos tipos básicos de desgaste, que corresponden a dos regiones de la herramienta: desgaste de flanco y desgaste de cráter, ver la Figura 2.45. Zona de corte del buril que sufre desgaste. Fig. 2.45 Proceso de corte [45]. En general, el desgaste de la herramienta es un proceso gradual, muy parecido al desgaste de la punta de un lápiz ordinario por el deslizamiento que realiza. La rapidez del desgaste depende de los materiales de la herramienta y de la pieza, la forma de la herramienta, el fluido de corte, los parámetros del proceso (como la velocidad de corte, avance y profundidad de corte) y las características de la máquina herramienta. Desgaste por deslizamiento en las herramientas de corte Todas las herramientas de corte, se desgastan durante el mecanizado, y tal desgaste sigue hasta que sobreviene el final del filo. Hoy en día, los parámetros que se manejan para determinar cuando un filo de corte está en condiciones óptimas para cortar son principalmente el acabado superficial, la precisión dimensional que queda en la piezas elaboradas, el patrón de desgaste de la herramienta, que tipo de viruta se forma, la vida del filo prevista e incluso hay diferentes sistemas de monitorización del desgaste. El desgate de la herramienta es producto de una combinación de gran cantidad de factores que actúan sobre el filo de corte. El desgaste es el resultado de la TESINA Pág. 83 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO interacción entre la herramienta, el material a cortar y las condiciones de mecanizado. Los principales factores que actúan sobre la herramienta son del tipo mecánico, químico y térmico, como se ha comentado con anterioridad. Como resultado de la actuación conjunta de estos factores sobre él filo de corte durante el mecanizado, el material de la herramienta es afectado por algunos mecanismos o factores a través de los cuales se produce el desgaste. Desgaste de flancos de incidencia Este desgaste tiene lugar en la superficie de relieve de la herramienta (flanco) de incidencia del filo (ver Figura 2.46), principalmente es debido al fenómeno de desgaste por abrasión. Un excesivo desgaste de flanco conducirá a un empeoramiento en la calidad superficial, deterioro de la precisión dimensional e incremento del rozamiento como consecuencia de la transformación geométrica. Resulta del rozamiento entre la superficie de trabajo recién creada y la cara adyacente al borde de corte. Zona del flanco que sufre desgaste. Fig. 2.46 Desgaste de flanco [46]. TESINA Pág. 84 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Desgaste por deformación plástica Tiene lugar como resultado de la combinación de altas temperaturas y presiones sobre el filo (Figura 2.47). Altas velocidad de corte, grandes avances y materiales de pieza duros, dan como resultado compresión y calor. Es esencial el mantenimiento de la dureza en caliente para la estabilidad del material de la herramienta y evitar así la deformación plástica. La irregularidad del filo de corte provocara a altas temperaturas, deformación geométrica, desviaciones de flujo de virutas y seguirá hasta alcanzar un estado crítico. El tamaño del refuerzo del filo y la geometría del corte, de gran importancia para combatir este tipo de deterioro de la herramienta. Fig. 2.47 Desgaste por deformación plástica [46]. Desgaste por fisuras térmicas Las fisuras son debidas principalmente a un desgaste por fatiga como consecuencia de un ciclo térmico; sobre todo por cambios de temperaturas que se producen en un corte alternativo como el fresado y que pueden dar lugar a este tipo de desgaste. La disposición de las fisuras, perpendiculares a la arista de corte, hace que puedan desprenderse partículas del mismo. TESINA Pág. 85 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Estas partículas, del material de la herramienta, pueden convertirse ellas mismas en un riesgo que ayuden a destruir el propio filo de corte, ver la Figura 2.48 Zona de desgaste. Fig. 2.48 Desgaste por fisuras térmicas en la fresadora [48]. Fluidos de corte Los fluidos de corte son una serie de productos con un alto poder lubricante y refrigerante, empleados mayoritariamente en la industria del mecanizado metálico y como fluidos de corte y mecanizado en las operaciones, donde existe un contacto directo entre la pieza en construcción y la herramienta empleada. Los fluidos de corte optimizan las condiciones físico-químicas de la zona de contacto entre metales prolongando la vida de las herramientas y reduciendo la energía de fricción. Además, refrigeran para evitar un sobrecalentamiento de piezas y herramientas, evacuan limaduras, evitan óxidos, eliminan gérmenes y bacterias, etc. Con el paso del tiempo, las propiedades de los fluidos van desapareciendo (fenómeno conocido con el nombre stress mecánico), a la vez que aparecen una serie de contaminantes, que reducen aún más sus propiedades y rendimientos, entre los que destacan principalmente los aceites externos procedentes de fugas de los circuitos hidráulicos y de engrase, lubricantes, partículas sólidas metálicas, microorganismos, restos de trapos de limpieza, polvo ambiental, etc. TESINA Pág. 86 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO ANALISIS CRÍTICO DE LOS DIFERENTES ENFOQUES Un factor muy importante a inspeccionar durante la operación de una máquina es la introducción de contaminantes que debe evitarse, entre ellos están el polvo ambiental y partículas abrasivas. Dentro de un buen programa de inspección, debe considerarse evitar las paradas forzadas de la máquina, siendo necesario realizar los programas adecuados y efectivos para llevar a cabo las paradas planeadas, reduciendo el mayor tiempo posible dichos paros. Al hacer uso de varias bibliografías, las personas que están consultando el tema en ocasiones se les complican el entendimiento de este, ya que el autor expone el tema de una manera extensa y profunda, con términos científicos y demasiadas deducciones las cuales hacen un poco más complicada su comprensión. Sin embargo el enfoque más importante de este trabajo se considera que es sentar las bases teóricas y prácticas fundamentales que ayuden a evitar el deterioro de los elementos mecánicos, así mismo que pueda que pueda detectar fallas, analizar y darle solución a los problemas que se plantean en esta investigación. TESINA Pág. 87 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO CAPITULO III TESINA Pág. 88 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO CONCLUSIONES El desgaste por deslizamiento es un problema grave en la industria mecánica, que debe ser enfrentado para reducir las pérdidas en la industria. Además, al mezclarse con partículas como las abrasivas, polvo, y contaminación del lubricante genera un daño mayor en el componente mecánico. Son muy diversas y variadas las causas que originan este tipo de desgaste, como el medio ambiente que lo rodea, el aumento de temperatura, que es la causa más importante para el desgaste de las herramientas de corte. Los elementos mecánicos son sometidos a grandes cargas, velocidades extremas y a condiciones severas de trabajo. Se debe tener un buen sistema de lubricación para poder reducir el desgaste en los componentes bio- mecánicos, éste problema no sólo se encuentra en la industria, sino también en la tribología de articulaciones, es un problema grave para los componentes de las prótesis de cadera, que están sometidos a cargas. Con este trabajo, se comprueba que teniendo una buena selección de lubricantes, y un programa adecuado de monitoreo para los elementos, se obtiene mayores rendimientos de los componentes mecánicos, y un menor consumo de combustible en el caso del motor de combustión interna. Todo esto da como resultado proporcionar conocimientos fundamentales sobre este tipo de desgaste, conocer cuáles son las causas que lo provocan y cómo se puede evitar este problema. TESINA Pág. 89 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO BIBLIOGRAFIA 1.- Martínez Pérez Francisco, LA TRIBOLOGIA, 1ª Edición, Editorial Limusa, México D.F. 1996 2.- Sárkar A. D., DESGASTE DE METALES, 1ª Edición, Editorial Limusa, México 1990. URL [1] Esquema de la fuerza de fricción: www.cenm.org/abstract/uao/gcim/zulima.pdf [2] Métodos de pruebas: Hutchisgs, I.M., Tribology: Friction and Wear of engineering Materials, Cambridge University Press, Cambridge, U.K., 1992. [3],[4],[5] Equipo de desgaste: www.cenm.org/abstract/uao/gcim/zulima.pdf [6] Esquema de desgaste por deslizamiento: http://www.clubdemantenimiento.com/articulos_13.html [7].-Turbina de gas: https://www.swe.siemens.com/spain/web/es/energy/com_energy/proyectos/Pages/ turbina.aspx [8],[9],[10].- Partes de turbina de gas: ASM Metals Handbook, Vol. 1, 10th Edition, ASM International, Materials Park, OH, 1990, pp. 995–1006. [11].- Parte de turbina: http://www.cicloscombinados.com/20overhaulctcc.html [12],[13],[14],[15],[16],[17].-Partes de rodamiento: www.almacenrodamientos.com/catalogos/Averias.pdf [18],[19].- Imagenes MEMS: http://www.simet.gob.mx/automotriz/ags/presentaciones/Bloque%202/2.3%20Aplic aciones%20industriales.pdf TESINA Pág. 90 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO [20],[21].- Imagenes MEMS: www.hindawi.com/journals/ijqsr/2011/820243/ [22].- Engranaje: http://demaquinas.blogspot.com/2008/11/introduccin-los- engranajes-andrs-vargas.html [23],[24].- Desgaste en engranes: http://www.google.com.mx/imgres?q=desgaste+en+engranes&um [25].- Cinta transportadora: http://www.google.com.mx/imgres?q=bandas+transportadoras&um=1&hl=es&sa= N&rlz=1R2PCTA_esMX331&tbm=isch&tbnid=9nIVFYDvUpEwGM:&imgrefurl=http: //rotranssa.com/cintas-transportadoras&docid=lnNzyDpxg8PWM&imgurl=http://rotranssa.com/images/cintas-transportadoras01.gif&w=1044&h=562&ei=ZPtXTTPM4uAsgKA6v24DQ&zoom=1&biw=1280&bih=600&iact=rc&dur=722&sig=10444 4602280527115493&page=1&tbnh=85&tbnw=158&start=0&ndsp=19&ved=1t:429,r :15,s:0&tx=111&ty=30 [26].- Definición de lubricante: es.wikipedia.org/wiki/Lubricante [27].-Mecanismo de lubricación: www.mantenimientomundial.com/sites/mm/notas/histrib.pdf [28].-Coeficiente de fricción: http://www.google.com.mx/imgres?q=DIAGRAMA+DE+COEFICIENTE+DE+FRIC CION&um=1&hl=es&sa=N&rlz=1R2PCTA_esMX331&tbm=isch&tbnid=FkV6jX5uj6 2cCM:&imgrefurl=http://widman.biz/boletines/19.html&docid=5E3Rkg2173jWEM&i mgurl=http://widman.biz/boletines/19_files/coeficiente_friccion.jpg&w=338&h=292& ei=MQJYT_2vA8WrsQLu3IjkDQ&zoom=1&iact=hc&vpx=549&vpy=270&dur=54&h ovh=209&hovw=242&tx=127&ty=118&sig=104444602280527115493&page=1&tbn h=123&tbnw=142&start=0&ndsp=18&ved=1t:429,r:8,s:0&biw=1280&bih=600 TESINA Pág. 91 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO [29].-Lubricación: http://www.google.com.mx/imgres?q=COJINETES&um=1&hl=es&rlz [30].- Parte del pistón: www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica22.htmEn caché Similares [31],[32],[33],[34].- Desgaste en pistón: http://maquinasdebarcos.wordpress.com/page/9/ [35],[36],[37].- Desgaste en Frenos: http://www.orma.com.mx/docs/productos/frenos/imagenes/autopar-tips.pdf [38],[39].- Desgaste en Frenos: http://www.gunite.com/literature/pdf/BDrum_spa.pdf [40].- Definición prótesis de cadera: http://www.protesiscadera.cl/ [41].- Componentes prótesis de cadera: http://www.slideshare.net/underwear69/fracturas-de-acetbulo [42],[43],[44].- Desgaste en prótesis: http://scielo.sld.cu [45],[46].- Imagen: Fotografía del Taller de Maquinas Herramientas, CECATI 103. [47] .- Desgaste en Herramientas de corte: http://www.toolingu.com/definition201305-29252-deformacion-plastica.html [48].- Imágenes: Fotografía del Taller de Maquinas Herramientas, CECATI 103. TESINA Pág. 92 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO ANEXOS TESINA Pág. 93 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO ANEXO A Tabla 1. Equivalencias entre los diferentes sistemas de clasificación de viscosidad. . TESINA Pág. 94 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO ANEXO B Tabla 2. Resumen general de normas y especificaciones de rendimiento de aceites, lubricantes y grasas. TESINA Pág. 95 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO ANEXO C Tabla 3. Especificaciones técnicas del Tribómetro para el desgaste por Deslizamiento. Marca MicroTest. TESINA Pág. 96 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO APÉNDICES TESINA Pág. 97 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO GLOSARIO Adhesión: Es la capacidad para generar fuerzas normales entre dos superficies después de que han sido mantenidas juntas. Es decir, la capacidad de mantener dos cuerpos unidos por la generación anterior de fuerzas de unión entre ambos. Aditivo: Es una sustancia química agregada a un producto para mejorar sus propiedades, en el caso de los combustibles dicha sustancia es utilizada en pequeñas cantidades añadida durante su elaboración por el fabricante, para cambiar las características del mismo y para mejorar sus propiedades. Asperezas: Desigualdad de una superficie que produce falta de suavidad. ASTM: American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas y Materiales). ASTM G77: Método estándar para la resistencia a la clasificación de los materiales de desgaste por deslizamiento usando el bloque sobre anillo de desgaste de la prueba. ASTM G83: Sociedad Americana para Pruebas y materiales. Método de prueba estándar para la prueba de desgaste usando el método cilindro cruzado. ASTM G98: Sociedad Americana para Pruebas y materiales. Método de prueba estándar para la prueba de desgaste usando el método perno sobre disco. Artroplastia: Operación quirúrgica que tiene por objeto la reconstrucción de una articulación destruida o anquilosada, mediante la resección de las superficies articulares y la interposición de una prótesis para recuperar la función y suprimir el dolor. TESINA Pág. 98 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO ATC: Artroplastia Total de Cadera. Bending: Flexión. Carburante: Es un combustible para hacer funcionar un motor de combustión interna. Cartilaginoso: Variedad de tejido conjuntivo muy resistente y elástico que realiza funciones de sostén. Cizalladura: Es una constante elástica que caracteriza el cambio de forma que experimenta un material elástico (lineal e isótropo), cuando se aplican esfuerzos cortantes. Este módulo recibe una gran variedad de nombres, entre los que cabe destacar los siguientes: Módulo de rigidez transversal, módulo de corte, módulo de cortadura, módulo elástico tangencial, módulo de elasticidad transversal. Coeficiente de fricción: Expresa la oposición al movimiento que ofrecen las superficies de dos cuerpos en contacto. Es un coeficiente adimensional. Usualmente se representa con la letra griega μ (mu). Cojinetes: Es la pieza o conjunto de ellas sobre las que se soporta y gira el árbol transmisor de momento giratorio de una máquina. Contacto hertziano: El contacto entre dos cuerpos, y las acciones que tienen lugar al interactuar entre ellas es un problema de mecánica clásica resuelto por Hertz en el siglo XIX. Por eso se usa el termino de contacto hertziano para definir el contacto entre la rueda y el carril, que se produce a altas velocidades y en una superficie de contacto muy pequeña. Desgaste: Es la perdida de material sufrida por una superficie sólida por acción de otra superficie. Está relacionado con las interacciones entre superficies y más específicamente con la eliminación de material de una superficie como resultado de una acción mecánica. TESINA Pág. 99 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Desgaste del flanco: Desgaste de herramienta resultante de la erosión gradual del filo. El desgaste lateral es causado principalmente por abrasión y es la forma más deseada de desgaste de herramienta. Desgaste de cráter: Desgaste de la herramienta caracterizado por una depresión cóncava en la cara de incidencia de la herramienta de corte adyacente al filo de corte. El desgaste del cráter es también llamado craterización. Ecuación de Archard: La ecuación desgaste Archard es un sencillo modelo utilizado para describir deslizante desgaste y se basa en la teoría de la aspereza de contacto. EHL: Lubricación Elastohidrodinámica. Embalaje: Es un recipiente o envoltura que contiene productos de manera temporal principalmente para agrupar unidades de un producto pensando en su manipulación, transporte y almacenaje. EP: Extrema presión. Estría: Raya, surco o hendidura que suelen tener algunos cuerpos. Excentricidad: Parámetro que determina el grado de desviación de una sección cónica con respecto a una circunferencia. Fatiga: Se refiere a un fenómeno por el esfuerzo. Fisuras: Hendidura longitudinal poco profunda, grieta. Flanco: Es la superficie de la herramienta frente a la cual pasa la viruta generada en la pieza (superficie de incidencia). Grietas: Abertura estrecha, larga e irregular, que se hace en una superficie. Grupo polar: Es aquél en el cual la distribución de los electrones es dispareja por lo cual el grupo puede participar en interacciones electrostáticas. Con otras TESINA Pág. 100 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO palabras, es un grupo que tiene o puede desarrollar una polaridad eléctrica debido a un cambio de sus electrones. “in vitro”: Se refiere a una técnica para realizar un determinado experimento en un tubo de ensayo, o generalmente en un ambiente controlado fuera de un organismo vivo. La fecundación in vitro es un ejemplo ampliamente conocido. “in vivi”: En ciencia, in vivo se refiere a experimentación hecha dentro o en el tejido vivo de un organismo vivo, por oposición a uno parcial o muerto. Pruebas con animales y los ensayos clínicos son formas de investigación in vivo. ISO: Organización Internacional para la Estandarización. Liquido sinovial: Es un fluido viscoso y claro que se encuentra en las articulaciones. Tiene la consistencia de la clara de huevo. Lubricación Hidrodinámica: Un sistema de lubricación en el cual la forma el movimiento relativo de las superficies que se deslizan una sobre otra, causa la formación de una película fluida que tiene la suficiente presión para separar las superficies. El movimiento relativo entre las partes en fricción forma la película lubricante separadora (con contacto en la parada y rozamiento mixto en el arranque). MEB: Microscopio Electrónico de Barrido. MEMS: Sistemas Microelectromecánicos (Micro-Electro-Mechanical-Systems) Muesca: marca o surcos. Muñón: Cada uno de los cilindros o conos truncados que sirven de eje, para facilitar el giro a cualquier cuerpo pesado, como un cañón, telescopio, campana, etc. Osteolisis: Destrucción progresiva del tejido óseo. Partículas abrasivas: Son partículas angulares o circulares que rasgan y golpean la superficie y fracturan el recubrimiento y dejan texturas marcadas. TESINA Pág. 101 FUNDAMENTOS DE DESGASTE POR DESLIZAMIENTO Pin-on-disk: Perno sobre disco. Pitting: Falla por fatiga superficial. Polímero: Un polímero no es más que una sustancia formada por una cantidad finita de moléculas que le confieren un alto peso molecular que es una característica representativa de esta familia de compuestos orgánicos. Rodamiento: Es un tipo de cojinete, que es un elemento mecánico que reduce la fricción entre un eje y las piezas conectadas a éste por medio de rodadura, que le sirve de apoyo y facilita su desplazamiento Rodillo: Ruedas cuya longitud es muy grande respecto a su diámetro y que manteniéndose fijas en el espacio (gracias a que también disponen de un eje de giro) permiten el desplazamiento de objetos sobre ellas. Ruedas dentadas: Mecanismo utilizado para transmitir potencia de un componente a otro dentro de una máquina. Scuffing: Deslizamiento. Sistema de venteo: El sistema de venteo comprende en sentido amplio todo aquello que, durante la formación o tras cierto desarrollo de una explosión, sirve para abrir momentánea o permanentemente hacia una dirección segura la instalación inicialmente cerrada en la que se lleva a cabo la explosión si se alcanza la presión de respuesta de un dispositivo de descarga. Surcos: Señal o hendidura que un objeto deja sobre la otra. Tribosistema: Descripción de un proceso de desgaste. wear debris: Fragmentos de desgaste. Zapata: Pieza de un sistema de freno que roza contra una rueda o su eje para disminuir la velocidad del movimiento o para detenerlo. TESINA Pág. 102
