DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO

ÍN C IA
LUZ D
F
I M
E
U N IV ER S ID A D V E R A C R U Z A N A
FA C U LTA D DE IN G E N IE R ÍA M E C Á N IC A E L É C T R IC A
XA LAPA
PR O G R AM A A C R E D ITA D O PO R E L C ACEI
C O N S E J O D E A C R E D IT A C IÓ N DE L A E N S E Ñ A N Z A D E LA IN G E N IE R ÍA , A . C.
A G O S T O DE 2007
ALBERTO ALEJANDRO RIVERA PONCE
“ DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN TRIBOMETRO ROTATORIO ”
Circuito Gonzalo Aguirre Beltrán S/N
C.P. 91000 Zona Universitaria
Xalapa, Ver.
fime@ uv.mx
Tel-Fax (228) 1 41 10 31
Directo (228) 8 42 17 57
ÍNDICE.
IN T R O D U C C IÓ N .............................................................................................................3
C A PÍT U L O I.- IN T R O D U C C IÓ N Y A N Á L ISIS B IB L IO G R Á F IC O
4
1.1.- HISTORIA Y ANTECEDENTES.................................................................... 5
1.2.- LUBRICACIÓN.....................................................................................................7
1.3 - OBJETIVOS Y CAMPOS DE APLICACIÓN............................................. 7
1.4 - SUPERFICIES CONCORDANTES................................................................ 8
1.5 - SUPERFICIES N O CONCORDANTES........................................................ 9
1.6 - TIPOS DE LUBRICACIÓN, LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA. 10
1.7 LUBRICACIÓN M ARG INAL...........................................................................12
1.8 LUBRICACIÓN M IXTA.....................................................................................14
1.9 - TIPOS DE DESGASTE EN MATERIALES. [21]...................................15
1.10 - ALG UNAS RECOMENDACIONES PARA PROPORCIONAR
RESISTENCIA AL DESGASTE POR ADH ERENCIA Y POR
A B R A SIÓ N .....................................................................................................................18
1 . 1 1- IM PORTANCIA DEL D ESG A STE........................................................... 21
C A PÍT U L O II.- JU S T IF IC A C IÓ N D E L T R IB Ó M E T R O R O T A T O R IO .
................................................................................................................................................24
2.12.2
DEFINICIÓN DE TRIBÓMETRO............................................................. 25
- IMPORTANCIA DE LOS TRIBÓM ETROS...........................................26
2.3.- JUSTIFICACIONES...........................................................................................27
2.4.- RAZÓN DE D ESG A STE..................................................................................31
2.5 - LEY DEL DESGASTE POR ADHERENCIA........................................... 34
2.6 - ÁNGULO DE ASPEREZA.............................................................................. 36
2.7 - MECANISM O DE FATIGA............................................................................39
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
1
C A PÍT U L O III.- D ISE Ñ O Y C O N ST R U C C IÓ N DE UN
T R IB Ó M E T R O R O T A T O R IO .................................................................................42
3.1.- JUSTIFICACIÓN................................................................................................ 43
3.2. -ANTECEDENTES............................................................................................... 44
3.3 - TRIBÓMETROS COMERCIALES...............................................................44
3.4.- DISEÑO MECÁNICO....................................................................................... 45
3.6 - CONSTRUCCIÓN Y MONTAJE.................................................................. 78
3.7.- PRESUPUESTO.................................................................................................. 80
C A PÍT U L O IV : P R O C E D IM IE N T O S Y V A L ID A C IÓ N DE LA
A P L IC A IC Ó N E X PE R IM E N T A L D E L T R IB Ó M E T R O P A R A L A
D E T E R M IN A C IÓ N DE L A R E SIST E N C IA A L D E SG A ST E
M E D IA N T E E N SA Y O S D E D E S L IZ A M IE N T O ............................................. 82
4.1-
PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA
RESISTENCIA AL DESGASTE M EDIANTE ENSAYO DE
DESLIZAM IENTO.......................................................................................................83
4.2 - VALIDACIÓN DE LA APLICACIÓN EXPERIMENTAL DEL
TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE M EDIANTE ENSAYO S DE DESLIZAM IENTO
98
4.3 - DISEÑO DE LOS EXPERIMENTOS....................................................... 104
4.3.2
- PASOS INICIALES PARA LA PLANIFICACIÓN DE
EXPERIMENTOS................................................................................................... 109
4.4 - DISEÑO EXPERIMENTAL PARA M Á Q U IN A ROTATORIA
122
4.5 - PROCESAMIENTO DE LOS RESULTAD O S....................................... 124
4.6.- RESULTADO S..................................................................................................133
4.7 - ANÁLISIS DE LOS R ESUSLTADO S.......................................................146
C O N C L U C IO N E S ........................................................................................................150
A N E X O S ...........................................................................................................................151
B IB L IO G R A F ÍA ........................................................................................................... 197
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
2
IN T R O D U C C IÓ N .
Si bien uno de los requisitos para definir el progreso lo es el uso que el
homo sapiens ha hecho de la tecnología, no hay que olvidar que fueron los
grupos bárbaros del periodo neolítico los que tendieron los cimientos
de la
sociedad moderna en un lapso no mayor de 2 000 a 3 000 años (alrededor del
3 500 a 1 500 a. de C.). para que exista un avance tecnológico es necesario
que el hombre dé forma a materiales m etálicos o no metálicos siguiendo el
diseño preconcebido de algún componente, ya sea una lanza para caza o un
vehículo de transporte con ruedas. Entre los utensilios tribológicos, los más
comunes fueron los taladros hechos de concha, hueso y piedra. Todo indica
que todavía en la edad media (400 a 1 400 d. de C.) la piedra era uno de los
materiales preferidos en Europa cuando se requería resistencia al desgaste y
que se le usaba en la fabricación de arados y aros para ruedas. Los tecnólogos
siempre han estado consientes del desgaste, por lo que han buscado la manera
de combatir este proceso o de aprovecharlo. Para que haya desgaste, es
indispensable que los
componentes
estén en contacto directo y
para
contrarrestarlo, los ingenieros interponen un lubricante que separa las
superficies.
En el mundo entero existe un gran interés por estudiar el desgaste de
metales y materiales. Es por ello que con el presente proyecto, pretendo
mencionar algunos de los principios que rigen el desgaste de metales, y para
su demostración e diseñado y construido este tribómetro rotatorio.
Se sabe que para que haya desgaste debe existir una interacción de
superficies, es por ello que explicaré de manera algo breve la topografía de
superficies, también analizaré la fricción y el desgaste que esta provoca,
consideraré las teorías del desgaste por adherencia
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
3
C A PÍT U L O I.- IN T R O D U C C IÓ N Y A N Á L IS IS B IB L IO G R Á FIC O .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
4
F undam entos de la T ribología
1.1.- H IST O R IA Y A N T E C E D E N T E S.
A lo largo de la historia de la humanidad, los problemas relacionados
con la fricción, siempre han estado presentes y de alguna manera se les ha
tratado de dar una posible solución, sin embargo hasta hoy en día no se tiene
una solución absoluta de dichos problemas.
La Tribología podría parecer algo nuevo, pero es solo la percepción,
solamente el término com o tal lo es, ya que el interés en temas relacionados
con la disciplina existe desde antes de que la historia se escribiera. Como un
ejemplo, se sabe que las “brocas” realizadas durante el periodo Paleolítico
para perforar agujeros o para producir fuego, eran “fijados” con rodamientos
hechos de cornamentas o huesos.
Los documentos históricos muestran el uso de la rueda desde el 3500
A.C., lo cual ilustra el interés de nuestros antepasados por reducir la fricción
en m ovimientos de traslación. Los egipcios tenían el conocimiento de la
fricción y los lubricantes, esto se ve en el transporte de grandes bloques de
piedra para la construcción de monumentos y pirámides. Para realizar esta
tarea utilizaban agua o grasa animal com o lubricante.
El artista científico renacentista Leonardo D a V inci fue el primero que
postuló un acercamiento a la fricción. Da V inci dedujo la leyes que
gobernaban el m ovimiento de un bloque rectangular deslizándose sobre una
superficie plana, también, fue el primero en introducir el concepto del
coeficiente de fricción. Desafortunadamente sus escritos no fueron publicados
hasta cientos de años después de sus descubrimientos. Fue en 1699 que el
físico francés Guillaume Amontons redescubrió las leyes de la fricción al
estudiar el deslizamiento entre dos superficies planas.[1]
Muchos otros descubrimientos ocurrieron a lo largo de la historia
referente al tema, científicos com o Charles Augustin Coulomb, Robert Hooke,
Isaac Newton, entre otros, aportaron conocimientos importantes para el
desarrollo de esta ciencia.
Al surgir la Revolución Industrial el desarrollo tecnológico de la
maquinaria para producción avanzó rápidamente. El uso de la potencia del
vapor permitió nuevas técnicas de manufactura. En los inicios del siglo veinte,
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
5
desde el enorme crecimiento industrial hasta la demanda de una mejor
tribología, el conocimiento de todas las áreas de la tribología se expandió
rápidamente.
La tribología es la ciencia y tecnología que estudia la lubricación, la
fricción y el d esgaste de partes m óviles o estacionarias. La lubricación, la
fricción y el desgaste tienen una función fundamental en la vida de los
elementos de maquinas.
El termino tribología viene del término griego tribos, que significa
frotamiento o rozamiento y logía que viene a ser ciencia, por tanto la
traducción literal será “la ciencia del frotam ien to”. [20]
La mayoría de las consecuencias de la fricción y el desgaste se
consideran negativas, tales com o el consumo de energía y la causa de las fallas
mecánicas, sin embargo existen beneficios fundamentales de la fricción y el
desgaste. La interacción neumático y el piso por ejemplo o el zapato y el
suelo, sin los cuales trasladarse sería imposible.
La fricción sirve com o el mecanismo de conexión inherente en los
nudos, los clavos y el conjunto tuerca tornillo.
El esfuerzo de diseño no solo debe ser menor que el esfuerzo
permisible y la deformación no debe exceder ningún valor máximo, sino que
la lubricación, la fricción y el desgaste (consideraciones tribológicas) también
deben ser apropiadamente comprendidas para que los elementos de maquinas
se diseñen con éxito.
Es reconocida com o fuente de gran potencial para economizar recursos
financieros además de la preservación de activos físicos, materias primas y
recursos energéticos. También com o una ineludible forma de hacer
Mantenimiento Proactivo en equipos y maquinarias.
Como en la resistencia de materiales, la tribología es la base para cada
diseño de ingeniería de elementos de maquinas. Casi ningún elemento de
maquina no depende de consideraciones tribológicas.
Dentro de los tres grupos inherentes que comprende trataremos
inicialmente de la lubricación que es el que justamente nos interesa más, en
otras palabras com o tratar los efectos que produce la fricción, el desgaste y en
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
6
consecuencia el remedio es una visión proactiva hacia una lubricación racional
y efectiva.
1.2.- L U B R IC A C IÓ N .
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 (gaseoso, líquido o sólido) de espesor
suficiente entre las dos superficies en contacto para evitar el desgaste.
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.
Históricamente es interesante señalar que únicamente con la mejora de
los procesos de fabricación de elementos metálicos (a partir de la revolución
industrial) y el aumento de las velocidades de giro de ejes y elementos
rodantes se ha podido obtener los valores de disponibilidad que actualmente
tenemos con ellos.[20]
1.3.- O B JE T IV O S Y C A M PO S DE A P L IC A C IÓ N .
El objetivo de la lubricación es reducir el rozamiento, el desgaste y el
calentamiento de las superficies en contacto de piezas con movimiento
relativo.
La aplicación típica en ingeniería mecánica es el cojinete, constituido
por muñón o eje, manguito o cojinete.
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:
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
7
• Cargas aplicadas y condiciones de servicio.
• Condiciones de instalación y posibilidad de mantenimiento.
• Tolerancias de fabricación y funcionamiento; vida exigida y
vida útil.
• Costos de instalación y mantenimiento.
L a lub ricación p o r p elícu la flu id a ocurre cuando dos
opuestas se separan completamente por una película lubricante
aspereza está en contacto. La presión generada dentro el fluido
carga aplicada, y la resistencia por fricción al m ovimiento
completamente del cortante del fluido viscoso.
superficies
y ninguna
soporta la
se origina
El espesor de la película lubricante depende en gran parte de la
viscosidad del lubricante tanto en el extremo alto com o bajo de la temperatura.
1.4.- SU PE R FIC IE S C O N C O R D A N T E S.
Las superficies concordantes se ajustan bastante bien una con otra con
un alto grado de conformidad geométrica, de manera que la carga se transfiere
a un área relativamente grande.
Por ejemplo el área de lubricación para una chumacera será de 2n por
el radio por la longitud.
El área de la superficie que soporta una
generalmente constante mientras la carga se incrementa.
carga
permanente
Journal
Fig. 1.1.- C hum acera y m anguito
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
La chumacera con lubricación de película fluida representada en la
figura 1 y los cojinetes deslizantes tienen superficies concordantes. En las
chumaceras la holgura radial entre el cojinete y el manguito es por lo general
la m ilésim a parte del diámetro del cojinete; en los cojinetes deslizantes la
inclinación de la superficie de estos respecto al rodillo de rodadura suele ser
muy rara. Un ejemplo de superficie concordante es la junta de la cadera del ser
humano.
1.5.- SU PE R FIC IE S N O C O N C O R D A N T E S.
Muchos elementos de maquinas lubricados por una película fluida
tienen superficies que no concuerdan entre si. Entonces un área pequeña de
lubricación debe soportar todo el peso de la carga.
Por lo general el área de lubricación de una conjunción no concordante
es 3 veces menor que la magnitud que la de una superficie concordante.
El área de lubricación entre superficies no concordantes se agranda
bastante con el incremento de carga; pero aun así es más pequeña que el área
de la lubricación entre las superficies concordantes.
Ejemplos de superficies no concordantes son el acoplamiento de los
dientes de un engranaje, el contacto entre levas y seguidores, y también los
cojinetes de elementos rodantes.
Rolling
e le m e n t
Fig. 1.2.- R epresen tación de superficies no concordantes
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
1.6.- TIPO S DE L U B R IC A C IÓ N , L U B R IC A C IÓ N
H ID R O D IN Á M IC A .
Tenemos cuatro tipos básicos de lubricación y estos se desarrollan a
continuación. La lubricación hidrodinámica se caracteriza en superficies
concordantes con una lubricación por película fluida. En este tipo de
lubricación las películas son gruesas de manera que se previene que las
superficies sólidas opuestas entren en contacto. Con frecuencia se la llama la
fo r m a id ea l de lubricación, porque proporciona baja fricción y alta resistencia
al desgaste.
La lubricación de las superficies sólidas se rige por las propiedades
físicas del volumen del lubricante, especialmente de la viscosidad; por otra
parte, las características de fricción se originan puramente del cortante del
lubricante viscoso.
Una presión positiva se desarrolla en una chumacera o en un cojinete
de empuje lubricados ambos hidrodinámicamente, porque las superficies del
cojinete convergen, y su m ovimiento relativo y la viscosidad del fluido
separan las superficies. La existencia de una presión positiva implica que se
soporta la aplicación de una carga normal.
Generalmente la magnitud de la presión que se desarrolla es menor que
5 Mpa y no es lo suficientemente grande para causar una deformación elástica
significativa en las superficies.
En un cojinete lubricado hidrodinámicamente el espesor mínimo de la
película es función de la carga normal que se aplica W, de la velocidad ub, de
la viscosidad absoluta del lubricante n0 y de la geometría (Rx y Ry). En la
figura 3 se representa características de la lubricación hidrodinámica. El
espesor mínimo de película hmin como una función ub y W para el
m ovimiento deslizante se obtiene mediante la ecuación 1:
Donde el espesor mínimo de la película normalmente excede 1 ^m.
(hmi„M ub / W ) A %.
Ec. 1.1.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
Fig.
1.3.hidrodinám ica
L ubricación
Conformal suifaces
pmil, - i MPa
h min = f <W - U b-
Rx- R y>>
1 M '"
N o elastic effect
1.6.1.- L U B R IC A C IÓ N E L A ST O H ID R O D IN Á M IC A .(E H L )
Este es un tipo de lubricación que desde su descubrimiento por los
profesores británicos D ow son Duncan y H igginson Gordon en la década de
los años 5 0 ’s marcó el verdadero com ienzo a la solución de los problemas de
desgaste en mecanismos que funcionaban sometidos a condiciones de altas
cargas y bajas velocidades y que hasta entonces se manejaban como
mecanismos lubricados por película límite ó fluida. La lubricación EHL se
presenta en mecanismos en los cuales las rugosidades de las superficies de
fricción trabajan siempre entrelazadas y nunca llegan a separarse. En este caso
las crestas permanentemente se están deformando elásticamente y el control
del desgaste y el consumo de energía depende de la película adherida a las
rugosidades. S e podría denominar esta película com o lím ite pero de unas
características de soporte de carga y de resistencia al desgaste mucho más
elevadas que las que forma la película límite propiamente dicha. En la
lubricación EHL la lubricación límite es permanente, ó sea que no hay mucha
diferencia entre las condiciones de lubricación en el momento de la puesta en
marcha del mecanismo y una vez que este alcanza la velocidad nominal de
operación.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
11
La definición de la lubricación Elastohidrodinámica se puede explicar
así: E lasto: 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; H idrodinám ica, 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 ^m en adelante, mientras que en la EHL de
1 ^m ó menos. Normalmente esta lubricación esta asociada con superficies no
concordantes y con la lubricación por película fluida.
1.7 L U B R IC A C IÓ N M A R G IN A L .
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.
La Fig. 4 ilustra las condiciones de película fluida en la lubricación
marginal. Las pendientes de la superficie y los espesores de la película se
encuentran magnificados por fines didácticos.
En la Fig. 5 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.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
12
i ~ 1 B o u n d a ry f ilm
|
| B u lk lu b r i c a n t
(a)
ib)
te)
Fig. 1.4.- C ondiciones de p elícu la que se requieren para la
lubricación a) lubricación p or pelícu la flu id a: superficies separadas por la
m asa principal de la pelícu la lub ricante; b ) lubricación m ixta; tanto la
m asa principal del lubricante com o la pelícu la m argin al tien en una
fu n ción ; c) lubricación m argin al: el desem peño depende esencialm ente de
la pelícu la m arginal.
Unlu-bricated
-
tod-ynamic
hEyladsro
BDuadary
-Hydrodynamic
:
Fig. 1.5.- D iagram a de barras que m u estra los coeficientes de
fricción para varias condiciones de lubricación.
La Fig. 6 muestra la tasa de desgaste en los varios regímenes de
lubricación determinada por la carga de operación. En los regímenes
hidrodinámicos y elastohidrodinámicos existe poco o ningún desgaste pues no
hay contacto de asperezas. En el régimen de lubricación marginal, el grado de
interacción de asperezas y la tasa de desgaste se incrementan a medida que la
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
carga aumenta. La transición de lubricación marginal a una condición no
lubricada se distingue por un cambio drástico en la tasa de desgaste.
A medida que se incrementa la carga relativa en el régimen no
lubricado la tasa de desgaste se incrementa hasta que se presentan estrías o
cuando ocurre el agarrotamiento y el elemento de maquina ya no opera
adecuadamente. La mayoría de las maquinas no operan por mucho tiempo sin
alguna lubricación con la consecuencia inmediata de una falla de los
elementos involucrados.
La lubricación marginal se utiliza en los elementos de maquinas con
cargas pesadas y bajas velocidades de operación, donde es difícil obtener una
lubricación por película fluida. Como ejemplo clásico tenemos el
funcionamiento de las bisagras de las puertas que utilizan esta lubricación.
Seizure
Relative load
Fig.
lubricación
1.6.-
R ap idez
del
desgaste
para
varios
regím enes
de
1.8 L U B R IC A C IÓ N M IX T A .
La grafica generada por un rugosímetro tal com o lo muestra la Fig. 7
una línea media de referencia. Este sistem a se basa en la selección de la línea
media com o centroide del perfil. D e esta forma las áreas por encima y debajo
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
14
de esta línea son iguales, de manera que el promedio zi es cero. Es una
condición intermedia entre las películas límite e hidrodinámica, en la cual un
buen porcentaje de las crestas de las dos superficies interactúan presentándose
la película límite y otras ya están separadas en las cuales la película lím ite no
desempeña ninguna labor. En lubricación m ixta el desgaste y el consumo de
energía dependen tanto de las características de la película límite com o de la
resistencia a la cizalladura de la película fluida y de su estabilidad (IV).
Si las presiones en los elementos de maquinas 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 fluida se desarrolla en el volum en 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.
1.9.- TIPO S DE D E SG A ST E E N M A T E R IA L E S. [21].
El proceso de desgaste, puede definirse com o una pérdida de material
de la interface de dos cuerpos, cuando se les ajusta a un movimiento relativo
bajo la acción de una fuerza. En general, los sistemas de ingeniería implican el
m ovimiento relativo entre componentes fabricados a partir de metales y no
metales, y se han identificado seis tipos principales de desgaste, com o sigue:
1.
2.
Desgaste por adherencia.
Desgaste por abrasión.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
15
3.
4.
5.
6.
Desgaste por ludimiento.
Desgaste por fatiga.
Desgaste por erosión.
Desgaste por cavitación.
Aquí se estudian brevemente los principios que se aplican para
disminuirlo. Sin embargo, es necesario definir el mecanismo de estas seis
formas de desgaste.
1.9.1.- D E SG A ST E P O R A D H E R E N C IA .
En este caso, el m ovimiento relativo puede ser deslizamiento
unidireccional o de vaivén, o bien la interacción ocurre bajo carga en un
contacto oscilatorio de pequeña amplitud. Se sabe que los picos superficiales
que coinciden fluyen plásticamente y forman fuertes uniones endurecidas por
el trabajado. A medida que estas se rompen bajo la tracción tangencial
impuesta, los sólidos van perdiendo material.
1.9.2.- D E SG A ST E P O R A B R A SIÓ N .
Las partículas abrasivas producidas por los residuos del desgaste o por
partículas extrañas de arena y polvo circundante permanecen atrapadas en la
superficie deslizante y eliminan material principalmente por formación de
surcos.
1.9.3.- D E SG A ST E P O R L U D IM IE N T O
El desgaste por ludimiento aparece com o resultado del movimiento
oscilatorio de dos superficies en contacto, com o sucede en máquinas donde
existe vibración entre las partes.
1.9.4.- D E SG A ST E PO R FA T IG A .
Es probable que el modo predominante de la mayoría de los tipos de
desgaste sea por desprendimiento de material de la superficie por fatiga, ya
sea que la naturaleza del m ovimiento sea unidireccional o de vaivén.
Clasificar un tipo particular de falla com o desgaste por fatiga puede ser
confuso. Sin embargo, a fin de hacer un clasificación, el término desgaste por
fatiga se reserva para identificar la falla de contactos lubricados en casos como
los rodamientos de bolas o rodillo, engranes, levas y mecanism os impulsores
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
16
de fricción. La pérdida de material es por desprendimiento de capas
superficiales y por picaduras, com o en los engranes.
Se piensa que las grietas por fatiga aparecen debajo de la superficie en
un punto en que el esfuerzo cortante es máximo.
Obviamente, puede lograrse un mejoría en la vida de estos elementos,
si trabaja a un carga de contacto baja y el método más preferido en la industria
es producir componentes con la profundidad óptima de capa endurecida junto
con un buen acabado superficial. El propósito de esta capa externa dura tal
como se obtiene por carburación, nitruración o sulfurización es proporcionar
una superficie con un alto límite de resistencia en una región vulnerable a la
iniciación de grietas.
1.9.5.- D E SG A ST E P O R E R O SIÓ N .
El desgaste por erosión se define com o el proceso de eliminación de
metal provocado por la incidencia de partículas sólidas sobre una superficie.
El desgaste por erosión es deliberado com o en el caso de la lim pieza de piezas
de colada o cascos de barco por medio de chorros de arena, pero en ocasiones
se produce una pérdida destructiva y costosa de material com o en el caso de
las hélices de turbinas de gas o los refractarios en hornos de arco eléctrico. El
grado de desgaste tiene relación con el ángulo de incidencia de la partícula
respecto de la superficie. Los materiales dúctiles parecen deformarse y
posiblemente se endurezcan cuando se les golpea en forma perpendicular,
pero a un ángulo crítico de aproximadamente 20°, el metal se elim ina por una
acción de corte. Los materiales frágiles fallan por agrietamiento de las
superficies cuando la fuerza de impacto es normal. Se deduce que un
componente dúctil finalmente se endurecerá por trabajado y fallará com o si
fuera frágil.
Se han hecho intentos de manipular el ángulo de incidencia por
modificación del diseño del componente en sí o por protección de las
superficies con un material como el hule. El control del ángulo de incidencia,
es una situación industrial que no es fácil y es pertinente especular si las
superficies deben recubrirse con medios que se puedan restaurar si las
superficies deben recubrirse con medios que se puedan restaurar fácilmente
como un procedimiento programado de mantenimiento.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
17
1.9.6.- E R O SIÓ N P O R C A V IT A C IÓ N .
La erosión por cavitación se presenta cuando un sólido se m ueve a alta
velocidad en un medio líquido, siendo un caso típico el de las hélices de los
barcos. Mientras que el desgaste por erosión implica una acción meramente
mecánica, se cree que la erosión por cavitación está relacionada con la
formación de burbujas dentro del medio líquido, a través del cual pasa el
componente sólido. La erosión por cavitación se produce también en los
rodamientos lubricados.
Se ha demostrado que la fuerza del impacto causado excede el punto
de fluencia de la mayoría de los metales.
Quizá los metales más efectivos sean los duros que tienen una elevada
resistencia de fluencia, o que se endurecen por trabajo en el servicio. Los
materiales más adecuados son la estelita y el acero inoxidable 18/8. El bronce
al manganeso colado es un material preferido para hélices marinas. Tiene una
resistencia inferior a la erosión por cavitación que la estelita o que el acero
inoxidable, pero es resistente a la corrosión marina y se ha demostrado que la
corrosión agrava la erosión por cavitación.
Además, de recubrir un sustrato metálico con revestimientos de cromo
duro, con frecuencia se utiliza una capa elástica que absorbe las elevadas
fuerzas de impacto. Como ejemplo de estos últimos materiales están el
poliuretano y el neopreno, entre otros.
1.10.- A L G U N A S R E C O M E N D A C IO N E S PA R A
P R O P O R C IO N A R R E SIST E N C IA A L D E SG A ST E PO R
A D H E R E N C IA Y P O R A B R A SIÓ N .
Tanto el desgaste por adherencia com o el desgaste por abrasión se
puede considerar en la ingeniería com o la forma más común de desgaste.
Siempre que dos superficies entran en contacto existe la probabilidad de
adherencia en puntos favorables de la interface seguida, probablemente, por el
desgaste. Es poco probable que la interface esté libre de areniscas y residuos
de desgaste, de manera que en tales casos el mecanismo de desgaste, com o en
los rodamientos lisos y las camisas de cilindros, es seguramente una
combinación de adherencia y abrasión.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
18
A l diseñar partes a prueba de desgaste, no es recomendable seleccionar
un par de metales que presenten solubilidad mutua.
D e este modo, acero que se deslice sobre acero no es una proposición
lógica aunque se ha tenido éxito de deslizar hierro colocado sobre sí mismo,
quizá por la presencia de grafito. Tanto las leyes del desgaste por adherencia,
como las del desgaste por abrasión, muestran que entre más duro sea un
componente, más resistente será el desgaste y esto se confirma en la práctica.
Una de las dificultades con los materiales excesivam ente duros es que son
susceptibles de sufrir fallas por fractura y, para evitar las fallas mecánicas, el
componente debe ser tenaz lo que es característico de los materiales blandos y
dúctiles; por lo tanto, para mantener la tenacidad parece necesario sacrificar
dureza. Sin embargo, mediante tratamientos superficiales y térmicos de los
componentes es posible alcanzar un núcleo tenaz con una superficie dura.
En general, si no existe m ovimiento oscilatorio, corrosión ni
temperatura elevada, se pueden aplicar los siguientes principios para
seleccionar aceros:
a. Fuerza de impacto baja: se utilizan carburos duros en la
microestructura o se nitrura o carburiza el acero. También pueden emplearse
hierros y aceros martensíticos.
b. Fuerza de impacto alto: el criterio recomendable es utilizar aceros
austeníticos, inoxidables o el acero Hadfield al manganeso.
Se han hecho tres clasificaciones amplias de los métodos tribológicos
para disminuir el desgaste, a saber, el uso de una capa protectora y los
principios de conversión y diversitificación.
1.10.1.- C A PA PR O T E C T O R A .
Sobre todas las superficies se forma inevitablemente una capa de
óxidos o gases sorbidos, pero sin ésta, muchos casos de deslizamiento en seco,
como el caso de las vías de ferrocarril, no resistirían el servicio por un periodo
aceptable. Invariablemente, en la mayoría de las situaciones se utilizan
lubricantes líquidos o sólidos.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
19
En la actualidad hay un renovado interés por evaluar los diversos tipos
de tratamientos superficiales antes de poner en servicio los componentes, con
el propósito de lograr resistencia al desgaste.
Hablando en forma general el tratamiento puede clasificarse en dos
tipos:
a. D epósito de un metal o un no metal sobre el componente.
b. Tratamiento de difusión como el carburizado o nitruración.
Com o ejemplos de depósito están los fosfatos sobre hierro colado y
acero de estaño sobre aluminio. Estos tienen vidas limitadas y protegen las
superficies del daño severo durante el arranque inicial. Otras formas de
tratamiento por difusión son, la sulfurización, cromación y los recubrimientos
electrolíticos. La metalización y aspersión del metal o las técnicas de
recubrimiento con superficies duras, com o el uso de revestimientos soldados,
también proporcionan películas resistentes al desgaste.
1.10.2.- PR IN C IPIO D E C O N V E R SIÓ N
El principio de conversión permite el desgaste de una parte del sistema
para ofrecer protección a otros componentes más importantes. Un ejemplo es
el uso de anillos para pistones de hierro colado que, al desgastarse
rápidamente, evitan el rayado de la camisa del cilindro.
1.10.3.- PR IN C IPIO D E D IV E R SIF IC A C IÓ N .
El componente menos costoso, por ejemplo un cojinete liso, está
diseñado para desgastarse a fin de proteger a tramo de flecha, más caro, del
daño superficial y el desgaste. En las chumaceras, los metales blancos, que
contienen estaño, plomo, cobre y antimonio, proporcionan una superficie
blanda de deslizamiento.
Sin embargo, si se incrementa la fuerza y la velocidad, será necesario
utilizar superficies más duras en los cojinetes, com o las que proporcionan los
bronces.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
20
1.11.- IM P O R T A N C IA D E L D E SG A ST E .
El desgaste de las partes implica reposición y esto en sí es costoso.
Mas, aun, las superficies desgastadas hacen que se pierda la precisión y
merma la eficiencia. Por lo tanto, deben hacerse todo lo posible para diseñar
con una cantidad de desgaste mínima.
Se tiene suficientes datos para demostrar que con una fuerza
característica, aunque dependiendo de las propiedades de metal, se produce
una rápida transición que da lugar a un desgaste severo a partir del régimen
precedente de desgaste moderado.
Es indispensable que las partes m óviles de la maquinaria sean
diseñadas de tal manera que a la fuerza de contacto no exceda las condiciones
que determina el régimen de desgaste moderado.
A la larga no es más costoso utilizar materiales con alto esfuerzo de
fluencia para permitir cargas pesadas en el servicio.
Si bien se hace todo por disminuir el desgaste en el estado
estacionario, durante el arranque inicial de las máquinas nuevas se deben
eliminar las capas superficiales. El proceso de arranque inicial probablemente
implica la creación de una capa subcutánea deformada que será lo bastante
dura para resistir el estado estable del desgaste, pero los picos superficiales,
deben desgastarse y deformarse para mejorar el ajuste de las partes en
interacción. El hecho que en esta etapa se realice un trabajo mecánico
adicional que interviene en la deformación y el desgaste, se aprecia en la
Figura 2 que muestra el alto consumo de combustible durante el arranque
inicial de un automóvil nuevo. Sin embargo, es difícil pronosticar la razón de
desgaste porque depende no sólo de la carga y la velocidad de la superficie,
sino también de otros factores que no siempre es posible evitar. Siempre hay
presencia de abrasivos extraños o de residuos, que se forman por interacción y
como se sabe, los abrasivos incrementan la razón de desgaste.
La elevada velocidad superficial es benéfica, porque eleva la
temperatura interfacial, lo que facilita la formación de películas de óxido.
En el caso de motores de gasolina, se produce aproximadamente un
galón de agua por cada galón de combustible quemado. Los productos de
combustión contienen óxidos de carbono, azufre y pequeñas cantidades de
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
21
compuestos de bromo y cloro. Si la temperatura de la pared del motor es baja,
el agua y los productos de combustión ácidos corrosivos para la pared del
cilindro y para los anillos de los pistones. El desgaste se acentúa com o se
muestra en la Figura 3. N o es de sorprender que no se haya propuesto una sola
ley del desgaste, que se pueda aplicar con confianza para predecir la razón de
desgaste de los componentes de interacción. Una razón importante es que, en
común con muchos sistemas tecnológicos, la mayoría de las situaciones
tribológicas actúan bajo la acción combinada de diversas variables. Por
ejemplo, la abrasión puede estar superpuesta a una situación que se diseñó en
primer término para el desgaste por adherencia y el problema se agrava si el
sistema funciona en un entorno hostil. Por lo tanto, es indispensable que al
diseñar partes a prueba de desgaste, se identifiquen las condiciones de servicio
de los componentes. Sin embargo, para predecir las razones de desgaste, debe
existir una continua inversión en investigación encaminada a obtener
información sobre los mecanismos de los diversos tipos de desgaste en
superficies que interactúan al estar sujetas a m ovimiento relativo.
1.12.- P R O C E D IM IE N T O
M A T E R IA L E S.
PARA
LA
SE L E C C IÓ N
DE
La importancia de la selección de materiales para la resistencia al
desgaste requiere un estudio de los detalles del desgaste al fin de determinar
cuál de las propiedades convencionales del material puede resistirlo mejor.
Los mejores instrumentos que se pueden emplear son los microscopios, y la
fotografía si es posible. El m icroscopio más útil es el tipo con estereoscopia y
con lente "zoom" con un poder de amplificación de 1x a 7x, con oculares de
5x o 10x y una luz externa movible de 100 watts. La observación
estereoscópica de la perspectiva de las formas de los detalles de la superficie,
como ranuras, pliegues, escamas, etc. El otro instrumento de suma utilidad es
el microscopio electrónico explorador (con "escaner") reflejante (SEM). Un
analista debe emplear el SEM junto con microscopios ópticos, pues cada uno
produce fotografías muy diferentes de las superficies. A menudo, las
observaciones más útiles con el SEM son las de baja amplificación, entre 20x
y 200x. La ventaja del SEM es que se pueden ver superficies muy ásperas sin
que las regiones altas y las bajas queden fuera de foco, com o ocurre con los
m icroscopios ópticos. El problema principal es que el SEM sólo recibe
muestras pequeñas; por ejemplo, de */2 in (12.5 mm) de espesor y 2 in (50 mm)
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
22
de diámetro y las superficies deben estar limpias porque en el SEM se requiere
un vacío de alrededor de 10-5 torr.
Para efectuar un análisis más detallado de la com posición química de
la superficie, se puede utilizar un SEM con aditamento de dispersión de rayos
X. También se pueden emplear los m icroscopios ópticos metalúrgicos, pero no
con el modo de campo brillante con luz reflejada.
En ocasiones es útil obtener un perfil de la configuración de
superficies gastadas, lo cual se puede hacer con el estilete empleado en la
medición convencional de acabado de superficie, pero debe estar conectado
con un registrador de gráficas movible.
Lo que es más útil es la forma en vez del valor numérico del acabado
de la superficie. Los trazos se deben hacer en diversos lugares y sentidos
durante el avance del desgaste, si es posible.
Una precaución importante para el examen de los datos de la tira de
gráfica es que la representación de la altura de las configuraciones de la
superficie, a veces, está amplificada entre 10 y 1000 veces más que la
dimensión horizontal. Con ello, se hacen bocetos de superficies con crestas o
picos muy pronunciados.
Una vez examinado un sistem a de desgaste, el diseñador puede
consultar tablas guías para determinar las propiedades de los materiales que
resisten al desgaste y hacer una selección adecuada.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO I.- INTRODUCCIÓN Y ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO.
23
C A PÍT U L O II.- JU S T IF IC A C IÓ N D E L T R IB Ó M E T R O R O T A T O R IO .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
2.1.- D E F IN IC IÓ N DE T R IB Ó M E T R O .
“Tribómetro es el nombra general que se le asigna a una máquina o prototipo
utilizado para llevar a cabo pruebas y simulaciones de desgaste, fricción y
lubricación los cuales son objetivos que persigue la tribología”
Un tribómetro puede medir la fricción sobre una superficie en base a
una gran cantidad de métodos, uno de los cuales se realiza con una bola
deslizante sobre la superficie de referencia para obtener un valor relativo de
fricción (llamado bola sobre disco).
El método original para medir la fricción es un aparato que incluye una
masa constante que cuelga por medio de un cable que pasa por una polea y
está conectada a una masa en reposo.
Sabemos por los principios de la física que existen coeficientes que
están relacionados con la fricción que puede sufrir un cuerpo, uno de ellos es
el coeficiente de fricción estático (p,s), el cual es una constante necesaria para
determinar la fuerza de fricción y resolver por análisis de fuerzas el sistema,
puede medirse a través de este aparato. La ecuación general para la fuerza de
fricción es Ff = p«N , donde N es la fuerza normal, la cual es igual a el peso o la
masa por la constante gravitatoria.
El coeficiente de fricción puede ser determinado por dos cosas en este
aparato: la tensión de el cable con el que están conectadas las dos masas a
través de la polea, m H es la masa colgante y m T la masa colgada en la
superficie de referencia. La fuerza de fricción estática es la que determina la
fuerza necesaria para mover el objeto, no hay aceleración en la masa mT y
significa que la tensión de la cuerda o de la masa m T es igual a la fuerza de
fricción y la fuerza de fricción es igual al peso del objeto colgante. A sí, Ff
debe ser igual al peso W.
Como Ft= ^sN y com o N =m g se tiene que ^s m Tg=F f y com o la fuerza
de fricción es igual al peso del objeto colgante se obtiene que ^s =m Hg/m Tg.
Abreviando, este tipo de aparato únicamente permite medir el
coeficiente de fricción estático al encontrar la masa colgante que inicia el
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. I 2 5
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
movimiento de la masa sobre la superficie, la fuerza de fricción se iguala al
peso colgante.
Este tribómetro sirve para realizar mediciones experimentales y solo se
menciona porque ejemplifica el método más antiguo de medir fricción, pero
en estos días la exigencia tecnológica descalifica por completo el uso de estos
aparatos, pues simular las condiciones de cualquier máquina se com plica y la
veracidad de los resultados queda en entredicho.
2.2.- IM PO R T A N C IA DE LO S T R IB Ó M E T R O S.
El encontrar nuevos métodos que permitan reducir la fricción ha
llevado a la creación de equipos los cuales simulen condiciones semejantes a
las que se presentan en las máquinas. La gran y extensa necesidad de poder
medir la fricción y el desgaste en piezas que son sometidas a condiciones de
operación donde se exige alto desempeño llevó a la construcción de los
tribómetros.
El principal problema que ha limitado el uso de estos equipos, sin
duda, es el elevado costo. Otro problema que se presenta es que el
investigador se restringe a las pruebas que puede realizar con él y al tipo de
muestras para las que se diseñó, por tanto es complicado conseguir un equipo
que se amolde a sus exigencias. El inconveniente de presentar elementos
manufacturados en otros países no permite garantizar que en caso de falla,
existan refacciones o personal capacitado que pueda solucionarlo en un tiempo
razonable.
La falta de in equipo que permita medir fricción y desgaste en
cualquier tipo de metal, con la capacidad de aplicar cargas y velocidad de
rotación variable, de costo accesible y con un tamaño reducido condujo a la
idea de diseñar y construir un equipo propio, además, al percatarse que un
equipo de estos es indispensable para la investigación de nuevas aleaciones
tribológicas o en la optimización de otras.
El estudio de nuevas aleaciones tribológicas u optimizadas es posible
con un equipo que imite el contacto en una máquina y permita medir el
coeficiente de fricción y desgaste, este equipo facilitará la evaluación de las
propiedades de estas aleaciones y la selección de la aplicación.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
2ó
El uso que puede darse a estos equipos no solo se limita al estudio de
aleaciones tribológicas, porque también puede aplicarse en el diseño de
sistemas tribológicos para maquinaria.
La maquinaria actual se basa en diseños tribológicos que conducen a la
reducción de las fuerzas de fricción, dentro de estos diseños se tiene una gran
variedad de componentes como: los rodamientos, cojinetes, anillos de pistón,
levas, engranes, etc. Si al experimentar con nuevos
materiales, estos
presentan un mejor desempeño con respecto a la fricción y al desgaste, dichos
materiales sustituirán a los aplicados actualmente, el tribómetro es la
herramienta para evaluar e indicar si existe tal material.
La ventaja de simular con los tribómetros las condiciones de operación
de los metales en contacto permite que estos equipos puedan emplearse para
probar lubricantes y aditivos.
Un estudio más detallado de estos equipos se presenta en el contenido
de este capítulo.
2.3.- JU ST IF IC A C IO N E S.
D e forma general se conoce, que tanto en el período de explotación de
las máquinas com o durante el periodo fuera de servicio, ocurren procesos que
predeterminan no sólo la disminución de la capacidad de trabajo de las
máquinas, sino también la pérdida total de esta cualidad.
Las causas más frecuentes de los fallos de las máquinas como
resultado de la pérdida de la capacidad de trabajo de éstas son las siguientes:
•
Rotura de las piezas debido a
disminución de la resistencia.
la fatiga superficial y
•
La variación de las dimensiones, forma geométrica y la
posición relativa de las piezas com o resultado del desgaste de las capas
superficiales producto de la acción de nuevas cargas.
•
Rotura y deterioro de las piezas debido a la acción de la
corrosión y al envejecimiento de los materiales.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. I 2 7
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
•
Dism inución de la capacidad de trabajo de las piezas y
uniones tribológicas como resultado de la unión recíproca de las cargas
externas.
•
Fenómenos de desgaste.
•
A cción de los medios químicos activos.
D e todas estas causas la que m ás influencia tiene en la intensidad
de fallos de las m áquinas, es el desgaste de los elem entos de fricción
(uniones tribológicas).
Se reconoce que entre el 80% a 90 % de las piezas que se sustituyen
es debido al desgaste y que las pérdidas anuales causadas por el desgaste en
los Países desarrollados esta en el rango de 0.5 - 1 % del producto neto
nacional.
En Estados Unidos de Norteamérica
En Canadá
En Cuba
15000 millones/año
4000 millones/año
400 millones/año
La aplicación consecuente de los conocimientos que brinda la
Tribología, puede representar ahorro considerable en los gastos producto del
desgaste.
L as investigaciones tribológicas de las últim as décadas indican que
m ás del 50% de los ensayos de desgaste se realizan a nivel de laboratorio
y solo un 17% en los pares de fricción reales.
Esto es explicable por la complejidad y alto costo de las propias
unidades de ensayos (piezas reales), lo dificultoso de la observación sobre los
índices objetivos del proceso de fricción y desgaste y también la complejidad
del análisis de los resultados obtenidos com o consecuencia de que por sí solos
los procesos de fricción y desgaste son un sistema de muchos factores que
definen la capacidad de resistencia al desgaste de los elementos de máquinas,
siendo este un esquema muy complejo.
La incidencia de cada tipo de desgaste en la industria según estudios
realizados por Eyre es la siguiente:
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
28
D esgaste abrasivo.
50 %
D esgaste adhesivo.
15 %
D esgaste mecánico - corrosivo.
5%
D esgaste erosivo.
8%
D esgaste por oxidación dinámica.
8%
D esgaste por fatiga y otros tipos.
14 %
2.3.1.- D E SG A ST E A D H E S IV O .
La dinámica de este tipo de desgaste se define por una serie de factores
físicos y estructurales. En calidad de uno de estos factores está la capacidad de
los materiales de fricción de formar soluciones duras. Está claro que los
materiales base Titanio y el Níquel tienen características negativas durante su
interacción con las aleaciones base cobre y cromo, lo cual esta relacionado
con su solubilidad mutua. D esde el punto de vista ideal es necesario tratar de
seleccionar para pares de fricción materiales bases con diferentes estructuras,
propiedades químicas y solubilidad.
Durante la fricción p o r deslizam iento el desgaste adhesivo puede
tener un comportamiento acorde a cualquiera de las tres curvas representadas
en la figura 1.
Recorrido de fricción ( S f )
Fig. 2.1. - D in ám ica de la velocid ad del desgaste adhesivo.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
Durante el desgaste de tipo 1 (ver figura 1) se tiene durante todo el
periodo de explotación un alto nivel de desgaste (desgaste severo). Para esta
forma de desgaste no aparecen en las superficies de los elementos de la unión,
ni de las partículas de desgaste capas de óxidos. Durante el desgaste de tipo 3
se observa un bajo nivel de desgaste durante todo el periodo de tiempo de
trabajo del par. En este caso las superficies de los cuerpos sometidos a fricción
y las partículas de desgaste no son más que óxidos y estas últimas tienen un
tamaño muy inferior al de las que se obtienen durante el desgaste de tipo 1.
Durante la primera etapa el desgaste del tipo 2 es severo y las superficies de
fricción no se oxidan. En las etapas posteriores la fricción genera capas
superficiales triboquímicas y la velocidad de desgaste disminuye
considerablemente.
La naturaleza del desgaste hace que el desgaste adhesivo este siempre
presente en mayor o menor grado en las uniones de rozamiento. En la práctica
de ingeniería se conoce también con los nombres de: desgaste por frotamiento;
rayado
adhesivo;
gripado;
agarrotamiento;
agripamiento;
tales
denominaciones se deben a la intensidad
del desgaste, estados de las
superficies desgastadas y tipos de elementos de máquina.
El desgaste adhesivo está presente en los siguientes elem entos de
m áquinas: cojinetes de deslizam iento; transm isiones p or engranes y
tornillo sin-fin; guías de deslizam iento; levas; grupos pistón-aro-cilindro;
etc.
Los factores que definen el desgaste adhesivo son:
1.
Condiciones
de
lubricación
(seco o lubricado); abastecimiento de lubricante; calidad del lubricante.
2.
Compatibilidad
metalúrgica
(solubilidad mutua) de los materiales de la unión tribológica.
3.
M icrogeométria superficial.
4.
velocidad y temperatura.
5.
Condiciones de trabajo: carga,
Tipos de desgaste adhesivo.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
30
Un aspecto importante a considerar durante el análisis del desgaste
adhesivo es el relacionado con los materiales de la unión tribológica. En este
sentido se debe evitar en la medida que sea posible la alta compatibilidad
metalúrgica de los materiales. Por ejemplo: Par hierro fundido perlítico hierro fundido perlítico se consideran materiales de alta compatibilidad,
contaminado, y pobremente lubricado ya que el grafito contenido en el hierro
fundido actúa com o un lubricante sólido. Los pares bronce - acero duro,
babbit - acero se consideran materiales con una cierta tendencia a la
adhesión. El par aleaciones de aluminio - hierro fundido se consideran
materiales semicompatibles y con lubricación deficiente, aún cuando trabajen
en condiciones de fricción seca. El par bronce al plom o - acero al carbono se
considera como materiales con baja tendencia a la adhesión. EL par acero
blando - acero blando se considera de alta tendencia a la adhesión. El par
acero templado - acero templado en la práctica se comportan com o materiales
semicompatibles.
D e acuerdo a lo anterior, nos dimos a la tarea de diseñar y construir
una máquina experimental que nos permitiera simular el desgaste adhesivo del
arreglo cilindro-cilindro en contacto frontal lubricado y seco con el propósito
de realizar investigaciones sobre el comportamiento de diversos materiales y
así poder contribuir en la búsqueda de las mejores soluciones a las
problemáticas sobre desgaste que actualmente enfrenta nuestra industria
mexicana.
2.4.- R A Z Ó N DE D E SG A ST E .
El tribólogo Tomlinson G. A .1 enunció un m odelo en el cual se extraía
y eliminaban los átomos superficiales debidos a la acción combinada de las
fuerzas de cohesión y repulsión que existen en los cristales metálicos. Se
dedujo que este desgaste es inversamente proporcional a la presión de flujo Dy
del metal.
H olm 1, apoyándose en la misma premisa básica, propuso que a medida
que com ienza el deslizamiento, el contacto entre átomos elimina los átomos
superficiales en los encuentros favorables, de manera que la pérdida de
volumen V para una distancia de deslizamiento S es:
V = Z A tS
E c. 2.1.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. I
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
Donde At es el área real de contacto y Z es el número de átomos que
se elim ina por encuentro. Se supone que un área real de contacto es la misma
que se considera en las leyes de fricción y:
At =
E c. 2.2.
do y
Donde W es la carga aplicada y oy es la presión de flujo del metal más
blando, sustituyendo el valor de At tenemos:
V
W
- = Z—
E c. 2.3. (E cuación de H olm )
El término V/S es la razón de desgaste del volumen por unidad de
distancia deslizada y se ve que es inversamente proporcional al esfuerzo del
flujo, siendo similar a la ley de Tomlinson derivada del principio fundamental.
Esta última ecuación establece que el volum en total de material
eliminado por deslizamiento es proporcional a) a la carga normal aplicada; b)
a la distancia de deslizamiento y c) es inversamente proporcional a la presión
de flujo del material.
Tanto la ley de Tomlinson com o la de H olm indican que el volum en de
metal eliminado durante la interacción de las superficies es independiente del
área de contacto aparente.
2.4.1.- IN T E R A C C IÓ N D E L A S U N IO N E S.
La supuesta remoción de metal por extracción de átomos a sido
rebatida por muchos investigadores en base a que los residuos del desgaste
invariablemente son agregados de partículas metálicas más pequeñas. Esto
sugiere que, en un encuentro, se elimina una fracción de la interface que es
muchas veces más grande que el tamaño de un átomo.
Burwell y Strang probaron la ecuación de H olm haciendo correr
espigas cónicas de latón y acero sobre discos de acero. Al graficar el volumen
de metal eliminado contra la distancia de desplazamiento, se observa un
periodo inicial de acoplamiento seguido por un estado estacionario de
desgaste. Si se tom a la pendiente de este último com o la razón de desgaste, se
observa que esta es proporcional a la presión normal aparente de contacto,
pero solo hasta un valor inicial al de la tensión de fluencia del material de la
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
32
espiga en tensión. Al sobrepasar este valor, ya no se cumple con la ecuación
de H olm y la razón de desgaste aumenta considerablemente. En este régimen
de desgaste severo se forma un residuo debido al desgaste en el borde anterior
que raya la espiga en su recorrido posterior y desprende material de ésta. A
medida que continúa el desplazamiento, se forman fragmentos nuevos que
provocan mayor atrición y producen más residuos, lo que da lugar a la
formación de una avalancha de partícula de desgaste.
Burwell y Strang formularon una ley m odificada sustituyendo Z por p1
en la ecuación de Holm. p1 es la probabilidad de producir un fragmento por
desgaste en un encuentro, así que:
S
V = Si W —
5y
E c. 2.4.
Dividiendo ambos miembros entre el área aparente de contacto,
H =
E c. 2.5.
5y
Donde h es la pérdida de altura debida aldesgaste y o a es la presión de
contacto aparente ejercida por la espiga sobre eldisco. Los autores grafican h/
o aS contra o a y obtienen un considerable aumento en el valor h/ oaS a una
presión de contacto equivalente a la tercera parte de la dureza de la espiga.
Esto es, el desgaste se hace catastrófico cuando la carga normal es tal que se
alcanza la presión de flujo de la espiga de latón. Esto se presenta más
claramente con un tribómetro espiga-buje.
h /a aS
(cm 2/g )x 1 ff14
vs. P resión d e contacto, o a
(g/cm 2) x 1 0
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
33
Fig. 2.2.- razón de desgaste en fun ción de la presión de contacto
aparente (B urw ell y S trang), h = altu ra que pierde la esp iga debido al
desgaste; S= d istancia de deslizam iento. E spigas cónicas de acero sobre
disco de acero; la dureza de la esp iga se exp resa en kg/m m 2, en la figura
tiene un v a lo r de 223.
2.5.- L E Y D E L D E SG A ST E P O R A D H E R E N C IA .
En el m odelo propuesto por el tribólogo Archard, dos superficies
nominalmente planas hacen contacto en las asperezas elevadas que fluyen
plásticamente a causa de los esfuerzos localizados que se concentran allí.
Cuando la carga es muy ligera, el contacto solo ocurre en tres puntos y, a
medida que aumenta el esfuerzo externo, el área original de contacto
incrementa. Cuando esto sucede, el ajuste entre el par mejora, esto es, el
espacio entre las dos superficies disminuye, lo que da com o resultado que más
protuberancias hagan contacto en otras partes. Se descarta la idea de que se
eliminen átomos aislados de las superficies o sea, se supone que el desgaste se
produce por eliminación de fragmentos de metal de la superficie. Suponiendo
que un fragmento producido por desgaste sea hem isférico con un diámetro
promedio 2r, el área real de contacto At es:
At
= n*pí*r2
E c. 2.6.
Donde n es el número de uniones.
Puesto que:
At = W
E c. 2.7.
At
W
n = ------ = ---------------------------------------pi*r2 oy*p¿*r2
„
„ „
En las uniones circulares de diámetro 2r, la distancia recorrida para
romper una unión por tracción tangencial se considera com o 2r. en una
situación como ésta, un cuerpo se mueve una distancia 2r en relación con la
otra superficie, puesto que el número total de asperezas es n, el número de
asperezas por unidad de deslizamiento es:
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
34
Ec. 2.8.
n
nu
u = —
2r
Ec. 2.9.
W
n u = ------------r
2*<jy *pí*r 3
E c. 2.10.
N o todas las uniones que se rompen forman fragmentos de desgaste.
Este es un argumento importante ya que se sabe que una fricción elevada no
necesariamente corresponde a un desgaste proporcionalmente alto. A sí pues,
mientras que la ruptura de cada unión da com o resultado una componente de
resistencia al deslizamiento, no siempre se produce un desprendimiento de la
superficie metálica que dé lugar a la formación de residuos. Puede significar
simplemente que a medida que se rompe la unión, permanece unida a la
superficie metálica en forma de áreas rugosas microscópicas o bien, si es
plástica, puede extenderse sobre la superficie metálica.
Por lo tanto, suponga que hay una probabilidad P de que para nu
uniones por unidad de distancia deslizada se formen cierto número de
fragmentos de desgaste. Entonces, para una distancia mayor S que produzca
un volum en total de desgaste V , la razón de desgaste por unidad de distancia
deslizada se puede representar como:
j = pnux
E c. 2.11.
(volumen de un fragm en to de desgaste hemisférico.)
= Pnu (2/3)*pi*r 3
E c. 2.12.
Y sustituyendo nu en la ecuación anterior:
v _ pw
S = 3a y
E c. 2.13.
V = ( |W ) * 5
E c. 2.14.
La ecuación es similar a las propuestas por Tomlinson y por H olm en
particular, y demuestra que el volum en del residuo de desgaste es
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
independiente del área de contacto aparente. El tamaño de las uniones no se
considera en las ecuaciones, pero si se considera un factor de forma, por
ejemplo 3 para una aspereza hemisférica. El factor de forma es distinto para
un cubo o un cilindro.
2.6.- Á N G U L O D E A SPE R E Z A .
Las superficies reales no se encuentran en una distribución regular de
protuberancias hemisféricas, sino que tienen formas, probablemente como
cono y hemisferio. La razón de desgaste de los metales, suponiendo modelos
superficiales cónicos, se dedujo[18] de la siguiente forma.
Supóngase una interface como la que se muestra en la figura, en donde
la superficie superior es perfectamente plana pero la superficie inferior está
ondulada con asperezas metálicas de naturaleza cónica distantes 0, h, 4h, 2h,
3h, etc.,de la superficie plana.
asperezas cónicas (según Y oshim oto y T sukizoe [18]).
Supóngase también que las asperezas tienen una distribución aleatoria
en el espacio y que cada una tiene un ángulo base 0.
En el instante en que no hay carga la línea de referencia es z=0, pero si
las puntas de las asperezas son aplastadas debido al esfuerzo de contacto, la
superficie superior se m ueve en relación con z= 0 en la dirección z según
como se muestra en la figura.
Sea:
n= número total de asperezas, y
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
36
oy=presión de flujo del material inferior en la figura mostrada.
El m odelo sim plificado muestra que sólo la cúspide de una aspereza
toca la superficie superior de manera que todas las cúspides de las n asperezas
se encuentran a distancias
[r=0, 1, 2, 3, 4, ..., (n-1)] h respectivamente.
Una aspereza será aplastada a un diámetro basal 2r dependiendo de la
carga y se supone que la superficie superior elimina esta porción deformada
del com o a medida que se desliza a través de una distancia 2r. Esto se muestra
de manera esquemática en la siguiente figura.
Se supone que las superficies que se deslizan primero hacen un
contacto de diámetro 2r y después se desplazan para hacer contacto en otra
parte, con el mismo diámetro, ya que la carga es constante; así el proceso
continúa hasta que hayan tenido contacto todas las n asperezas. Ahora bien, si
h0 es la altura de la porción de la aspereza cónica que se ha eliminado, el
volumen AV de metal perdido por aspereza es:
A V = (l/3 ) *pi *r2 *h0
E c. 2.15.
Pero h0= r tan 0.
2.4.- E squ em a que represen ta una
aspereza cónica que se deform a y
desgasta por acción de u n a superficie
plana. a) aproxim ación de la superficie
plana; b) deform ación de la asp ereza
cónica,
produciendo
residuos
de
desgaste.
y
A l sustituir h 0:
AV=(1/3) *pi *r2 *r *tan 6=(1/3) *pi *r3* tan 6
E c. 2.16.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
37
Por lo tanto, el volumen eliminado por unidad de distancia de
desplazameinto AV0 es:
AV0= [(1/3)*pi*r3* tan Q]/2r.
E c. 2.17.
AV0=(1/6)*pi*r2* tan Q.
E c. 2.18.
Si se sustenta la premisa de que la superficie superior se mueva a
través de una distancia igual al diámetro 2r del área de contacto en relación a
la superficie inferior, el volumen desgastado por unidad de distancia deslizada
debido a n asperezas.
V=Sr=on-1l/6^ r2tan0 = tan0/6 Sr=on-1^r2
E c. 2.19.
Ahora S r=0n-l^r2=A t, el área real del contacto, y At =W /oy
Por lo tanto, V=(1/6)(tan0/ oy)W
E c. 2.20.
La ecuación anterior es similar a la ecuación donde: V = (pW /3oy)*S;
en la que el volumen de desgaste es directamente proporcional a la carga W e
inversamente proporcional a la presión de flujo del metal que sufre el
desgaste.
El m odelo es aplicable al desgaste por adherencia, o a lo que los
autores denominaron desgaste mecánico.
2.6.1.- A S P E R E Z A H E M ISF É R IC A .
Si se utiliza el mism o modelo, suponiendo que hay contacto con una
aspereza hemisférica y considerando también qué parte de esta es eliminada,
entonces el volum en eliminado por aspereza sería
2/3rcr2, donde r es el diámetro del área de contacto.
Entonces, si el m ovimiento relativo de las superficies es 2r, el volumen
de desgaste/unidad de distancia es 1/3 ot2
El volum en total eliminado por n asperezas es
V = (1/3)X r=on-1 ™ 2 = (1/3)A t = (1/3)(W/O y )
E c. 2.21.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
38
Por lo tanto, si la distancia total deslizada es S,
V =(W /30 y )*S
E c. 2.22.
Esto es muy similar a la ley de Archar, aunque los autores suponen que
se producen residuos de desgaste en cada encuentro, lo que no sucede en la
práctica.
2.7.- M E C A N ISM O D E FA T IG A .
Un aspecto importante de las superficies tribológicas es que pronto se
endurecen por trabajo hasta cierta profundidad y es probrable que la
interacción sea entonces principalmente elástica. Puesto que el esfuerzo
cortante hertziano máximo se haya por debajo de la superficie, es probable
que un agrietamiento por fatiga em piece a nuclearse allí y se propague a la
superficie para producir residuos de desgaste. Este mecanismo de fatiga podría
ser el principal factor que induce el desgaste durante el estado estacionario y
Halling a propuesto un m odelo matemático que incorpora el concepto de
fatiga en metales.
El autor considera una superficie rugosa y rígida que hace presión
sobre otra constituida por una distribución de asperezas esféricas de un
material definido por la ecuación: o=B (e) p . Se supone que las asperezas son
esféricas cada una con radio R. El área real de contacto y la carga normal se
expresan en la m ism a forma A ¡ y W ¡ respectivamente.
Lubricante
Par d e
o b je to s
*
en
^ Pérdida d e
c o n ta c to
m a te ria l
Superficie
M e d io A m b ie n te
C ontacto norm al de las superficies rugosas (H alling).
2.7.1.- C O N T A C T O DE SU PE R FIC IE S D E SL IZ A N T E S.
Existe la situación en que dos asperezas han hecho contacto inicial y se
aprecia que la aspereza inferior se ha deformado en un grado máximo. Se
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
39
supone que la deformación y la tensión dependen principalmente de la carga
normal, es decir se desprecia el efecto de la fuerza tangencial. El autor Halling
en su libro DESGASTE de 1972 en las páginas 34 y 239 utiliza un criterio de
falla que requiere el conocim iento de la deformación plástica máxima
inducida en el material durante cada ciclo de contacto de las asperezas. A
partir de la ecuación: £=[K/^BC] 1 p (a/R), puesto que a=A,1/2 R 1 2 o 1 2 , la
deformación £ es máxima cuando la deformación 5 es máxima.
D e la figura de la izquierda:
5max =2R-b
E c. 2.23.
Por lo tanto
£max=[K /^BC ] 1 p A,1/2 [2-b/R] 1 2
Ec. 2.24.
Para una aspereza de altura inicial z:
B =d+2R-z
E c. 2.25.
Por lo tanto, w ^ K / t c B C ] 1p [^ R ] 1/2 [z-d] 1/2
E c. 2.26.
Si £1 es la deformación plástica máxima al tiempo de la falla después
de un ciclo de carga y N + es el número total de contactos para producir la falla,
[£1/£max] m = N +
E c. 2.27.
El índice m generalmente se toma com o 2 para los metales.
2.7.2.- L A L E Y D E L D E SG A ST E .
Considérese ahora que las superficies se deslizan a una distancia de
separación constante d (como se muestra en la siguiente figura). Ahora,
considérese el comportamiento en una pequeña sección de ancho w com o se
muestra y sea S la distancia recorrida. Sea un el total de asperezas en una
hilera sobre la superficie superior y ns el número de asperezas sobre la
superficie inferior a lo largo de la dirección del m ovimiento en la distancia S.
Si ^(z) es el valor de probabilidad para asperezas de altura z sobre la
superficie inferior, el número de contactos en una aspereza a través de una
distancia S es
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO II.- JUSTIFICACIÓN DEL TRIBÓMETRO ROTATORIO.
40
n u n s ^ (z )
Supóngase que después de N + contactos se forma una partícula de
desgaste de volum en V. Supóngase también que el tamaño de la partícula que
se desprende se relaciona con la deformación máxima cmax , durante el contacto
de la aspereza,
V=Y £max-t
Ec. 2.28.
Donde y es una constante.
Si nw es el número de hileras de asperezas a lo ancho de la superficie
superior, el volumen total del producto de desgaste es:
V =N w nun syJdinf [emax-t ^(z)dz]/N +
E c. 2.29.
Ahora
n u =ns u
E c. 2.30.
un=nS
E c. 2.31.
Donde n es el número de asperezas por unidad de longitud para ambas
superficies; s u y S son las longitudes de interés para las superficies superior e
inferior respectivamente.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
41
C A P ÍT U L O III.- D ISE Ñ O Y C O N ST R U C C IÓ N D E UN
T R IB Ó M E T R O R O T A T O R IO .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
42
3.1.- JU ST IFIC A C IÓ N .
Com o se comentó desde el capítulo anterior el desgaste y la fatiga son
los más frecuentes y principales procesos por los que pasa una máquina en
servicio, y además son también los causantes de aproximadamente el 80% de
las fallas de las máquinas que quedan fuera de operación.
La m odelación a nivel de laboratorio de los procesos tribológicos es de
gran importancia, entre otras, porque posibilita la correcta selección de los
materiales a usar en uniones friccionales, y contribuye al ahorro de materiales
e incremento de la durabilidad de los mismos.
La mayoría de los autores que de una forma u otra han trabajado en el
desarrollo y evaluación de materiales destinados a la fabricación o
recuperación de piezas que forman uniones tribológicas, emplean com o
método de evaluación de la resistencia al desgaste el ensayo bajo pruebas de
fricción.
Es bastante generalizado en este sentido la evaluación y estudio de la
resistencia al desgaste de los materiales rigiéndose por los métodos y
procedimientos establecidos en diferentes normas de ASTM e ISO y normas
específicas regidas en cada país.
Com o se puede notar en la bibliografía consultada, existen una gran
cantidad de investigadores del tema, los cuales han realizado o se encuentran
desarrollando estudios y diversas pruebas de desgaste, lamentablemente en la
mayoría de los casos estos tipos de ensayos solo se refieren al desgaste del
tipo abrasivo. A partir de estos métodos, varios han sido los autores que han
empleado en sus experimentos para determinar la resistencia al desgaste de
materiales, el método más popular y comúnmente utilizado es el de PIN­
DISCO ABRASIVO.
Sin embargo este trabajo está más relacionado con otro tipo de desgaste,
el DESGASTE ADHESIVO. Es por ello que se hace necesario la creación o
adecuación de los métodos y condiciones existentes en los trabajos anteriores
al análisis de este tipo de desgaste.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
43
3.2.-A N T E C E D E N T E S.
Como el objetivo básico es el crear una instalación experimental para
llevar a cabo pruebas de evaluación de desgaste de materiales, existe en la
necesidad de investigar qué o cuáles son los instrumentos existentes en éste
momento para dicha acción.
Se han encontrado en el mercado diversos tipos de máquinas para
realizar estos ensayos, las cuales de algún modo directo o indirecto pueden
desarrollar pruebas de desgaste del tipo adhesivo, es muy importante aprender
su funcionamiento y sus características fundamentales ya que pueden llegar a
servir de mucha ayuda o en tal caso se puede llegar a basar en su diseño para
desarrollar la máquina de fricción frontal que se construirá. A continuación se
muestran dichas instalaciones y sus principales características.
3.3.- T R IB Ó M E T R O S C O M E R C IA L E S.
[MT1 VITE, BAUTISTA & PARAMO ] SinncO 2008
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
44
PRECIO: $ 250, 000; MAS GASTOS DE ENVIO.
Universidad Técnica de Praga, República Checa.
3.4.- D ISE Ñ O M E C Á N IC O .
El diseño de la máquina está basado en las siguientes normas:
A S T M D 2266 Wear preventive characteristics o f lubricating greases.
A S T M D 4172 Wear preventive characteristics o f lubricating fluid.
A S T M D 2596 Extreme pressure properties o f lubricating greases.
A S T M D 2783 Extreme pressure properties o f lubricating fluid.
IP 239 Extreme pressure properties: friction and wear test for
lubricants.
D IN 51350/1-5 Testing lubricants: testing in the shell four-ball tester.
ISO /C D 11008 Petroleum products and lubricants - determination o f
extreme pressure properties o f lubricating greases - four ball method.
A S T M G 99 Wear testing with a pin-on-disc apparatus.
D IN 50324 Measuring friction and wear: model experiments on sliding
friction in solids (ball on disc system).
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
45
ISO /D IS 7148-2 Testing o f the tribological behavior o f bearing
materials and with TE 92/6/4
A S T M D 3702 Standard test method for wear rate o f materials in self­
lubricated rubbing contact using a thrust washer testing machine.
Es por ello la forma de su diseño y la característica principal de la
máquina de hacer friccionar dos probetas en su cara frontal.
3.4.1.- D E F IN IC IÓ N D E P O R C E SO D E D ISE Ñ O .
Existen diferentes formas o procesos de diseño, hay m odelos con
muchos pasos, otros con menos que involucran en un paso diferentes
actividades, de acuerdo con Robert Norton [6] el proceso de diseño involucra
diez etapas, que son las siguientes:
1.- Identificación de la necesidad.
2.- Investigación preliminar.
3.- Planteamiento del objetivo.
4.- Especificaciones de desempeño.
5.- Generación de ideas e invención.
6.- Análisis.
7.- Selección.
8.- D iseño de detalle.
9.- Creación de prototipos y pruebas.
10.- Producción.
Este no es un proceso lineal, más bien es un proceso iterativo, en el cual
se puede presentar que ya estando casi en el último paso, sea necesario
regresar al inicio y replantear todo.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
46
En este apartado se desarrollan a grandes rasgos, los primeros siete
pasos, dejando para apartados posteriores los pasos número ocho y nueve. El
paso número diez llamado producción, no se tratará en este trabajo, pues no se
ha planteado la producción de tribómetros a pequeña o gran escala. Solamente
se llega al punto de crear un prototipo, para realizarle pruebas y ver que
mejoras se pueden realizar, o de ser necesario de sugerir otros sistemas y
configuraciones, que puedan mejorar el desempeño del equipo.
Para realizar la etapa de producción, es necesario tener un prototipo
final probado, de buena calidad, que cumpla con las especificaciones y que sea
factible de llevar a cabo. Una vez que se tiene este prototipo se deben analizar
los sistemas de manufactura, para saber qué equipo se requiere en la
construcción del producto.
Además de elaborar los dibujos de taller, y las rutas de trabajo
necesarias. Sin olvidar la labor administrativa, com o es la búsqueda de
proveedores. Éste último paso en si es todo un proceso, que requiere
nuevamente del análisis y selección de diferentes opciones, así mismo se
requiere iterar, teniendo una mejora continua.
3.4.2.- P R O C E SO D E L D ISE Ñ O .
3.4.2.1.- ID E N T IF IC A C IÓ N DE L A N E C E SID A D .
La investigación continua de materiales que tengan mejores propiedades
tribológicas, hace que surja la necesidad de un equipo que se adecue a las
necesidades y especificaciones del investigador.
3.4.2.2.- IN V E ST IG A C IÓ N PR E L IM IN A R .
Es conveniente realizar una búsqueda de información de todo lo
relacionado con el tema. Los resultados de esta búsqueda se reportan en los
primeros dos capítulos del presente trabajo.
3.4.2.3.-P L A N T E A M IE N T O DE O B JE T IV O S.
Ahora que se sabe más del tema, se puede plantear el problema de una
forma más clara. Como se comentó en el capítulo anterior, existen tribómetros
comerciales que básicamente sirven para obtener el coeficiente de fricción y el
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
47
de desgaste, por medio de diversas configuraciones. También ahora se sabe
que es factible construir un tribómetro para un caso de estudio en específico.
Por otro lado se tiene a los prototipos experimentales, que sirven para realizar
pruebas bajo condiciones, antes no consideradas, tales como atmósfera
controlada y variación de temperatura.
Como se pudo ver, existen desde dispositivos simples, hasta aquellos
que son muy complejos y permiten controlar un gran número de variables.
Para iniciar el diseño del dispositivo es necesario plantear que es lo que debe
de hacer, lo cual da una idea de a qué punto se tiene que llegar.
El objetivo del presente trabajo es diseñar un tribómetro prototipo, que
únicamente sea capaz de obtener el coeficiente de fricción y que a través de
equipos auxiliares se pueda medir el desgaste entre un par tribológico.
3.4.2.4.- E SPE C IFIC A C IO N E S DE D E SE M PE Ñ O .
Es necesario plantear cuales son la funciones que debe cumplir el
dispositivo, es decir que debe de hacer. En este paso no se especificará como
debe de ser el dispositivo, solamente se definirá lo que se espera de él.
a)
La configuración del dispositivo debe ser de acuerdo al esquema
que se muestra en la figura 3.2. Básicamente lo que se puede observar es que
se tienen dos probetas, una de ellas es fija dentro de una copa que contendrá o
no algún tipo de lubricante, esta será la probeta inferior, la probeta superior es
la que induce un par de torsión la cual al entrar en contacto con la probeta
inferior, de este modo se tendrá un coeficiente de fricción (^A), así la fuerza
tangencial (F) se aplicará en la cara de los cilindros la cual hace que la copa
tenga un par de torsión el cual se censará por medio de una celda de carga,
más adelante se realizará el análisis matemático que permite demostrar que
midiendo la fuerza (N) y el par generado por la fuerza (F) es posible calcular
la componente adhesiva del coeficiente de fricción, tomando en cuenta las
propiedades mecánicas del par tribológica en estudio, y dimensiones de las
probetas para su óptimo desempeño en las pruebas que se realizarán.
b)
El dispositivo debe de obtener datos estadísticos de diferentes
muestras bajo diferentes condiciones.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
4S
c)
El dispositivo debe de contar con un sistema que permita aplicar
una carga variable en un rango de 0 a 4000 [Newtons].
d)
El dispositivo debe de contar con un sistema para que el eje
transmisor gire axialmente, a una velocidad variable.
e)
Es necesario un sistema de medición que
magnitud de la fuerza N.
permita conocer la
f)
Es necesario un sistema de medición que
magnitud del par generado por la fuerza F.
permita conocer la
g)
Se requiere que el dispositivo cuente con un sistema para
visualizar gráficamente las mediciones realizadas por los sistemas
mencionados en los dos incisos anteriores. Además que sea capaz de calcular
el coeficiente de fricción y que obtenga la gráfica que se muestra en la
siguiente figura.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
49
Eq uivalen t S tre ss
T y p e : E q u iv a le n t S tress
U n it: M P a
25/00/2009 06:54 p.m .
1
i
F igu ra 3.2.- en esta figu ra tenem os la aplicación de carga N sobre las
probetas fija( 2 ) y la prob eta que v a a estar en m ovim ien to( 1 ), provocando
con esto la generación de la fu erza de fricción F.
En la gráfica mostrada se puede observar la variación del coeficiente de
fricción a través del tiempo.
h)
D ebe ser un dispositivo limpio.
i)
Se debe considerar que será un equipo utilizado en laboratorio.
j)
D e preferencia debe ser un diseño compacto.
k)
Es conveniente que sea de bajo peso.
l)
D ebe poder ser operado por una sola persona.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
50
3.4.2.5.- G E N E R A C IÓ N DE ID E A S E IN V E ST IG A C IÓ N .
Esta etapa es complicada ya que requiere de mucha creatividad, para
proponer ideas que permitan cumplir cada una de las especificaciones
planteadas en la etapa anterior. A continuación se reportan las soluciones
encontradas para cada una de las especificaciones de desempeño. En la
siguiente etapa se realizará un estudio más detallado de estas ideas, para
encontrar las ventajas y desventajas de cada una.
P ropuestas para la p rim era especificación.
En la primera especificación se tiene la configuración del equipo, lo que
se podría nombrar com o un diseño conceptual, en realidad no se requirió que
se diseñará cualquier tipo de tribómetro desde un inicio se especificó que se
tenía que cumplir con ésta configuración.
P ropuestas para la segu n da especificación.
El dispositivo debe obtener datos estadísticos de diferentes muestras
bajo diferentes condiciones, para ello se consideran dos planteamientos:
•
Lo que se evalúa en tribología es un par tribológico, lo que
im plica que tanto la probeta inferior com o la superior, se puedan cambiar
fácilmente, y así poder estudiarlas de manera detallada. Para esto se planteará
de manera detallada como debe ser la instalación y desinstalación de dichas
probetas.
•
Para caracterizar una propiedad de un material, com o es en el
caso del coeficiente de fricción, es necesario obtener numerosas mediciones,
para que posteriormente se obtengan datos que estadísticamente sean
confiables. Esto origina que se tengan diversas configuraciones, que se
plantean a continuación.
Y a que las probetas que se probarán tienen que sustituirse, no se puede
poner un sistema en el que alguna de las probetas sea fija, pues nos interesa
saber el comportamiento del material examinado. Debem os también tomar en
cuenta que las probetas deben ser de fácil manufactura pues no es ni factible ni
sencillo trabajar con piezas de construcción algo complicadas que solo serán
ocupadas una sola vez.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
51
Aún falta por definir la geometría de las probetas, éstas las proponemos
de forma cilíndrica pues si fuera de otra manera, suponiendo que al estar en
movimiento rotatorio, si nuestra probeta tuviera puntas por alguna forma
geométrica regular que se pudiera proponer tendríamos problemas con la
seguridad personal del operario.
Por un lado tenemos la necesidad de ver la posición adecuada para que
las probetas tengan un contacto adecuado en sus caras para la correcta
aplicación de las cargas y la obtención optima del coeficiente de fricción.
D e aquí podemos pensar en que la mejor posición será vertical, donde
de alguna manera podremos obtener un recipiente en el que se pueda contener
tanto la probeta com o el lubricante, podemos pensar en la siguiente opción:
F igu ra
3.3.C opa
donde se colocará la probeta
flja( 2 ) y donde se podrá
trabajar con pruebas con o
sin lub ricante ( 1 ).
2
En
este
diseño
proponemos que la probeta sea
fija pues es más sencillo
trabajar con la pieza donde se
colocará algún lubricante sin
que este se derrame, y con ello
no cumpliríamos con uno de
los
requerimientos
antes
mencionados
que
es
la
limpieza.
P ropuestas para la tercera especificación.
En la tercera especificación de desempeño se requiere un sistema para
aplicar la fuerza N com o se muestra en la F igu ra 3.3.4.1. que debe ser
variable en un rango de 0 a 24.5 N ó 0.1 MPa. Se tienen los siguientes casos:
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
52
•
Proponer ó buscar sistemas de carga, que permitan aplicar una
fuerza a cada probeta. Para éste caso se tiene la posibilidad de que las fuerzas
sean iguales, o no.
•
Buscar la forma de aplicar una sola fuerza, en una de las probetas,
y esta sea transmitida a través del eje. D e esta forma se aplica la misma fuerza
en las dos probetas.
Existen varias formas de aplicar fuerzas, y el requisito de desempeño
planteado en la etapa anterior, no restringe ninguna posibilidad que la
imaginación pueda dar. Algunos sistemas son los siguientes:
•
Mecánicos: mecanismos de diversas configuraciones.
•
Hidráulicos: actuadores que aprovechen la potencia
de algún
fluido.
•
Neumáticos: actuadores que aprovechen la potencia de algún gas,
comúnmente se usa aire.
Por otro lado no se indica si la carga debe de variar cada N ew ton, ó
cada 10 N ewtons o cada cuanto. Tampoco se sabe si la configuración del
equipo, permitirá que la carga se aplique de forma vertical, horizontal ó
inclinado. N o se ha especificado si se debe aplicar manualmente, ó a través de
algún sistema automático. N i se ha mencionado si se debe incluir algún
sistema de control, que permita tener una carga constante o variable.
Es por tanto que aplicaremos la carga sobre el eje de transmisión,
permitiendo con ello el ahorro de espacio que es otro de los requisitos dentro
de las especificaciones de desempeño, este diseño será una pesa que nos dé la
fuerza requerida, esta será cilíndrica barrenada a medida del eje para que este
se acople sin tener rango de holgura para no ocasionar vibraciones y con esto
malas lecturas en los datos recopilados durante la prueba, por lo tanto el
diseño sería como se muestra en la figura:
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
53
F igu ra 3.4.- en esta
figu ra se m u estra lo que
sería
la
pesa
con
su
respectivo barreno (1) donde
se busca acop lar el eje de
transm isión de potencia.
Nuevamente se requiere
que se aplique la fuera a lo
largo del eje y que se aplique a
ambas probetas. Para que el
sistema
funcione
correctamente se tendrá que
calcular el diámetro correcto del barreno y de la pesa completa tomando en
cuenta su densidad para aplicar la carga correcta sobre las probetas, así se
podrá definir el par máximo que se requiere para aplicar la carga máxima.
Este tipo de configuración se puede sofisticar al grado de aplicar cargas
variables de manera controlada, por medio de otras adaptaciones al sistema
como lo son el uso de servomotores. En caso de que se quiera aplicar la carga
manualmente se tiene la posibilidad de modificar la pesa de manera que se
pueda acoplarle otras pesas más dependiendo de la carga que se quiera aplicar.
Hasta ahora solo se han mostrado bocetos de ideas, en los cuales se
propone tener un sistema de carga que aplique la fuerza en una sola probeta, y
que la fuerza se pueda transmitir a lo largo del eje presionando a la otra
probeta.
P ropuestas para la cu arta especificación.
La cuarta especificación de desempeño dice que el dispositivo debe
contar con un sistema que permita que el eje pueda transmitir la potencia
necesaria para una optimización del diseño, este debe ser a medida con una
holgura del grado de 1 0 -4 de pulgada para evitar vibraciones en el sistema de
transmisión y con ello la obtención de lectura erróneas en el sistema.
Resumiendo para cumplir con la cuarta especificación de desempeño, es
necesario diseñar cuatro subsistemas, que son los siguientes:
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
•
Soporte de probetas.
•
Suministro de energía.
•
•
Sistema para variar la velocidad angular.
Transmisión de potencia.
Hay que recordar que aunque se planteen estos cuatro puntos por
separado en realidad los cuatro deben de cumplir la especificación, por lo que
son dependientes unos de otros y finalmente se deberá seleccionar aquel
conjunto de ellos que sea más factible llevar a cabo.
El soporte consiste en una base sobre la cual se colocará la copa que
contendrá la probeta y el lubricante en caso de ser una
pruebaen seco. Este
debe de permitir la semirotación de la copa pues de esta manera se podrá
medir la fuerza que se aplica sobre las probetas para que entre ellas exista el
par necesario para encontrar el coeficiente de rozamiento. Este de preferencia
debe de girar con las mínimas pérdidas por fricción.
Cuando se requiere que un eje gire, comúnmente se tienen dos opciones,
por un lado se tienen a los rodamientos y en el otro a los cojinetes. Cada una
de las dos opciones tiene sus ventajas y desventajas. Hay que señalar que
ambas opciones se tiene un sin fin de posibilidades. En ambos casos los hay
de diferentes materiales, dimensiones y tipos de lubricación. Generalmente los
cojinetes se deben de diseñar y maquinar pues no se encuentra una gran
variedad comercialmente, y es el diseño el que crea un gran número de
posibilidades. En cambio los rodamientos son piezas estándar y fáciles de
conseguir, solo se tienen que seleccionar correctamente.
En el diámetro interior del cojinete o rodamiento, esto depende de la
selección de la pieza de acuerdo a las necesidades del trabajo, se insertará el
eje que será el que transmita la energía rotatoria a las probetas. Y el diámetro
exterior se tiene que fijar a una base o soporte.
D e acuerdo a las ideas que se han planteado anteriormente, el eje va
montando en una base que puede ser fija ó móvil. Es necesario definir que tipo
de base se va a ocupar para ver si es necesario diseñar un soporte para montar
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
55
los rodamientos o cojinetes, sobre este. Una opción es maquinar una cavidad
en donde se van a montar estos elementos sobre la misma base.
Como se puede ver se tiene una amplia gama de posibilidades para
diseñar el soporte sobre el cual la sopa con su respectiva probeta girará. Es
necesaria una fuente de energía, que brinde movimiento rotatorio. Hasta el
momento se desconoce la potencia requerida.
A continuación se enlistan algunas propuestas que podrían cumplir con
ese requisito:
•
Motores de combustión interna.
•
Motores eléctricos.
o
Motores de corriente alterna.
■
M onofásicos.
■
Trifásicos.
o
Motores de corriente directa.
A)
B)
Fig. 3.5.- A ) M otor de corriente continua. B) M otor de corriente
alterna.
Todas las opciones mencionadas arriba proporcionan energía mecánica
rotacional, y pueden acoplarse de forma sencilla a cualquier máquina. Sin
embargo cada uno tiene sus ventajas y desventajas. Los motores de
combustión interna son ruidosos y emiten contaminantes por lo que no es
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
56
recomendable que estén completamente encerrados y es necesario que el
múltiple de escape tenga salida al exterior. Por otro lado son una fuente de
energía independiente.
Los motores eléctricos requieren de un suministro de energía eléctrica,
que puede ser de corriente alterna o directa. El suministro de energía eléctrica
comercial es de corriente alterna, por lo que para ocupar motores de corriente
directa se necesita un rectificador que proporcione este tipo de corriente. Para
bajas potencias, generalmente hasta cinco HP, es fácil conseguir un motor de
corriente alterna monofásica. Para potencias mayores solo se ocupan los
trifásicos.
Existe una amplia gama de motores eléctricos comercialmente, tanto de
directa com o de alterna. Prácticamente los fabricantes de motores han
diseñado un motor para cada aplicación. Además de que existen diferentes
principios de funcionamiento que permiten tener aún más posibilidades.
Dentro de las especificaciones de desempeño no se mencionan las
velocidades máxima o mínima de operación. El siguiente punto a tratar es
diseñar un sistema que permita variar la velocidad angular del eje transmisor.
Como se mencionó anteriormente los cuatro puntos planteados son
dependientes.
En el caso de un motor de combustión interna se puede variar su
velocidad dentro de ciertos rangos. Por otro lado para los motores eléctricos,
comercialmente existen variadores de velocidad, que modifican ya sea la
frecuencia de la corriente alterna, o el voltaje directo.
Sin embargo, aunque los motores pueden suministrar una velocidad
variable, no es la única forma de cumplir con este requisito. Se puede ocultar
una caja de velocidades por medio de engranes, o una transmisión de potencia
por medio de bandas ocupando poleas escalonadas, en las cuales dependiendo
la combinación de poleas usada es la velocidad obtenida.
Para tratar el cuarto punto, se tienen las siguientes opciones para
transmitir potencia:
•
Poleas y bandas.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
57
•
Ruedas dentadas.
•
Engranes.
A)
B)
C)
Fig. 3.6.- A ) Sistem a de poleas con bandas. B) Sistem a de engranes
de dientes rectos. C) Sistem a de engranes dentados y cadenas.
Las tres propuestas plateadas son ampliamente usadas, lo que indica que
son confiables y hace que sean fáciles de encontrar comercialmente. Aunque
en caso se ocupar poleas dependiendo el diseño que se les den es posible que
se tengan que maquinar.
Hay varios tipos de bandas y poleas, por ejemplo las trapezoidales,
planas, dentadas y síncronas entre otras. Generalmente lo único que se
necesita en seleccionar las dimensiones de las banda y las poleas, dependiendo
de la potencia a transmitir y la velocidad de operación.
En el caso de las ruedas dentadas y cadenas, se pueden ocupar cadenas
de rodillos o cadenas de dientes invertidos, comúnmente denominadas cadenas
silenciosas. Es posible ocupar cadenas para cualquier velocidad de operación,
sin embargo para altas velocidades se requiere lubricación continua.
Hay engranes de diferentes tipos también, los hay rectos, helicoidales,
cónicos y de tornillo sinfín por mencionar algunos. Cualquier tipo de engrane
se tiene que diseñar para una aplicación en específico, y se recomienda una
buena lubricación para su buen funcionamiento. Su costo depende del tipo de
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
58
engrane, y puede ser muy elevado dependiendo de la calidad de la
manufactura.
Como se puede observar para cumplir con la cuarta especificación de
desempeño, se tienen varias posibilidades, que se deben analizar y evaluar
para decidir cuál es el conjunto que se ocupará en este prototipo.
P rop u esta para la q uinta especificación.
La quinta especificación de desempeño establece que es necesario un
sistema de medición para conocer la magnitud de la fuerza N. hay que
recordar que algunos sistemas de carga propuestos son por medio de pesos
muertos, en estos casos quizás sea posible conocer la magnitud de la fuerza
dependiendo de la cantidad de pesos ocupados. Por otro lado aquellos que no
ocupan pesos muertos, requieren de algún sistema para medir la fuerza
aplicada.
Básicamente se han considerado dos posibilidades de sensores:
•
Mecánicos.
•
Eléctricos.
Fig. 3.7.- A ) G algas extensom étricas. B) V entan a de program a de
trabajo en la m edición de carga.
Los sistemas mecánicos básicamente son dinamómetros, y su principio
de funcionamiento es por m edio se la deformación de materiales elásticos. En
este caso com o lo que se hace es comprimir el eje y con esto aplicar la fuerza
N a las probetas. Para conocer la magnitud de la fuerza aplicada solo es
necesario saber el peso de la carga aplicada y saber el área en la que se aplica.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
59
La otra propuesta que se tiene para medir cargas es ocupar una celda de
carga, estos dispositivos calibrados dan un valor de voltaje para una fuerza
determinada. Ocupan galgas extensométricas, pero con la ventaja de que ya
tienen el puente de Wheatstone incluido. Se alimenta con un voltaje y
proporcionan un voltaje de salida. Es decir que no se tiene com o dato de salida
un pequeño cambio de resistencia eléctrica, sino un valor de voltaje. Para
ejemplificar se puede decir que para una carga de cero [Newtons] se tendrá
una salida de cero [Volts], y para una carga de 1000[Newtons] una salida de
veinte [milivolts]. Variando el voltaje de salida proporcionalmente con la
fuerza aplicada.
Existen comercialmente varios tipos de celdas de carga, y se encuentran
para diversas capacidades. Son productos que solo deben seleccionarse
correctamente en función del tipo de carga a aplicar y la magnitud de esta.
P rop u esta para la sexta especificación.
Esta especificación de desempeño requiere de un sistema de m edición
para conocer la magnitud del par generado por la fuerza F.
Para conocer la magnitud real de dicho par, sería necesario realizar la
m edición directamente ya sea en el eje o en las probetas. Pues si se hace la
m edición en otra parte del equipo los datos obtenidos inevitablemente
incluirán pérdidas por rozamiento entre componentes.
Para cumplir con esta especificación se proponen únicamente sensores
eléctricos, y se tienen las mismas opciones que en la especificación anterior,
por un lado se pueden ocupar galgas extensométricas y por el otro alguna
celda de carga comercial que permita medir el par o torque.
Existen diversos arreglos de galgas, que permiten medir deformaciones
en varias direcciones, para medir el par se pueden tratar de medir las
deformaciones en las direcciones principales generadas por la torsión del
cilindro. Para que el cilindro se deforme es necesario fijarlo en un extremo al
portamuestras y en el otro a una base rígida.
Por otro lado existen dos tipos de instrumentos para medir el torque:
•
Torquímetro de reacción.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
60
•
A)
Torquímetro rotatorio.
B)
Fig. 3.8.- T orquím etros: A ) de reacción, B) rotatorio.
Los torquímetros de reacción son celdas de carga que miden un par de
forma estática. Generalmente son de forma cilíndrica y al aplicarles un par se
deforman debido a la torsión. Esta deformación se mide con galgas
extensométricas y el dispositivo ya incluye el puente de Wheatstone necesario.
Miden un par de forma estática pues el cilindro permanece fijo, un extremo
debe de estar empotrado y en el otro extremo contrario se aplica el par.
Cabe mencionar que los torquímetros rotatorios ni los de reacción están
diseñados para soportar cargas axiales o de algún otro tipo. Al aplicar una
fuerza axial se deforma el cilindro, y com o estos están calibrados únicamente
para medir deformaciones por torsión, los datos son erróneos. Para una
correcta instalación de un torquímetro rotatorio es necesario colocar
acoplamientos flexibles en ambos extremos del eje.
P ropuestas p ara la séptim a especificación.
En la séptima especificación de desempeño se establece la necesidad de
un sistema que permita obtener y visualizar los datos que entreguen los
sensores de carga y de par. Lo que se requiere para cumplir con este requisito
es diseñar o seleccionar algún sistema de adquisición de datos.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
Fig. 3.9.- D iagram a de sistem a an alógico-digital para la conversión
de señales para obtención de datos en com putadora.
La adquisición de datos generalmente consiste en tomar una variable
física, convertirla en una permita obtener y visualizar a los datos que
entreguen los sensores de carga y par. Lo que se requiere para cumplir con
este requisito es diseñar o seleccionar algún sistema de adquisición de datos.
Una vez que las señales eléctricas se transformaron en digitales dentro de la
memoria de la computadora, se pueden procesar con un programa que sea
adecuado al uso ya sea para archivarlas en disco duro, graficarlas en pantalla,
imprimirlas, etc.
En la adquisición de datos se tiene una señal proveniente de cualquier
sensor, esta puede ser analógica ó digital, puede tener mucho o poco ruido, y
puede ser de ser de pequeña ó gran magnitud. Esta señal tiene que pasar a una
etapa de acondicionamiento que puede consistir en un filtrado, eliminando el
ruido y en una amplificación de la señal. La tarjeta de adquisición de datos es
la interfaz que permite conectar el sensor a la computadora, entre sus
funciones están las de convertir a digital la señal. Finalmente es necesario
mediante software manipular los datos obtenidos.
Aunque es posible diseñar cada una de los elementos que componen al
sistema de adquisición de datos, también es posible encontrar equipos
comerciales que se adecuen a las necesidades.
La recopilación de datos en una computadora no es algo nuevo,
comercialmente existen sistemas que permiten realizar esta tarea de forma
práctica y sencilla. LabVIEW™ es un software que está siendo ocupado
ampliamente hoy en día, y que además de controlar la adquisición de datos
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
62
permite analizarlos, para posteriormente poder presentarlos en un reporte. Las
funciones de este software son tan amplias que permiten realizar fácilmente el
registro de varias mediciones sin una programación complicada.
La misma compañía que desarrolló LabVIEWTM cuenta con tarjetas de
adquisición de datos muy sencillas o módulos complejos que realizan
mediciones de deformación, temperatura ó voltaje entre otras.
Para cumplir con la especificación de desempeño la propuesta que se
tiene es ocupar software y hardware comercial, que se adapte a las
necesidades del equipo.
Fig. 3.10.- E jem plo de softw are (M IC R O T E ST ) que se podría
u tilizar para la obtención de datos.
P ropuestas de las especificaciones restantes.
Hasta ahora se han dado ideas para cumplir con las primeras siete de las
doce especificaciones de desempeño. Las restantes especificaciones se pueden
considerar com o recomendaciones, que se tendrán que tomar en cuenta a lo
largo del diseño. En el caso del peso del equipo no se especifica este dato
cuantitativamente por lo que basta diseñar todos los componentes con el
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
63
menor peso posible para cumplir con esta especificación. Así de la misma
forma se pueden cumplir las demás especificaciones.
3.4.2.6.- A N Á L ISIS.
En esta etapa del proceso de diseño se analizan cada una de las
propuestas realizadas en la etapa anterior, con la finalidad de mostrar las
ventajas y desventajas de cada una. Este análisis debe de proporcionar
suficiente información para que en la etapa siguiente se tengan los suficientes
criterios para seleccionar las ideas que se desarrollarán a detalle para la
construcción del prototipo.
También se debe analizar detenidamente el desempeño de cada
propuesta. Hasta ahora solo se han realizado bocetos que prácticamente son
mano alzada, en ellos aún no se han considerado los esfuerzos que deben de
soportar cada componente. Y aunque la mayoría de las propuestas se observan
sim ples y por tanto factibles de llevar a cabo, es posible que realizando un
análisis sim ple se tenga com o resultado que no todas se puedan realizar, o el
desempeño de unas sea mejor.
A nálisis de las propuestas para la prim era esp ecificación de
desem peño.
La primera especificación indica cual es el principio de funcionamiento
de todo el equipo, es decir que todo el equipo se resume en ese sim ple
diagrama. En este caso no se hicieron propuestas pues desde un inicio se
requirió que el equipo cumpliera con estas características.
A nálisis de las propuestas para la segu n da esp ecificación de
desem peño.
Las propuestas realizadas plantean que se analicen las tres cuestiones
siguientes:
•
probeta?
•
¿Se realizaran varias pruebas en una sola probeta o solo una por
¿Qué forma debe tener la probeta?
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
64
•
¿Qué forma debe tener el porta-probetas?
Para la primera cuestión tenemos la siguiente tabla.
PROPUESTAS.
Varias pruebas
probeta.
VENTAJAS.
en
una
No
sería
una
Solo se requiere una probeta para obtener una muestra representativa de
un lote.
serie de datos.
No
es
manufacturar
probetas.
Una sola
probeta.
prueba
por
DESVENTAJAS.
necesario
varias
Se
Se
obtiene
una manufacturar
muestra representativa de
un lote.
probetas.
requieren
varias
La forma de la probeta debe estar en función de equipo con el que se
cuente en el lugar en donde se realicen las pruebas. La forma de las probetas
que deseamos pueden ser maquinadas de un cilindro de acero AISI 1045.
A nálisis
desem peño.
de las
propuestas
para la tercera especificación
de
Se tienen muchas propuestas para aplicar la carga, primero se analizará
si es más conveniente ocupar un solo sistem a de carga ó dos, uno para cada
probeta. Las conclusiones se muestran en la siguiente tabla.
PROPUESTAS.
Ocupar
Carga.
un
sistema
VENTAJAS.
de
DESVENTAJAS.
Permite tener un El
eje
porta­
diseño simple, de bajo probetas
debe
de
peso y compacto.
desplazarse para transmitir
la fuerza a las dos
Menor
costo
probetas.
comparativo.
A las dos probetas
se les aplica la misma
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
65
carga.
Ocupar dos sistemas de El
eje
porta­ Mayor
carga.
probetas permanece fija.
comparativo.
costo
Diseño
elaborado.
más
Peso y dimensiones
mayores.
El siguiente punto a analizar es que tipo de sistema es más conveniente.
Algunas observaciones se reportan en la siguiente tabla:
PROPUESTAS.
Sistemas
muertos.
por
VENTAJAS.
pesos
DESVENTAJAS.
Mantienen
carga casi constante.
una Es
manipular
pesados.
Se puede conocer la
magnitud de la carga
aplicada.
necesario
bloques
La
carga
puede
Sistemas por tornillo de La carga se aplica variar a lo largo de la
potencia.
fácilmente.
prueba debido al desgaste
Se puede variar la en las probetas.
magnitud de la carga
continuamente.
Sistemas neumáticos.
La carga se aplica Se requiere de un
fácilmente.
compresor.
Las
neumáticas
robustas.
Sistemas hidráulicos.
son
piezas
algo
La carga se aplica Se requiere de una
fácilmente.
bomba
manual
o
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
66
automática.
Finalmente se tiene que analizar en caso de ocupar un solo sistem a de
carga com o se diseñaría el soporte m óvil necesario para que el eje transmita la
fuerza aplicada. Las observaciones se muestran en la tabla.
PROPUESTAS.
VENTAJAS.
DESVENTAJAS.
Corredera lineal.
Desplazamiento
suave.
Costo
elevado.
comparativo
Costo
elevado.
comparativo
Rodamientos lineales.
-
Comercial.
-
Fácil montaje.
Desplazamiento
suave
si
se
ocupan
correctamente.
-
Piezas comerciales.
Es necesario diseñar
un soporte para estos.
Es necesario diseñar
guías para estos.
Bujes.
-
Bajo costo.
-
Fácil manufactura.
Es necesario diseñar
un soporte para estos.
Deslizam iento
tan suave.
no
En la siguiente etapa de diseño se tendrá que decidir primero si se
ocupan uno o dos sistemas de carga, y posteriormente qué tipo de sistemas.
A nálisis
desem peño.
de
las
propuestas
para la
cu arta
especificación
de
En el primer punto se analiza en que soporte girará el eje porta-probetas.
PROPUESTAS.
VENTAJAS.
DESVENTAJAS.
Rodamientos.
-
Baja fricción.
-
Pueden
Mayor
ruido.
lubricarse
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
nivel
67
de
de por vida.
Piezas
comerciales.
Cojinetes.
estándar
y
-
Bajo nivel de ruido.
-
Bajo costo.
Costo elevado.
Es necesario diseñar
un soporte para estos.
Se
requiere
un
sistem a de lubricación
constante.
Es necesario diseñar
un soporte para estos.
Baja fricción.
Mayor
nivel
Chumaceras (soportes con rodamientos Y).
ruido.
Pueden
lubricarse
de por vida.
Costo elevado.
Piezas
comerciales.
-
de
estándar
Fáciles de montar.
El siguiente punto ayudará a definir que tipo de motor se ocupará para
el prototipo.
PROPUESTAS.
VENTAJAS.
DESVENTAJAS.
Motores
interna.
-
-
de
combustión
Son independientes.
Se puede variar su
velocidad.
-
Tienen em isión de
contaminantes.
Son comerciales.
Motores
de
corriente Ocupan el suministro
alterna monofásicos.
de electricidad doméstico.
-
Ruidosos.
Son comerciales.
Fáciles de instalar y
operar.
No
cuentan
con
control
de
velocidad
electrónico comercial.
La máxima potencia
que desarrollan es de 5HP.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
68
Motores
de
corriente
alterna trifásicos.
-
Son comerciales.
Fáciles de instalar y
operar.
Requieren
instalación
industrial.
de una
eléctrica
Cuentan con control
de velocidad electrónico
comercial.
Motores
directa.
de
corriente
-
Son comerciales.
Dos [HP] es la
máxima potencia para que
Fácilmente de instalar
se
pueda
ocupar
el
y operar.
servicio
doméstico
de
electricidad.
Cuentan con control
de velocidad electrónico
comercial.
El siguiente análisis ayuda a definir que tipo de transmisión se ocupará.
PROPUESTAS.
VENTAJAS.
DESVATAJAS.
Poleas y bandas.
-
En algunos tipos
existe deslizamiento.
Bajo ruido.
Comerciales,
fáciles de instalas
operar.
Ruedas
cadenas.
dentadas
y
Engranes.
A nálisis
desem peño.
de
las
y
No
deslizamiento.
existe Para
altas
velocidades se requiere
un
sistema
de
lubricación.
No
deslizamiento.
existe Se requiere un
sistema de lubricación.
propuestas
para la
q uin ta especificación
El siguiente análisis ayudará a decidir com o medir la fuerza aplicada.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
69
de
PROPUESTAS.
VENTAJAS.
DESVENTAJAS.
Transductores
mecánicos.
-
Se requiere que la
salida se transforme a
Principio
de
una señal eléctrica.
funcionamiento simple.
Galgas extensométricas.
Se pueden realizar
mediciones de fuerza en
cualquier
sentido
dependiendo
de
la
posición de las galgas.
Operación simple.
Se
calibrar.
requieren
Operación
complicada.
Dependiendo del
tipo de celda puede
Principio
de
requerir mucho espacio.
funcionamiento simple.
Celda de carga.
-
Operación simple.
Son instrumentos
calibrados.
A nálisis de las propuestas para la sexta esp ecificación de desem peño.
PROPUESTAS.
VENTAJAS.
DESVENTAJAS.
Galgas extensométricas.
-
Se
calibrar.
Bajo costo.
El dispositivo se
puede construir con las
dimensiones deseadas.
Torquímetro
reacción.
de Bajo
comparativo.
costo
requieren
Operación
complicada.
N o soporta cargas
axiales.
Son instrumentos
calibrados.
Torquímetro rotatorio.
Operación simple.
Son instrumentos
calibrados.
-
Alto costo.
-
N o soporta cargas
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
70
Operación simple.
axiales.
A nálisis de las propuestas para las restantes especificaciones de
desem peño.
Para la séptima especificación se propone ocupar hardware y software
comercial, lo que se plantea hacer es buscar las mejores opciones o ver con
que se cuenta para ocuparlo en el prototipo.
Las demás especificaciones de desempeño no requieren mayor análisis,
pues no se especifica si el equipo va a estar en un ambiente determinado que
pueda requerir atención particular. Tampoco se pone una limitante que obligue
a considerar la realización de otro sistema o que haga dudar del desempeño de
las propuestas realizadas.
3.4.2.7.- SE L E C C IÓ N .
En esta etapa se selecciona el conjunto de propuestas en base a las
cuales se realizará el prototipo. Aquí es donde resalta la importancia de haber
realizado las etapas anteriores correctamente considerando y analizando el
mayor número de propuestas posibles. Las decisiones que se tomen deben
estar fuertemente fundamentadas por las etapas anteriores, y afectarán
directamente la construcción y desempeño del prototipo.
A partir de las decisiones tomadas se comenzará el diseño de detalle y
posteriormente la construcción de cada componente. Debido a esto es
necesario que además de que se tom e en cuenta el desempeño de cada sistema,
también se considere el equipo y presupuesto con el que se cuenta para la
construcción.
Aunque se tomen las decisiones correctamente, no es posible anticipar
que el desempeño real del equipo sea correcto. Como se ha mencionado el
diseño es un proceso iterativo, por lo que es posible que una vez construido el
prototipo sea necesario modificar algún sistema o en el peor de los casos
rediseñar el prototipo por completo.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
71
Selección
desem peño.
de los
sistem as
para
la
segu n da
especificación
de
D e acuerdo a los análisis realizados en la etapa anterior, se han tomado
las siguientes decisiones:
a)
Se realizará una sola prueba por probeta. Pues se obtendrán datos
representativos de un lote, además de no requerir un sistem a para desplazar la
probeta o el perno en un plano.
b)
Las probetas serán cilindros de acero maquinado, pues sencilla su
manufactura.
c)
Se ocuparán porta-probetas donde una será la misma copa donde
contendrá al lubricante y la otra se acoplará en el eje de transmisión, debido a
su bajo costo en su elaboración.
Selección
desem peño.
de
los
sistem as
para
la
tercera
esp ecificación
de
La primera decisión que se toma es ocupar un solo sistem a de carga
para no complicar el diseño. Esto ayudará a mantener un bajo peso en el
prototipo.
Se ha decidido utilizar una pesa para aplicación de carga por su
sencillez y fácil acoplamiento.
Selección
desem peño.
de
los
sistem as
para
la
cu arta
especificación
de
Los sistemas que se ocuparán para cumplir con la cuarta especificación
son los siguientes:
a)
El eje será montado sobre un soporte que tendrá libre movimiento
en el eje vertical para la fácil aplicación de carga sobre el eje.
b)
Se utilizará un motor de corriente alterna, pues es sencillo
controlar su velocidad por medio de variadores de frecuencia y por la facilidad
de encontrarlo comercialmente.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
72
c)
La transmisión de potencia será mediante bandas, pues ofrecen
una operación suave y simple, además de no requerir sistema de lubricación
alguno.
Selección
desem peño.
de
los
sistem as
para
la
q uinta
esp ecificación
de
En este punto se ha decidido que para medir la magnitud de la fuerza
aplicada a las probetas, se ocupe una celda de carga debido a la practicidad
que ofrecen en comparación con las propuestas.
Selección de los sistem as para la sexta esp ecificación de desem peño.
Esta sección será retomada en un trabajo recepcional posterior donde se
especificarán todos los aditamentos que formarán los sistemas electrónicos
que censarán y nos darán resultados por medio de una interface.
3.5.- D ISE Ñ O D E D E T A L L E .
En esta sección se describe la penúltima etapa del proceso de diseño,
que se trata en este trabajo. La etapa de diseño de detalle involucra múltiples
cálculos, con la finalidad de dimensionar correctamente cada pieza. Esta etapa
es un tanto complicada pues aunque hasta ahora se han seleccionado los
sistemas a usar en el equipo es necesario realizar nuevamente todo el proceso
para cada caso en específico, además de que poder definir la geometría de
cada pieza es necesario plantear si se puede manufacturar con los recursos
existentes.
El diseño de detalle es una etapa complicada, si bien ya se han definido
a grandes rasgos las características del equipo, hasta ahora solamente se tienen
ideas. En esta etapa las ideas generales se desarrollan al máximo, dando como
resultado un conjunto de especificaciones de cada pieza.
Dentro de las especificaciones es necesario que se incluya la geometría,
el material, el acabado y las tolerancias. Entre más detallada sea esta etapa se
garantizará con mayor seguridad la construcción del equipo y se facilitará
demasiado esta tarea.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
73
3.5.2.- C Á L C U L O DE L A PO T E N C IA D E L M O T O R .
Para poder dimensionar cualquier pieza, primero es necesario conocer
las fuerzas que se le aplicarán. Uno de los parámetros que caracterizan a
cualquier máquina es la potencia del motor.
La potencia entregada por el motor se consume por la fricción entre las
probetas, y en las perdidas por fricción en la transmisión de potencia. Lo que
se espera de todo equipo es que las pérdidas de potencia sean mínimas. A
continuación se realizan los cálculos para determinar la potencia requerida
debido a la fricción en las probetas.
La potencia m ecánica se calcula de la siguiente forma:
W=T.ro
E c. 3.1.
Donde:
W =Potencia mecánica [W].
T=Par [Nm].
ro=Velocidad angular [rad/s].
Como se observa en la siguiente figura, la fuerza N aplicada en la
probeta fija por parte de la probeta en movim iento genera un esfuerzo de
contacto. Este tipo de esfuerzo fueron calculados por H. Hertz en 1881, y los
resultados se muestran a continuación.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
74
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Fuerza
Sentido de
Probeta
Dinámic
. ■'I
f Assembly Vier
fPSotn1
L ffl Inserti 1 (-1,500 in)
Enel área(314.159mm2'
superiore inferiordelas
probetas se llevaacaboel
contacto —
55 Move Component [V]
a j Rotate Comp
S i Quarter Seel
Probeta
Estáti ca.
H.
F igu ra 3.4.1.- V ariables aplicadas F=fuerza en N ew tons velocidad
angular.
En primer lugar se debe proceder a establecer un cálculo de las poleas y del
tipo de banda a usar en la transmisión de potencia del motor al eje principal de
la máquina. Se tienen los siguientes datos:
Potencia a transmitir N: 1 HP.
Velocidad en el árbol conductor: n x (rpm)=1750.
Velocidad en el árbol conducido: n 2 (rpm)=1750.
Condiciones de servicio: máquina herramienta (ambiente controlado
normal).
Velocidad máxima de deslizamiento: 370.8 ft/min.
Distancia entre centros:
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
75
D eterm in ación de la relación de transm isión.
i= n 2/n I= 1750/1750=1.
A dopción de la velocidad y
conductora y d e la p o le a conducida.
cálculo d el diám etro de la p o le a
Se adopta la velocidad V =370.8 fts/min.
D 1=V/(rcn1)= 370.8/n (1750)= 0.06744f= 0.809 in.
Se adopta el diámetro primitivo de la polea Dp ~ D1. Este valor se
redondea a una terminación entera, porque así se hallan normalizadas en la
Tabla 1(Anexo A). Entonces con la velocidad más cercano al dato (por exceso
es de 370.8 f/m in ), el diámetro por exceso más cercano a 0.809 in. es:
D 1=1.5 in.
Lo que equivale al uso de una correa REVO número 20.
Se debe ahora buscar el diámetro de la polea conducida con:
D 2=D 1/1.03i=1.5/1.03(1)= 1.45 in.
Este valor se redondea al normalizado más próximo o se manda a
construir la rueda.
En este caso el diámetro normalizado más próximo es de D2=2.5 in.
S elección d el tipo de correa a u sar y cálcu lo del diám etro p rim itivo del
p iñ ó n y d el diám etro p rim itivo de la rueda.
D e la tabla 1 (Anexo A), con la velocidad en ft/min. Y el diámetro de la
polea conductora, se obtiene el número que indica el tipo de correa. Es decir
una correa REVO número 20.
D e la tabla 2 (Anexo A), con el tipo de correa se obtiene el espesor “e”
El cual es e= 0 .0 6 0 in.
Se pueden calcular así los diámetros primitivos definitivos:
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
76
D p1 = D 1+e=1.5+0.060=1.56 in, D p2 =D 2 + e=2.5+ 0.060=2.56
relación de transmisión efectiva resulta:
in, y
la
i=0.59163.
C álculo de la p o ten cia No.
D e la tabla 4 (Anexo A) con cd y (D 2 - D 1) se obtiene el factor de
corrección por ángulo de abrace f a (el cuál vale aproximadamente 0.98).
D e la tabla 1 (Anexo A) se obtiene
la potencia N 180 . (su valor es
N 180= 1 . 1 )
N o = N 1 8 0 f a= 1 .1 *0.98=1.07 8 HP/in.
C álculo del anch o b
b=N D /N o = 1 .05/1.078=0.974in.
D eterm in ación de los esfuerzos sobre los árboles.
Sobre el árbol de las poleas conductora y conducida aparecen:
a)
Un momento torsión:
M ti [kg.cm] = 70638N D (HP)/n 1(rpm )=70638(1.05)/1800=41.2055
en la polea conductora.
Kg.cm
M ti [kg.cm ]=70638N D (HP)/n i (rpm )=70638(1.05)/1800=41.2055
en la polea conducida.
K g.cm
b)
Una fuerza radial:
Siendo R o la fuerza que se aplica al árbol por unidad de ancho de correa,
y se obtiene de la tabla 5 (Anexo A) en función del c%=2% y del tipo de
correa (Ro=100lb/in). A sí la reacción vale:
R =R ob=100*0.974=97.4 lbs.
D eterm in ación de la fle c h a o eje de la m áquina.
Analizadas estas facetas ahora se debe efectuar el estudio de la flecha de
acero que servirá com o el eje principal de la máquina; en dicha flecha se
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
77
pretende usar un acero AISI 1010 con un esfuerzo cortante permisible de
Tperm=14.5ksi. deberemos determinar el diámetro requerido para tal caso.
Conocemos el par de torsión de la flecha por m edio de los cálculos
anteriores, entonces aplicando la ecuación:
J/c_T/^perm
Se tiene que:
J/c=^c 4/2c=T/x perm
c=[2T/rc TPerm] 1/3=[2(3.353ft.lb)(12 in /f)/n (1 4 5 0 0 lb/in 2 )] 1/3=0.121 in.
puesto que 2c=0.24 in, se elegirá una flecha que tenga un diámetro de
0 . 8 in.
3.6.- C O N ST R U C C IÓ N Y M O N T A JE .
La construcción de la mayoría de las piezas de la máquina fue realizada
en las instalaciones de la Facultad de Ingeniería M ecánica Eléctrica Zona
Xalapa, principalmente en el taller mecánico, en donde se tornearon, fresaron,
barrenaron y soldaron. Lo primero en realizar fue la copa y el porta-copa ya
que son los dispositivos de mayor detalle y con mayor grado de dificultad,
también se torneó el eje principal, a continuación se construyó la mesa que
sirve com o base para toda la máquina en una extensión de los talleres Carballo
junto con el soporte del eje principal, las poleas se llevaron a rectificar al taller
Moreno.
Una vez terminadas las labores de construcción de las piezas se
procedió a ensamblar la máquina, el cual es proceso sencillo. El primer
ensamble que se realizó fue el de soporte del eje y eje de transmisión de
potencia, en el cual se le añadió un balero el cual ayudó a el correcto
funcionamiento del mismo. Posteriormente se realizó el ensamble del
dispositivo controlador de altura del eje de giro que también es de fácil
armado ya que las piezas se diseñaron de manera de solo unirlas por medio de
tornillos. Finalmente se coloca sobre la mesa la mesa la estructura que sirve
para deslizar el eje en forma ascendente o descendente y también es el apoyo
del dispositivo para centrar el eje.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
78
3.6.1.- T R IB Ó M E T R O R O T A T O R IO .
La máquina representada en la imagen () ha sido diseñada para la
simulación y reproducción del fenóm eno de desgaste adhesivo en un amplio
rango de variación de las condiciones de trabajo.
Fig. 3.1. T ribóm etro rotatorio.
Esta máquina da la posibilidad de solucionar problemas industriales
concretos tales com o la selección de materiales de elevada resistencia a la
adhesión y aleaciones para determinadas condiciones de fricción. Esto es
necesario tanto durante el diseño y construcción de nuevos tipos de máquinas
que trabajen bajo elevadas condiciones de cargas com o para el mejoramiento
de las ya existentes.
La máquina tiene la posibilidad de trabajar en un amplio rango de
temperaturas, tanto para la fricción seca com o lubricada y está diseñada de
manera tal que permite simular tanto las condiciones reales de explotación de
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
79
los elementos a escala industrial así com o de concretas condiciones de
laboratorio en investigaciones específicas.
Los ensayos se realizan con probetas de configuración sencilla, lo que
posibilita la preparación de las mismas a partir de cualquier par de material o
aleaciones.
Debido a que la adhesión depende en gran medida de la magnitud de la
carga en la instalación resulta fundamental el mecanismo de cargas, formado
por un soporte guía y las diferentes masas. Este mecanismo permite aplicar
cargas que van desde cero hasta el límite de fluencia de los materiales.
La máquina cuenta con un accionamiento mediante un motor de 1 HP
de corriente alterna, el cual está conectado a un variador de frecuencia
mediante el cual se logra controlar la velocidad angular del motor, la
transmisión de potencia desde el motor hacia el eje se realiza mediante un
sistema de poleas y banda.
Otra de las partes de la instalación es el dispositivo porta probeta
formado por el eje transmisor de movimiento, en cuyo extremo inferior se
coloca la probeta m óvil, mediante el uso de un porta-probeta fabricado. Se
dispone también de un recipiente en forma de copa en el cual se alberga tanto
la probeta fija como el lubricante, este recipiente proporciona a la vez el efecto
de la fuerza de fricción que tiene lugar en el punto de contacto. Todo este
mecanismo se coloca sobre una base de estructura rígida de acero.
Un dispositivo importante de la máquina es el que se encarga de
registrar la fuerza de fricción. Debido a que estas fuerzas varían en un amplio
rango, comenzando en cero y terminando con la fuerza de ruptura de la unión
adhesiva de toda el área de contacto (2.429 cm2), el mecanismo de medición
de la fuerza de fricción debe de cumplir dos exigencias fundamentales: poseer
una gran sensibilidad y soportar grandes esfuerzos. En calidad de este
mecanismo se pensaba utilizar galgas extensométricas, pero debido a su alto
costo y disponibilidad se decidió por adaptar un circuito electrónico
compuesto.
3.7.- PR E SU PU E ST O .
Con cualquier proyecto de investigación o de construcción, es necesario
reflejar el costo de la máquina para tener una comparación entre un m odelo
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
80
comercial y uno fabricado en las instalaciones de la Universidad Veracruzana.
Puede observarse claramente cómo los costos de la construcción no son tan
elevados com o uno pensaría; en cambio es un costo muy reducido en
comparación con un m odelo comercial que ronda alrededor de los
$850,000.00 según páginas Web consultadas. A continuación se muestra una
tabla con el presupuesto cotizado para la construcción de la máquina:
TORNILLERIA
EXTENCION DOMESTICA
TORNILLERIA
TRIPLAY DE PINO DE 14miriX1.22X2.44
SILICON PENS PEPESILICON
BISAGRA TUBULAR 3/8
MATERIAL ELETRICO
ANGULO 1/8" x 3/4"
ANGULO 1/8" x 1" LIGERO
PTR 1" x 1"NICHOLSON STD.
SEGUERANICHOLSON STD
SOLDADURA 6013 1/8
MT LAMINA NEGRA LISA 3'C18
MATERIAL DE PINTURA
MOTOR TRIFASICO
MAQUINADO DE PIEZAS
VARIADOR DE FRECUENCIA
PAR DE CORREDERAS PARA TECLADO
TOTAL
72.49
99.04
47.93
330
85.5
15.00
274.97
241.23
274.31
206.08
50.58
58.26
1282.5
590.00
1500.00
1000.00
5000.00
50.00
11177.89
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO III.- DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
81
C A P ÍT U L O IV: PR O C E D IM IE N T O S Y V A L ID A C IÓ N D E L A
A P L IC A IC Ó N E X PE R IM E N T A L D E L T R IB Ó M E T R O P A R A L A
D E T E R M IN A C IÓ N DE L A R E SIST E N C IA A L D E SG A ST E
M E D IA N T E E N SA Y O S D E D E SL IZ A M IE N T O .
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
4.1.- P R O C E D IM IE N T O P A R A L A D E T E R M IN A C IÓ N D E LA
R E SIST E N C IA A L D E SG A ST E M E D IA N T E E N SA Y O DE
D E SL IZ A M IE N T O .
4.1.1.- A L C A N C E D E L PR O C E D IM IE N T O .
El procedimiento m etodológico, que en lo posterior se describe, tiene
como objetivo fundamental establecer los pasos a seguir para la puesta a
punto, calibración y realización de los ensayos en el tribómetro rotatorio.
Este método de ensayo cubre un procedimiento de laboratorio para
determinar la resistencia al desgaste de un material mediante el movimiento
relativo entre dos probetas que se encuentran en contacto frontal elaboradas
con el material del que se desea ensayar. Los factores principales y
condiciones que requieren la atención al utilizar este tipo de aparato y las
correspondientes mediciones.
Los valores declarados en las unidades del SI serán considerados como
los normalizados.
Este procedimiento no pretende dirigir (establecer) toda la seguridad
que involucra, para cualquiera que esté asociado con su uso. Es
responsabilidad del usuario de este procedimiento el establecer la seguridad y
protección práctica requerida y determinar la pertinente prioridad de las
limitaciones reguladas para su uso.
4.1.2.- D O C U M E N T O S D E R E FE R E N C IA .
A S T M D 2266 Wear preventive characteristics o f lubricating greases.
A S T M D 4172 Wear preventive characteristics o f lubricating fluid.
A S T M D 2596 Extreme pressure properties o f lubricating greases.
A S T M D 2783 Extreme pressure properties o f lubricating fluid.
IP 239 Extreme pressure properties: friction and wear test for
lubricants.
D IN 51350/1-5 Testing lubricants: testing in the shell four-ball tester.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
83
ISO /C D 11008 Petroleum products and lubricants - determination o f
extreme pressure properties o f lubricating greases - four ball method.
A S T M G 99 Wear testing with a pin-on-disc apparatus.
D IN 50324 Measuring friction and wear: model experiments on
sliding friction in solids (ball on disc system).
ISO /D IS 7148-2 Testing o f the tribological behavior o f bearing
materials and with TE 92/6/4
A S T M D 3702 Standard test method for wear rate o f materials in self­
lubricated rubbing contact using a thrust washer testing machine.
4.1.3.- R E S U M E N D E L P R O C E D IM IE N T O D E L E N SA Y O .
Para el método de
especím enes de las probetas.
evaluar o bien pueden ser de
perpendicularmente a la otra
manera frontal.
ensayo del tipo frontal, se requieren dos
Pueden ser del mismo material a ensayar o a
materiales distintos. Cada probeta se posiciona
de manera que queden sus caras dispuestas de
La máquina se ha diseñado de manera que una probeta no gira sobre su
eje ni se desplaza radialmente, lo cual lo establece la norma A STM G132.
El procedimiento para la realización de ensayos de desgaste es muy
sencillo, en primer lugar procedemos a encender la máquina en general
(computadora, dispositivos y fuente de energía eléctrica para la máquina).
Siguiendo las condiciones de prueba, que se establecerán en el diseño
del experimento, se programa al variador de frecuencia para que el motor nos
genere la velocidad requerida para el ensayo, además de tener listo el peso que
será el que nos de la relación de fricción en las caras de las probetas y la carga
adecuada.
La puesta a punto de la instalación experimental se realiza centrando la
probeta m óvil con respecto a la probeta fija mediante una guía cilindrica de
acero colocada en el barreno central de ambas probetas; por medio de esta
guía se asegura que ambas probetas permanezcan en contacto frontal cilindroDISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. j 8 4
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
cilindro. Posteriormente se procede a la aplicación de la carga correspondiente
de acuerdo al diseño del experimento así com o también se añade el lubricante
en caso de ser un ensayo lubricado. Una vez contemplado todo lo anterior se
opera la máquina mediante el accionamiento del motor, logrando así que la
probeta m óvil friccione contra la probeta fija durante el tiempo que dure el
ensayo.
El periodo de observación del proceso debe ser el suficiente com o para
que se pueda registrar el momento en el que com ienza la adhesión y el de la
total adhesión de las probetas, cabe aclarar que esto dependerá en gran medida
de los tipos de materiales que se estén examinando.
La velocidad de deslizamiento depende de la velocidad de rotación del
motor, es decir, se puede establecer con anterioridad qué velocidad se requiere
y programar el variador de frecuencia para que proporcione una velocidad
adecuada.
La pérdida de material se determina pesando ambos especím enes antes
y después del ensayo. Deben convertirse los valores de pérdida de masa a
pérdidas de volumen, por lo que se consideran las densidades de los materiales
que se ensayan. La medición del desgaste de manera lineal (m edición de las
dimensiones antes y después) no se recomienda para los propósitos de este
ensayo.
Se informan los resultados del desgaste com o pérdida de volum en y
del volum en de desgaste normalizado con respecto a la carga normal aplicada,
a la longitud del camino de desgaste.
4.1.4.- IM P O R T A N C IA Y U SO D E L PR O C E D IM IE N T O .
La magnitud del desgaste en cualquier sistem a en general, depende de
varios factores, tales com o la carga aplicada, características de la máquina,
velocidad deslizamiento, recorrido de fricción, el ambiente, y las propiedades
materiales. El valor inicial de este procedimiento de ensayo radica en que
predice una clasificación jerárquica relativa de materiales. Este procedimiento
de ensayo impone condiciones que causan las pérdidas de masa medible y
considera que ajusta los materiales para aplicaciones en las que ocurre
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
85
abrasión de moderada a severa. Los materiales a utilizar en el ensayo deben
ser bastante resistentes a la adhesión.
Este procedimiento de ensayo por fricción adhesiva no intenta
reproducir todas las condiciones que pueden experimentarse durante la
explotación de una máquina o equipo (por ejemplo, tamaño de la partícula,
forma, dureza, velocidad, carga, y presencia de un ambiente corrosivo), no se
garantiza con este procedimiento de ensayo que exista repetitividad de la
magnitud del desgaste para condiciones que difieran de las de este
procedimiento de ensayo.
4.1.5.- M Á Q U IN A D E E N SA Y O . D E SC R IP C IÓ N G E N E R A L .
Para el desarrollo de los experimentos se construye una instalación
experimentación que permite evaluar la resistencia al desgaste de diferentes
materiales y el comportamiento de dichos materiales bañados con algún tipo
de lubricante. Las características constructivas y de diseño se muestran en la
siguiente figura.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
F IG U R A 4.1.- In stalación exp erim en tal para el estudio de la
resistencia al desgaste adhesivo.
La máquina de fricción frontal cilindro-cilindro es una máquina muy
versátil y de fácil manejo, sus especificaciones principales son las siguientes:
•
La instalación experimental está compuesta por un
mecanismo de accionamiento formado por un motor, un eje giratorio
donde se coloca la probeta m óvil, una copa fija a la base en la cual se
coloca la probeta fija así com o también el lubricante si es necesario.
•
Todo el mecanismo se monta sobre una m esa firme.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
87
•
Una computadora con el software diseñado para mostrar las
mediciones hechas físicamente y transmitidas por el circuito
electrónico, así com o también con algún software estadístico para poder
evaluar los resultados después de terminado el ensayo.
•
Rigidez de la máquina: la máquina de ensayo debe ser lo
suficientem ente rígida y estable, evitando vibraciones que puedan
alterar los resultados de la magnitud del desgaste durante el ensayo. La
superficie que fija el abrasivo debe estar rígida y poseer una adecuada
excentricidad.
•
Control de velocidad: se logra controlar la velocidad del
motor y por consecuencia la velocidad de la probeta m óvil, por medio
de un variador de frecuencia conectado al motor. Como su nombre lo
indica, su función es variar la frecuencia eléctrica y con ello poder
controlar la velocidad angular del motor.
•
El dispositivo porta probetas garantiza la fijación de la
probeta logrando paralelismo y planicidad entre las caras frontales de
las probetas. El porta probeta se mueva libremente, con la fricción en la
dirección de su eje longitudinal (es decir, perpendicular a la superficie
de la otra probeta).
•
Sistema de m edición del desgaste: el instrumento de
m edición del desgaste por pérdida de masa en las muestras a ensayar
debe tener una sensibilidad de 0 . 0 0 0 1 grs.
4.1.6.PROBETAS
PA R A
LOS
E N SA Y O S
Y
P R E PA R A C IÓ N ; L U B R IC A N T E Y SU S C A R A C T E R ÍST IC A S.
SU
PROBETAS.
Materiales: el procedimiento de los ensayos puede aplicarse para
evaluar la resistencia al desgaste de cualquier tipo de material. El único
requisito es que se puedan perparar probetas que tengan las dimenciones que
exige el procedimiento del ensayo y que estas resistan las tensiones impuestas
durante el ensayo sin que tenga lugar la rotura. Este procedimiento de ensayo
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
no se considera para un material que sea inadecuado en una aplicación de
elevada resistencia al desgaste.
Durante la calibración y puesta a punto de la instalación experimental
se emplearon aceros al carbono de dureza 179 HB, debido a que los mismos
poseen una adecuada variavilidad de la abración y desgaste, y la misma
adecuadamente corregible. S e recomiendan, por consiguiente, específicamente
para ese propósito. El procedimiento permite el em pleo de cualquier otro
material pero el mismo debe ser caracterizado totalmente y sus resultados
deben ser descritos en el correspondiente informe.
Tanto la probeta m óvil com o la probeta fija deben ser lo más parecidas
posibles, cumpliendo con las siguientes características: forma cilindrica con
un diámetro exterior de 2 cm y un diámetro interior de 0.9525 cm por una
longitud de 2 cm en el caso de las probetas de bronce y en el cado de las
probetas de acero AISI 1045 tendremos un diámetro de 2 cm y una longitud de
2 cm..
Para la preparación de las probetas recomendamos se compre el
material en forma de barra cilindrica con un diámetro exterior de 7/8 de
pulgada. Posteriormente se procederá (en un torno) a desbastar dicha pieza
hasta alcanzar el diámetro exterior de las probetas el cual debe ser de 2 cm. En
la misma acción se barranará dicha barra (en su centro) para formar el
diámetro interior de la probeta, para lo cual se usará una broca de 3/8 de
pulgada. Se medirá una longitud de también dos centímetros y se cortará la
barra para formar una probeta de prueba. Una vez realizado dicho corte es
recomendable lijar la probeta para quitar alguna rebaba o algún exceso de
material.
Los bordes de las muestras deben ser redondeados para evitar el
agarramiento inmediato de los materiales a ensayar.
Acabado superficial de las muestras de ensayo. Las muestras no deben
poseer surco o ralladuras debido a que esto interfiere en el contacto de los
especímenes. La porosidad, a menos que sea una caracteristica inherente del
material que se ensaya, puede afectar los resultados de la prueba adversamente
por lo que la m ism a también debe evitarse.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. I 8 9
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
LUBRICANTE.
El aceite que será empleado en los experimetos consistirá en un aseite
grado de viscosidad SAE 5 - W 40, que es un aceite multigrado utilizado en
motores a gazolina el cual tiene las siguientes características:
•
•
•
•
•
•
Fórmula sintética, lo que permite un desempeño superior a
cualquier lubricante convencional.
Cumple los requisitos de la clasificación API SM y ACEA
A3/B 3/B4.
Recomendado para motores turbocargados, fual injection y
vehículos que trabajen en condiciones de servico severo.
Máxima estabilidad térmica para soportar temperaturas extremas
de operación.
Excelente protección para arranque en frío.
Bajo consumo de lubricante.
Fig. 4.2.- P robetas de acero A IS I 1G45.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
Fig. 4.3.- P robetas de bronce barrenadas.
4.1.7.- PA R Á M E T R O S D E L E N SA Y O .
•
Carga: la magnitud de la fuerza normal, se expresa en
newton, y la misma actúa sobre el área de la probeta sometida a
desgaste. La fuerza normal utilizada fue de 24.5 N , basado en el área de
contacto nominal del espécim en (2.4290 cm2), así mismo se aplica una
presión en el punto de contacto equivalente a 0.1 MPa. Sin embargo, la
máquina puede soportar mucho más carga y se pondrá a consideración
del diseñador del experimento la cantidad de carga con la que quiera
realizar la prueba de desgaste.
•
Velocidad de rotación: la velocidad de rotación del cilindro
m óvil podrá ajustarse desde un valor mínimo de 600 rpm. Hasta un
valor máximo de 1800 rpm dependiendo de las condiciones del
experimento y de la cantidad de carga puesta sobre el eje de rotación de
la probeta móvil. En este caso la velocidad se estableció en 950 rpm.
•
Velocidad de deslizamiento: la velocidad de deslizamiento
en el punto de contacto fue de 0.9948 m/s.
•
Duración del ensayo: el tiempo de la duración del ensayo
variará con respecto a las condiciones del experimento y del tipo de
prueba que se desee realizar. En nuestros experimentos el tiempo de
prueba fue de 30 min.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. I 91
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
•
Ambiente (condiciones de ensayo): la temperatura nominal
del local del laboratorio será de 20° a 25°C. Deben informarse la
humanidad relativa y cualquier exposición medioambiental rara.
4.1.8.- M A T E R IA L E S Y E Q U IPO S
P A R A L A R E A L IZ A C IÓ N D E L E N SA Y O .
C O M PL E M E N T A R IO S
M áq u in a de fricción frontal.
A ceite m ultigrado SAE 5 - W 40.
B alanza an alítica de alta precisión.
T acóm etro digital.
C ronóm etro.
A ceton a, y alcohol 90.
P año de algodón.
Juego de h erram ientas para el m ontaje y desm on taje de probetas.
Juego de probetas de los m ateriales a ensayar.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. I 9 2
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
T erm óm etro digital infrarrojo.
T erm óm etro digital de contacto.
4.1.9.- P R O C E D IM IE N T O
E N SA Y O .
PA R A
LA
R E A L IZ A C IÓ N
DEL
1.
Antes de realizar cualquier ensayo se debe preparar a la
probeta fabricada para tal acción; en primer lugar deben limpiarse
perfectamente (con acetona, alcohol o thiner) para liberarla de alguna
impureza y después secarse perfectamente con algún paño que no deje
hilachas. Se debe tener extremo cuidado al quitar toda la suciedad y la
materia extraña de las mismas. Limpiar con agentes y solventes no
corrosivos. Incluso puede cepillar las probetas.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
2.
Encienda la máquina y verifique con el tacómetro digital
que la velocidad se conserve en los valores establecidos en el
experimento a realizar. Si no es así, apague el motor, realice el ajuste
necesario con el variador de frecuencia y vuelva a encender el motor
para comprobar nuevamente con el tacómetro.
0 .1
3.
Pasar las probetas en la balanza analítica con precisión de
mg ( 0 . 0 0 0 1 g).
4.
Colocar y centrar las probetas cilindro-cilindro en contacto
frontal en el mecanismo porta probeta.
5.
Desplazar el dispositivo porta probeta hasta hacer coincidir
la cara frontal de los cilindros.
6
.
Aplicar la carga de prueba.
7.
Colocar (si así lo requiere el experimento) la cantidad de
aceite lubricante necesaria para mantener lubricado el punto de
contacto.
8.
Preparar el
duración del ensayo.
cronómetro para controlar el
tiempo
de
9.
Separar ligeramente las probetas (aprox. 0.5 cm, subiendo
el eje del porta probeta móvil).
10. Encender la instalación experimental.
11. Bajar nuevamente el porta probeta para hacer coincidir las
caras frontales de las probetas.
12. Pasado el tiempo de prueba del experimento separar las
probetas.
13. Detener la instalación.
14. Desmontaje de las probetas.
15. Limpieza de las probetas con los limpiadores establecidos.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. I 9 4
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
16. Pesar las pruebas.
4.1.10.- C Á L C U L O S Y R E PO R T E S.
El informe debe contener toda la información necesaria para permitir
la repetición independiente del procedimiento de ensayo. Esto incluirá la
forma y dimensiones de especím enes, el tipo del material, com posición,
proceso de fabricación, micro estructura y dureza del material, si resulta
apropiado, reflejar cualquier otro detalle característico que se pueda aplicar en
casos típicos. También se debe informar las condiciones bajo las cuales se
realiza el ensayo, incluyendo la carga aplicada, la velocidad lineal de la
muestra, temperatura ambiente y humedad del local. Un ejemplo es la tabla
4.1.
El desgaste debe expresarse en pérdidas de volumen (es decir, pérdidas
de masa divididas por la densidad) del material de las muestras individuales y
se informará en milímetros cúbicos. Además, dimensiones del desgaste dadas
como una pérdida de volum en normalizada. Las mediciones de desgaste
deberán ser reportadas com o pérdidas de volumen en milímetros cúbicos para
ambos cilindros separadamente.
Emplear para el cálculo del desgaste la siguiente ecuación:
W v=W g/p
E c. 4.1.
Donde:
W g - pérdidas de masa de la muestra ensayada, en gramos.
p - densidad de la muestra de ensayo, en (gr/cm 3 ó mg/mm3)
Reportar la magnitud del desgaste durante la prueba para cada una de
sus réplicas y tabular los mismos.
NUM
ERO
DE
MUESTRA.
Peso (gr).
F
Inic
ial.
Desgaste.
inal.
Gravimétrie
o W g (gr).
métrico
(mm3).
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
V olu
Wv
95
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
T A B L A 4.1.- M agnitud del desgaste de las m uestras ensayadas.
C A R A C T E R ÍST IC A S G E N E R A L E S D E L M A T E R IA L D E LA
M U E ST R A .
T ecnología
de la probeta.
de
elaboración
Ej. Fundida, torneada,
rectificada, frezada, cementada,
nitrurada, cromada, etc.
Material de la probeta.
Ej. Acero AISI 1045.
Com posición química, (%)
n
i
r
i
tros
P ropiedades m ecánicas.
Límite de la rotura, (MPa).
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
96
Límite de Fluencia, (MPa).
Alargamiento relativo, (%).
Compresión relativa, (%).
Dureza, (HB, HRC, HV).
C aracterísticas geom étricas.
Forma.
Dim ensiones (mm) y (mm2)
Cilindrica.
Diá
metro.
Are
a de la
sección.
A
Are
a de la
sección.
tud.
Cuadrada o rectangular.
A
arga.
Longi
ncho.
lto.
C alidad de la superficie.
V elocidad de deslizamiento
(m/s).
Presión nominal de contacto,
(MPa).
Temperatura del
ensayo, (°C).
local
de
Humedad relativa, (%).
M aterial em pleado en la lim p ieza de la probeta.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
97
C A R A C T E R IST IC A S D E L M A T E R IA L A B R A SIV O .
Tipo de abrasivo.
Granulometría.
Material base.
Fabricante.
T A B L A 4.2.- C aracterísticas
condiciones del ensayo.
de
m aterial
de la
probeta, y
Los resultados de la prueba de desgaste expresados en pérdidas de
masa pueden ser usados internamente por un laboratorio para evaluar
materiales de densidades equivalentes sin considerar la misma. Sin embargo,
este procedimiento de ensayo existe informar el desgaste com o la pérdida de
volumen para comparar las magnitudes del desgaste de materiales de
densidades diferentes. Se debe tomar extremo cuidado al tomar los valores de
la densidad de los materiales ensayados, debido a que esta influye
significativamente sobre la magnitud de la pérdida de volumen y sobre todo si
la pérdida de masa es moderada. Sin embargo, los resultados de pruebas
separadas serán comparados.
4.2.- V A L ID A C IÓ N DE L A A P L IC A C IÓ N E X P E R IM E N T A L
D E L T R IB Ó M E T R O P A R A L A D E T E R M IN A C IÓ N DE LA
R E SIST E N C IA A L D E SG A ST E M E D IA N T E E N SA Y O S DE
D E SL IZ A M IE N T O .
4.2.1.- IN T R O D U C C IÓ N .
4.2.1.1.- P R E C ISIÓ N DE
EN SA Y O S D E L A B O R A T O R IO .
LOS
R E SU L T A D O S
DE
LO S
El criterio de precisión de la prueba está basado en la confiabilidad
estadística de los resultados experimentales.
Criterio - considerando lo planteado en práctica E 177 de ASTM, el
criterio de un laboratorio en particular podría ser la confiabilidad estadística
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. j 9 8
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
de los resultados experimentales obtenidos en ese laboratorio, para una
combinación particular del par de materiales de referencia.
Repetitividad - repetitividad com o indicador de precisión de
dimensiones obtenidos con este procedimiento de ensayo, las condiciones de
los parámetros del ensayo, la configuración de la probeta, el tipo de material
abrasivo empleado, y el material de referencia. Se debe considerar com o nivel
límite de confiabilidad estadística el 95%.
4.2.2.- M É T O D O S.
4.2.2.1.A N Á L ISIS
DE
LOS
R E SU L T A D O S
E X P E R IM E N T A L E S D E E N SA Y O S DE L A B O R A T O R IO .
Durante los ensayos se obtienen una gran cantidad de datos
experimentales a los cuales se les determina una serie de parámetros
estadístico - matemáticos tales como:
A)
M edia aritmética de los resultados (^ ’) o (y ’).
H a de señalarse que estos parámetros representan la m edia de una
propiedad evaluada durante los experimentos.
E c. 4.2.
B) Desviación media cuadrática o desviación estándar de la
media (S) o ( g)
E c. 4.3.
ó para número de ensayos (corridas) entre
1
y
10
:
E c. 4.4.
Donde:
n - número de experimentos (corridas experimentales)
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. j
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
E f= i(y — y ' )
2
- suma del cuadrado de las desviaciones.
R - diferencia entre el valor más alto y el más bajo de las medias en
las corridas experimentales (n).
d 2 - factor de desviación.
C)
Desigualdad cuadrática o variabilidad del procedimiento de
ensayo.
A este parámetro también se le conoce com o coeficiente de variación;
se da en %.
V = S /y ’. 100.
E c. 4.5.
Es común señalar que para un número de ensayos (corridas
experimentales) igual o superior a 30 (y ’), (S) o (V) se pueden por método de
las sumas o las multiplicaciones.
Factor de desviación para la desviación estándar estimada en el rango
del tamaño básico de la muestra.
Tamaño de la
muestra (n).
Factor de
desviación (d2)
(1/d2)
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
El tamaño de la muestra (n) se puede determinar para un nivel del 95%
de confianza como:
n = [ l.9 6 j ] 2
Ec. 4.6.
Donde:
e - error permisible de la muestra o muestreo.
4.2.2.2.- D E T E R M IN A C IÓ N D E L E R R O R P E R M ISIB L E DE LA
M U E ST R A (e) A B SO L U T O .
La precisión de los ensayos se evalúa a través del error, para lo cual se
consideran o analizan dos tipos fundamentales de error, el absoluto y el
relativo, para cada uno de los estadígrafos anteriores.
A)
Error absoluto de la media aritmética (e y )
e, =
E c. A .l .
Donde:
t - desviación normada, determinada durante una distribución normal
en dependencia del número de ensayos o tamaño de la muestra.
Para un nivel de confianza del 95% y n=20, t=2.1; para n=30, t=2.
B)
Error absoluto de la desviación estándar (e s)
es =
s
V2 ñ
C)
ey =
Ec. 4.8.
Error absoluto del coeficiente de variación (e v )
=
V2 n
7
Ec. 4.9.
4.2.2.3.- D E T E R M IN A C IÓ N D E L E R R O R R E L A T IV O (er)
A ) Para la media aritmética (e r y )
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
E c. 4.10.
-¡y = ^ - .1 0 0 .
y
e™ ’ =
tv
:.1 0 0 .
V^ - 1 '
E c. 4.11.
B) Para la desviación estándar (e^)
E c. 4.12.
e rs = f . 1 0 0 .
2
E c. 4.13.
e rS = — . 1 0 0 .
V2 ñ.
C)
Para el coeficiente de variación (erV)
E c. 4.14.
e ry = f . 1 0 0 .
2
E c. 4.15.
e rS = - ; = 1 0 0 .
rs
V2 ñ.
4.2.2.4.- G R A D O D E PR E C ISIÓ N D E L E N SA Y O .
Durante la realización de trabajos científicos de investigación el error
relativo no debe sobrepasar de un 3 a 5%.
A partir del valor de error relativo determinado (definido), se
determina el tamaño de la muestra (número de réplicas) (n), necesario para
garantizar la requerida precisión en los ensayos.
A)
Para la media aritmética (y ’)
2
n = 4
4V2
' 2V '
' V '2
ery
= ery2 , = ery ' _
B)
n =
Para la desviación estándar (s )
2*100
, 2
C)
E c. 4.16.
E c. 4.17.
Para el coeficiente de variación (V)
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CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
n =
2 *1 0 0 2
E c. 4.18.
Por otro lado, se tiene que desde el punto de vista práctico de vista
práctico la precisión de los ensayos está caracterizada (definida) por la
magnitud del error relativo. D e este modo, para una probabilidad del 95% se
tiene:
Magnitud
del Grado
error
relativo precisión
ensayo.
(er)
de
del
er< 2
2< er< 5
5< er < 10
er> 10
La tabla anterior se obtiene considerando la ecuación (4.5) o (4.15) y
un 95% de nivel de confianza, lo que indica un 5% de probabilidad de que la
diferencia entre la muestra estimada (media aritmética y ’) y el valor obtenido
del promedio de todos los valores, para un número elevado de pruebas
(réplicas), exceda el error relativo permisible de la muestra.
Por ejemplo: si el coeficiente de variación (V) de múltiples pruebas
(réplicas) es el 7% el tamaño mínimo de muestras pudiera ser 8 ; todo esto con
el objetivo de garantizar un 5% de error permisible. Es importante señalar que
si el número de pruebas (réplicas) 8 no genera un coeficiente de varianza
menor o igual al 7%, la prueba no se considera válida, por lo que se debe
tomar una acción correctiva con los resultados.
Coeficiente
de
variación V
i
(%).
2
i
1
4
Error relativo permisible de la muestra erp3
4
5
6
7
8
10
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
2
16
4
2
1
3
35
9
4
3
2
1
4
62
16
7
4
3
2
2
5
96
24
11
6
4
3
2
2
1
6
35
16
9
6
4
3
2
2
7
47
21
12
8
6
4
3
2
8
62
28
16
10
7
5
4
3
9
78
35
20
13
9
7
5
4
10
96
43
24
16
11
8
6
4
4.3.- D ISE Ñ O DE L O S E X P E R IM E N T O S.
Diseñar un experimento significa planear un experimento de modo que
reúna la información pertinente al problema bajo investigación. El diseño de
un experimento es la secuencia completa de pasos tomados de antemano para
asegurar que los datos apropiados se obtendrán de modo que permitan un
análisis objetivo que conduzca a deducciones válidas con respecto al problema
establecido.
El empleo de un diseño de experimentos ayuda a responder preguntas
tales como:
-i-
¿Cómo se va a medir el efecto? ó ¿Cuáles son las características a
analizar?
i
¿Qué factores afectan las características que se van a analizar?
-i-
¿Cuáles son los factores que se estudiaran en esta investigación?
-i-
¿Cuántas veces deberá ejecutarse el experimento?
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
104
4-
¿Cuál será la forma de análisis?
-i-
¿A partir de que valores se considera importante el efecto?
Objetivos de un diseño de experimentos
*
Proporcionar la máxima cantidad de información pertinente al
problema bajo investigación.
*
El diseño, plan o programa debe ser tan simple com o sea posible.
*
La investigación debe efectuarse lo más eficientemente posible;
ahorrar tiempo, dinero, personal y material experimental. "Proporcionar la
máxima cantidad de información al mínimo costo"
Las
fundamental
técnicas
en
la
del
diseño
Estadística.
experimental
Precisamente,
desempeñan
utilizando
un
papel
correctamente
procedimientos estadísticos relativamente sencillos se arriban a resultados
confiables y repetibles.
4.3.1.- T É R M IN O S B Á SIC O S. D E FIN IC IÓ N .
D iseño de E xperim ento: Es el procedimiento de seleccionar un
número de ensayos y las condiciones para la realización de estos, necesarios y
suficientes para resolver el problema para el cual han sido fijados, con la
máxima información, de la forma más rápida, económica, simple y precisa
posible.
D iseño de un experim ento L ím ite (E xtrem o): Es un método de
selección del menor número de ensayos y las condiciones para su realización,
para encontrar las condiciones óptimas.
E xperim ento: Es un conjunto de ensayos mediante los cuales se tiene
un mecanismo para conocer la esencia de la cuestión que se estudia.
E nsayo:
Corrida experimental que se realiza bajo condiciones
controladas por el investigador.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
105
O ptim izar: El uso de este término en muchas situaciones se confunde,
optimizar significa obtener los mejores resultados para la variable respuesta,
en las condiciones propias del experimento, o sea, dentro de la zona o región
experimental analizada, lo cual raras veces se logra, al tener que ceder en
cuanto a la obtención del máximo de una propiedad para mejorar otra, por lo
que se habla de mejores resultados.
Problem as de O ptim ización: Formas o métodos para obtener las
condiciones óptimas de la respuesta en la zona experimental. Es muy
importante definir en qué sentido las condiciones son óptimas y qué
herramienta se va a utilizar para dar solución al problema.
M étodos de optim ización: Son los métodos usados para la solución
de los problemas de optimización.
P arám etros
de
O ptim ización:
Estos
definen la solución
más
adecuada para las condiciones experimentales. En la mayoría de los ocasiones
pueden ser varios (polioptim ización), por lo que debemos elaborar criterios de
compromiso o de ponderación para cada uno de ellos. Los parámetros de
optimización deben cumplir algunos requisitos:
a.
Deben ser perfectamente mensurables en todos los estados
o niveles del fenóm eno en estudio.
b.
Deber ser universales,
o sea,
adaptarse a todas las
situaciones posibles.
c.
Poseer reproducibilidad estadística.
d.
Al menos uno de ellos deber estar asociado con indicadores
económ icos com o el costo, los gastos etc.
En ocasiones es im posible determinar de forma cuantitativa el
parámetro de optimización. En estos casos, se acude a un procedimiento
llamado A p roxim ación de R ango (Ranking). Así, de acuerdo al rango de
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CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
106
operación preseleccionado de una escala, son asignados valores al Parámetro
de Optimización. La escala puede ser de dos puntos, de cinco puntos,
valoraciones cualitativas (bueno, regular y malo), etc.
Cuando aparecen dificultades en la estimación del Parámetro de
Optimización es útil y necesaria la utilización del Rango de Aproximación.
Factores: Son las variables (cuantitativas o cualitativas) asociadas al
fenóm eno en estudio, deben cumplir con las siguientes condiciones:
a.
Ser perfectamente controlables y mensurables de forma
b.
Los
exacta.
valores
o
niveles
que toman
responden
a los
requerimientos de la investigación y los fija el investigador.
c.
Todas las posibles combinaciones entre factores (cuando
existan más de uno) deben ser realizables y mesurables.
d.
Es muy importante definir que todos los factores deben ser
INDEPENDIENTES entre sí.
Los factores pueden tener una región de determinación conjunta o
discreta. N o obstante, en los problemas de diseño experimental, se consideran
siempre regiones discretas. Así, para factores de regiones continuas de
determinación com o la temperatura, presión, etc., siempre son seleccionados
ajustes de los niveles discretos.
N iveles de los factores: Son los posibles valores que pueden tomar los
factores durante la realización del experimento.
C aja N egra: En este concepto se parte del presupuesto de que se
conocen los factores independientes, que tomarán parte en el proceso, y los
factores dependientes, que se medirán, sin embargo, se desconocen los
procesos (físicos, químicos, etc.), que rigen el comportamiento de los procesos
durante su desarrollo.
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EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
107
I m m iA H H iM
■■IINk>MMMIMM^
C AJA NEGRA
■ d
Fig. 4.3.- E squ em a conceptual del proceso de diseño.
E n la fig u r a 4 .4 s e m u e s tr a e l e s q u e m a d e l c o n c e p to d e c a ja n e g r a . L a
c a ja n e g r a r e p r e se n ta u n
p r o b le m a
a in v e s tig a r ,
c o n c e p to
e s t u d ia n d o
de
ig n o r a n c ia
s o lo
la s
de
lo
r e la c io n e s
q u e p asa
e n tr e la s
d en tro
del
v a r ia b le s
de
e n tr a d a y lo s p a r á m e tr o s d e s a lid a .
L o s v a lo r e s d e X
lo s d e y
1
1
h a s ta X n , s o n lo s fa c to r e s q u e in f lu y e n ; m ie n tr a s q u e
h a s ta yn, s o n lo s p a r á m e tr o s d e o p tim iz a c ió n .
L a r e la c ió n m a t e m á tic a e n tr e e llo s t ie n e la fo r m a g e n e r a l:
Y
= f(X i, X
2; . . . ;
E c. 4.20.
X k)
D o n d e ta l fu n c ió n e s la lla m a d a fu n c ió n r e s p u e s ta .
C ada
fa c to r
pu ed e
to m a r
uno
o
v a r io s
v a lo r e s
en
una
prueba,
g e n e r a lm e n te s e a s u m e q u e c a d a fa c to r p u e d e p o s e e r u n n ú m e r o
n iv e le s .
U n
p o s ib le s
c o n ju n to
e sta d o s
d
de
la
esto s
c a ja
n iv e le s
negra,
e ste
para u n
será
fa c to r
d e te r m in a u n o
s im u ltá n e a m e n te
el
pero
d is c r e to d e
de
lo s
nú m ero
de
e n s a y o s d e l e x p e r im e n to .
P a r a h a lla r la
nú m ero
de
n iv e le s
c o m p le jid a d
(p )
de
lo s
d e u n a c a ja n e g r a , e s
fa c to r e s
a
una
p o te n c ia
s u fic ie n te
ig u a l
al
e le v a r
el
nú m ero
de
p a r á m e tr o
de
f a c t o r e s ( k ) , e s d e c ir :
L a c o m p le jid a d d e la c a ja n e g r a = p k
D e s c o m p o n ie n d o
del
o b jeto
de
una
in v e s tig a c ió n ,
el
O p t im iz a c ió n p u e d e s e r m u y d iv e r s o . E s to s p u e d e n e sta r r e la c io n a d o s c o n lo s
a s p e c to s e c o n ó m ic o s , t e c n o ló g ic o s , c o n s tr u c tiv o s , e tc .
En
p a r á m e tr o s
m o v im ie n to
lo s
sean
p r o b le m a s
r e a le s ,
c o n s id e r a d o s
h a c ia
el
veces
s im u ltá n e a m e n te ;
ó p tim o ,
o p t im iz a c ió n y m a n te n ie n d o
m u ch as
s e le c c io n a n d o
se
en
r e q u ie r e
esto s
un
ca so s
ú n ic o
que
se
v a r io s
r e a liz a
p a r á m e tr o
el
de
e l r e s to d e lo s p a r á m e tr o s c o m o r e s tr ic c io n e s a l
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO.
|
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
108
problema. En los casos que esto no sea lo idóneo, se pueden aplicar métodos
de optimización para sistemas de múltiples respuestas.
R egión de determ inación: Está definida por el conjunto de valores
que los factores y los parámetros de salida pueden tener.
Parám etro categorizado: Este parámetro tiene una región continua
limitada de determinación. En el caso más sencillo la región posee dos valores
(alto o bajo; bueno o malo).
4.3.2.- PA SO S IN IC IA L E S PA R A L A P L A N IF IC A C IÓ N DE
E X P E R IM E N T O S.
Lo primero recomendado para la realización de una investigación es:
1. Buscar el problema: Un problema práctico interesante para alguien.
2. Conocer el problema: Plantearse qué se conoce al respecto en
informaciones científicas.
3. Trazar un objetivo de trabajo: Optimizar las actividades a realizar,
seleccionando el parámetro de optimización. Para ello deben ser considerados
todos los factores que influyen en el fenómeno. Si un factor que tiene
influencia apreciable sobre el fenóm eno
es excluido, esto puede traer
consecuencias funestas. Si un factor significativo fluctúa libremente, se
incrementará notablemente el error del “experimento”.
4. Estrategia: Es el acto redefinir qué hacer constantemente y de
forma conveniente. Se deben observar los siguientes requisitos:
a.
Minimizar el número de experimentos y ensayos, eligiendo un
diseño de experimento adecuado, según la cantidad de factores y la etapa del
trabajo. Por ejemplo, una primera etapa pudiera ser m overse hacia una región
cercana al óptimo y una segunda etapa es la determinación del mismo.
b.
Realizar una correcta modelación matemática del problema.
c.
Trabajar por etapas definidas, que permitan llegar a decisiones
al terminar cada una.________________________________________________
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109
5. Forma Experimental: Para saber qué el factor afecta hay que
experimentar. En esta etapa se debe garantizar:
a.
Controlabilidad de los fenóm enos
que
se estudian en el
experimento.
b.
Reproducibilidad de los resultados.
c.
Que las muestras se tom en al azar.
6
. Comprobación de la adecuación del m odelo matemático: Para ello
se realiza el procesamiento estadístico -
matemático de los resultados
experimentales, utilizando métodos matemáticos reconocidos.
7.
Interpretación
de
los
resultados:
Vinculación
de
los
resultados con otros publicados en la literatura, justificación de los
comportamiento y su alcance.
4.3.3.- M O D E L A C IÓ N D E L E X PE R IM E N T O .
Como
hemos
señalado
un
m odelo
empírico
generalmente
no
proporciona explicación acerca del mecanismo del proceso, pero nos brinda
una descripción algebraica aproximada del comportamiento de los datos
medidos. Ocurre en muchas ocasiones que las correlaciones entre variables de
entrada o factores y las variables de salida no tengan una explicación física
determinada o lógica. En muchos casos, estas correlaciones pueden ser
inferidas por el investigador, ya sea por su experiencia propia, o por la
literatura, pero en muchas situaciones experimentales es difícil ganar en
claridad acerca de las posibles relaciones entre las variables, partiendo solo de
datos cuya toma no se ha planeado de forma correcta (Diseño Experimental).
De aquí la importancia de diseñar y modelar adecuadamente los experimentos
para que los datos brinden la información deseada. Esto se realiza bajo el
concepto de caja negra (ver figura 4.4).
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110
¿Cómo debe seleccionarse el modelo?
Seleccionar un modelo significa definir la forma de la función
matemática que pude describir el proceso en estudio. Este paso lo requiere
todo diseño de Experimento, para definir los valores y la cantidad de niveles a
estudiar y determinar la forma de estimación de los coeficientes del modelo.
Hay muchos m odelos disponibles para la selección. Para optar por uno de
ellos es necesario conocer dos cosas fundamentales:
a.
¿Qué se quiere del modelo?
b.
¿Cuáles son nuestros requerimientos?
Si el objetivo trazado en el estudio es encontrar las condiciones
óptimas del objeto en estudio, el principal requerimiento del m odelo debe ser
la capacidad de predecir la dirección de los ensayos futuros, siempre con la
precisión requerida, lo cual significa que en una cierta subregión, que por
supuesto incluye las coordenadas de los ensayos realizados, el valor de la
respuesta anticipada con la ayuda del m odelo no debe diferir del valor real
más allá de una cantidad preestablecida. Un modelo que cumpla con estas
condiciones se dice que es adecuado y su adecuacidad se comprueba por
métodos estadísticos. Si existieran varios m odelos que se adecuarán a nuestras
exigencias debemos seleccionar uno, según criterios; por ejemplo, el criterio
de simplicidad. Se prefiere seleccionar entre los modelos posibles el más
simple.
En la figura 4.5, se muestra una curva que sobre cierta región (Xmín,
X máx) satisface dos ecuaciones con
la precisión requerida.
(2 )
Fig.
4.4.-
A nálisis
de
m odelos posibles a em plear en
u n a región.
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Aquí el criterio de simplicidad debe establecerse, pues en este ejemplo,
si poseem os una tabla logarítmica de base b, la ecuación más simple sería la 1 ,
pero si no la tenemos la más simple sería la 2. En lo adelante consideraremos
como las más simples las series de potencias o porciones de series de
potencias.
Precisamente, en la mayoría de los casos la selección de los modelos
en las primeras fases de la experimentación, cuando muchas veces no se
conoce nada acerca del comportamiento que tengan las variables respuesta,
resulta una tarea difícil. Para brindar una solución a este problema en la
mayoría de los casos se prefiere seleccionar, en un principio, los modelos
polinomiales.
Estos
modelos
permiten
la
aproximación
de
funciones
desconocidas permitiendo funciones de tamizado (screening) durante el
proceso investigativo. Para ello se emplean polinomios de diferentes grados y
órdenes, que permiten resolver esta tarea; veamos algunos en la tabla 4.3:
T abla 4.3.-
E xpresiones
m atem áticas
características
de los
polinom ios.
Tipo de polinom io
P olinom io
de
grado
cero
P olinom io de prim er
grado y
2
variables
E xpresión
Y=bo
Y=bo + b iX i + b 2X 2
P olinom io de prim er Y=bo + b iX i + b 2X 2 + b3X3 + b i 2X iX 2 + bi3XiX3
grado y 3 variables
P olinom io de segundo
grado
P olinom io
de
+ b23X2X3 + bi23XiX2X3
Y=bo + b iX i + b 2X 2 + b i 2X iX 2 + b iiX i 2 + b 22X 22
tercer Y=bo + b iX i + b 2X 2 + b i 2X iX 2 + b iiX i 2 + b 22X 22
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112
+ b 112 X 12X 2 + b 122X 1X 22 + b 222X 23
grado
Mediante
el
cálculo
de los
coeficientes
involucrados
en
cada
polinomio queda claro el nivel de influencia de cada factor en las propiedades
de las variables respuestas. Como se puede apreciar, mientras mayor sea el
número de coeficientes, mayor será el número de experimentos a realizar y
mayor será el número de réplicas, que se deben planificar, tratando de evitar
que se sature el m odelo y los resultados no sean reales. La selección de un
modelo sencillo puede traer com o resultado, que no se obtengan la cantidad de
corridas
experimentales
necesarias
para
evaluar
correctamente
el
comportamiento de cierto experimento. Por tanto, se requiere que el modelo
seleccionado sea sencillo y que tenga una buena predicción de la dirección
más rápida hacia donde converja el óptimo de la región experimental.
En la generalidad de los casos estas características las cumplen de
manera satisfactoria
los
m odelos
de
primer grado,
por lo
que
son
recomendados para iniciar los estudios de un fenómeno, com o primera
aproximación. Si no se obtiene resultados satisfactorios se incrementa el grado
del polinomio y, por tanto, el número de corridas experimentales, con lo que
entraríamos en diseños de orden superior, los cuales no son objetivo de este
curso. Por tanto, en lo adelante nos centraremos en el trabajo con modelos del
tipo polinomiales, de primer grado.
4.3.4.- SE L E C C IÓ N D E L A R E G IÓ N E X PE R IM E N T A L .
R E ST R IC C IO N E S.
Para el establecimiento de las regiones de definición o la región
experimental donde se moverán los distintos factores se necesita cumplir con
las siguientes restricciones:
a.
Inviolabilidad de principios: los valores de los factores no
pueden ser violados bajo ninguna circunstancia. Por ejemplo, si
tomamos com o factor la temperatura no se concibe que el límite inferior
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113
de la m ism a esté por debajo del cero absoluto.
b.
Restricción técnico-económica: por ejemplo, es necesario
considerar el costo de la materia prima, la mano de obra el costo del
equipamiento del laboratorio, el costo energético, etc.
c.
Condiciones posibles de lograr: Esta restricción se refiere
al aseguramiento técnico material y a las condiciones alcanzables en las
instalaciones del laboratorio de ensayo. Por ejemplo, no es posible
determinar fases en un compuesto sin al menos poseer técnicas de rayos
X para el análisis.
La selección de la región experimental se basa en la selección de las
condiciones de frontera para cada uno de los factores que intervienen en el
estudio. Esta selección incluye dos pasos fundamentales: fijar el nivel base o
nivel cero de cada factor y determinar el rango de variación de cada factor.
a)
Selección del nivel básico: es el punto inicial para la construcción
de una región experimental. En este punto los niveles de los factores
corresponden a las mejores condiciones para las variables respuesta. La
revisión y
análisis
dan la información primaria,
que permite definir
correctamente este punto. La selección del nivel básico de los factores debe
cumplir con los siguientes requisitos:
>
En este punto los valores de la variable respuesta
deben ser los mejores de todos los valores conocidos o reportados
en la literatura.
>
Las coordenadas del nivel cero deben estar dentro de
la región experimental, a cierta distancia de los extremos. Es
importante destacar que no podemos construir un diseño más allá de
las fronteras de la región experimental, aún cuando los mejores
valores estén fuera de ella (nivel central). Ver figura 4.4.
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114
ki
x2
Regió
►
xi
Fig. 4.4.- R egión de determ inación de los factores.
Si hay contradicción entre los requerimientos se está obligado a
olvidar el primero de ellos, puesto que no podemos construir un diseño más
allá de los límites de la región de determinación.
La fórmula de determinación del mismo es: x J0 = (Xmáx ~ Xmin^
b)
Ec. 4.21.
Selección del intervalo de variación: para su determinación se
toma com o referencia
el valor del factor para el nivel básico, tomándose
puntos simétricos al mismo, de forma tal, que se definen el nivel superior e
inferior del factor. Así por ejemplo, si tomamos com o nivel básico para el
factor temperatura los 100 °C y definimos el intervalo de variación en 50 °C,
el nivel inferior del factor seria 50 °C y el nivel superior será 150 °C.
La fórmula de determinación del mismo es: / . = (Xmáx ~ Xmn V
j
2
Ec. 4.22.
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Las restricciones naturales están superpuestas por encima y por debajo
de la selección de los intervalos de variación. Es decir, que un intervalo de
variación no puede ser tan pequeño com o la magnitud que caracteriza la
medición del error de los factores en un experimento. Por otro lado, el nivel
superior y el inferior deben ser inconfundibles. El intervalo no puede ser tan
grande que permita que los niveles máximo y mínimo estén fuera de las
fronteras de la región de determinación experimental.
4.3.5.- C O D IF IC A C IÓ N DE LO S V A L O R E S DE V A R IA B L E S.
Para facilitar los cálculos en muchas ocasiones se prefiere tipificar o
codificar los valores para cada factor, si se define para cada factor el nivel
base com o Xjb y el intervalo de variación como AXj, la fórmula para tipificar
los valores del factor quedaría:
X . - x ih
1
= — 1----- J
AX.J
E c. 4.23.
Donde:
Zj: valor codificado para la variable o factor. Para ilustrar este
procedimiento analicemos un ejemplo. Se quiere estudiar el comportamiento
de las variables tiempo y temperatura sobre el rendimiento de una reacción
química. Determinar los niveles y el intervalo para cada uno de los factores, es
como
sigue:
Aplicando la expresión
(4.2.4) las variables
codificadas
quedarían, para la Temperatura X 1, com o se muestra en la tabla 4.2:
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T abla 4.4.- N iveles de los factores en un diseño factorial 22.
N ivel
N ivel
N ivel
m ínim o
base
m áxim o
T em peratura
40
60
80
20
Tiem po
20
25
30
5
Factores
40 - 60
20
Zi< 80 - 60
20
Intervalo
= -1
=1
Ec. 4.24.
Al aplicar la fórmula a los otros factores se obtendrán los mismos
valores, o sea el valor mínimo del factor se tipifica com o
-1
y el valor máximo
como 1. El uso de esta notación sim plifica mucho los cálculos posteriores,
especialmente cuando no se cuenta con medios de cómputo
para su
realización. Una vez terminado el experimento y seleccionados los valores de
los factores, para los cuales la respuesta es la óptima deseada, se utiliza esta
misma expresión, pero para encontrar los valores reales de las variables.
4.3.6.- R E A L IZ A C IÓ N D E L E X P E R IM E N T O .
La materialización de las corridas experimentales debe estar regida por
los tres principios estudiados en el punto 4.2.3: la aleatorización, la
replicación y el trabajo por bloques experim entales. D e aquí que sea muy
importante, en la realización de un experimento, realizar cada corrida en un
orden aleatorio, con el fin de que los errores experimentales no estén
agrupados en una sección de la matriz. Es preciso recordar también que se
define el número de réplicas como la cantidad de veces que se monta y
desmonta la instalación experimental para la realización de una sola corrida.
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En
este
paso
se
velará porque
se
cumplan
estrictamente las
condiciones impuestas al experimento y se tratará de llevar a sus valores
mínimos los posibles errores casuales, que afecten el desempeño correcto del
trabajo.
También resulta importante en esta etapa el correcto manejo en la toma
de datos de la variable respuesta que se analiza, lo que asegurará que los datos
que se procesen brinden alguna respuesta “luz” sobre el fenóm eno estudiado.
4.3.7.- PR O C E SA M IE N T O E ST A D ÍST IC O D E LOS
R E SU L T A D O S.
Como hem os dicho uno de los objetivos fundamentales de todo diseño
experimental es la obtención de un m odelo (en nuestro caso polinomial), que
pueda modelar, con un nivel de confianza determinado, el comportamiento de
cierta propiedad o variables respuesta. Teniendo en cuenta el m odelo que se
obtenga y el comportamiento del experimento se determina la conducta a
seguir.
Sin
embargo,
muchos
experimentos
contienen un elemento
de
indeterminación debido a la naturaleza ilimitada del material experimental.
Aunque se realicen varias réplicas de un ensayo o corrida experimental, nunca
se obtendrán valores similares de la variable respuesta, ya que está presente el
error de reproducibilidad.
El error de un ensayo es la suma cuantitativa de muchos errores en las
mediciones de los factores, del parámetro de optimización, etc. Estos pueden
ser divididos en sus constituyentes, sin embargo la cuestión de la clasificación
de los errores es muy complicada por lo que es aceptado dividirlos en
“errores sistem áticos” y “errores aleatorios”.
Los primeros son debido a razones, que actúan regularmente en una
dirección definida, más no siempre pueden ser estudiados y determinados
cuantitativamente. Estos se ven durante la calibración de los instrumentos de
m edición (ejemplo: termopares) y otros.
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Los segundos son los que aparecen irregularmente, cuyas causas se
desconocen y es im posible tenerlas en consideración de antemano.
Para determinar este error se com ienza por la siguiente secuencia:
Primeramente se determinan
y ,
S 2 y se realizan los análisis de
comportamiento de la varianza (hom ogénea o no).
y es el promedio de los resultados; que se determina por la expresión:
y =X
;
E c. 4.25.
donde (ri ) es el número de veces que se repte el experimento.
Para que se considere una repetición, éste ha de desmontarse y
montarse de nuevo.
(S 2 ) es la varianza del error puro, determinada por la
expresión general:
S2 =
X (y- - y)2
r'<-
donde:
(i)
E c. 4.26.
1
y
(j),
representan
las
filas
y
columnas
respectivamente.
Esta fórmula debe emplearse cuando el número de réplicas de todos
los ensayos es igual; en caso contrario se debe multiplicar el numerador por r,
o sea:
92
= ( X (y - y )2 )•r
1
r
r -
1
1
Ec. 4.27.
Para saber sobre el comportamiento de la varianza, se emplean varios
criterios estadísticos, entre ellos el test de Ficher, de C ochoran y de Berlett.
■0-
T est de Fisher:
Según este existe un comportamiento hom ogéneo si se cumple la
condición:
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F calc < F f1,f2
S2
Donde: Fcalc = 4 ^
^2
51 máx
Ec. 4.28.
Ff1,f2 Es el parámetro F, tabulado, para grados de libertad del
numerador (F x) y del denominador (F 2 ), iguales a (r-1).
+
T est de C ochoran
Este se em plea si el número de varianzas que están siendo comparadas
es mayor a dos y una de ellas es considerablemente mayor que las otras;
siendo igual el número de réplicas para todos los ensayos.
Según éste, existe un comportamiento hom ogéneo si se cumple la
condición:
G calc < Gtab
Donde: Gcalc =
52
X S2
+
Ec. 4.29.
T est de B arlett:
Este está basado en la distribución normal, por lo que si existe una
desviación de ella se cometerá un error. Berlett demostró que la cantidad:
1
{f •logS(y) 2 - £ fi *logSf ]
c
E c. 4.30.
Obedece a una distribución Chi-cuadrada (x2) con (Z-1) grados de
libertad; donde (Z) es el número de varianzas que se están comparando. El
diseño factorial completo, por ejemplo, este número es igual a N.
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Según
é ste,
e x is te
un
c o m p o r ta m ie n to
hom ogén eo
si
se
c u m p le
la
c o n d ic ió n :
Y 2 ^>>XY calc
2
X tab
X -2
]alc =
donde:
1
[fi
• lo g
S ( y )2
- £
fi
c = 0.433 i + — 1— Í £ y . - 1
3 • (N -1 )
fi / x
* lo g
;
S 2]
y
E Si 2 •y
S(y)2 = "=l n-----^y
i
i= 1
L a
v a r ia n z a
v a r ia b ilid a d . A
y
el
error
e stá n d a r
Ec. 4.31.
2
E l e r r o r e s t á n d a r e n t o n c e s s e r ia : s =
son
m e d id a s
de
la
d is p e r s ió n
y
la
m e d id a q u e e llo s a u m e n ta n , m a y o r e s s e r á n la s d is p e r s io n e s d e
lo s v a lo r e s r e s p e c to a l v a lo r m e d io .
E s m u y im p o r ta n te e x c lu ir la s o b s e r v a c io n e s d e f ic ie n t e s o e x te n d e r s e
en
la
r e p e tic ió n
n a tu ra l n u n c a
se
de
lo s
en sayos
p e r m ite h a c e r
para
e v ita r g r a n d e s
c o r r e la c io n e s
erro res,
pero
a r b itr a r ia s , p o r l o
com o
que
es
e x is te n
r e g la s e s p e c ia le s p a r a d e s c o n ta r la s o b s e r v a c io n e s e r r ó n e a s , c o m o p o r e je m p lo
la “t
de S tu dent ” ,
l a q u e p l a n t e a q u e s i t caic >
o b s e r v a c ió n , e n la q u e
P a ra la
t^ k
= ^
d e te r m in a c ió n
t tab, e n t o n c e s
se
d e s p r e c ia la
o y ^.
d e l m o d e lo
debem os
d e te r m in a r c u á l e s
v a lo r
p a r a c a d a u n o d e lo s c o e f ic ie n t e s , d e a c u e r d o a lo s r e s u lta d o s q u e s e o b tie n e n .
N o s o l o b a s t a c o n d e te r m in a r e s t o s c o e f ic ie n t e s , a d e m á s d e b e m o s c o m p r o b a r
c u á le s
de
e llo s
tie n e n
in flu e n c ia
e s ta d ís tic a
sob re
el
fen ó m en o
y
debem os
v e r ific a r q u e ta n a c e r ta d o e s e l m o d e lo s e le c c io n a d o .
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
4.4.- D ISE Ñ O E X PE R IM E N T A L P A R A M Á Q U IN A
R O T A T O R IA .
La prueba experimental consistió en comprobar el desempeño del
equipo al evaluar la resistencia al desgaste adhesivo en las probetas en
contacto.
Esto se realizó en el laboratorio de Tribología de la Facultad de
Ingeniería M ecánica Eléctrica de
la U.V.;
considerando
una presión
atmosférica de 1.012 [bar] y una temperatura aproximada de 25 [°C].
A l tener listas las probetas para llevar a cabo las pruebas, se colocaron
en el porta - probetas, de acuerdo con la matriz de experimentos.
En ese mismo momento se encendió el variador de frecuencia y con
ello el motor eléctrico. Se le aplicó la carga durante 30 minutos a cada una de
las corridas experimentales.
Las muestras se retiraron de los porta - probetas una vez trascurrida la
prueba y posteriormente se pesaron en una balanza analítica para determinar la
pérdida de material.
Para obtener la cantidad de volumen perdido para cada probeta se
recurrió a la siguiente fórmula:
p = m
^
V
E c. 4.32.
Donde:
p = densidad del material (gr/cm3)
m = masa perdida del elemento (gr).
V = volum en del material (cm3)
Por lo tanto, para determinar el volumen de material perdido:
V= m
p
E c. 4.33.
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CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
Nota: Sabiendo que la densidad del acero AISI 1045 es de 7870
gr/mm3. Entonces la pérdida de material en mm 3 obtenida por medio del
método gravímetro quedaría com o lo muestra la tabla 4.5.
T abla 4.5.- D eterm inación de la p érd ida de m aterial de las
probetas.
Corrida
Lubricación.
Carga
Velocidad (rpm)
Pérdida de M aterial (mmA3)
(grs)
Fija.
Movil.
1 F1-M1
LUBRICADO
1000
1100
1.7662E-06
1.39771E-06
2 F2-M2
LUBRICADO
3500
1100
1.27065E-06
6.98856E.07
3 F3-M3
SIN LUB.
1000
600
3.12578E-06
2.99873E-6
4 F4-M4
SIN LUB.
1000
1100
8.64041E-06
1.07751E-05
5 F5-M5
LUBRICADO.
3500
600
1.77891E-07
3.55781E-07
6 F6 -M6
LUBRICADO.
1000
600
1.14358E-07
3.17662E-07
7 F7-M7
SIN LUB.
3500
1100
1.86785E-06
3.63405E-06
8 F8 -M8
SIN LUB.
3500
600
2.52859E-06
4.59975E-06
9 F1-M1
LUBRICADO.
1000
1100
1.75349E-06
1.49936E-06
10 F2-M2
LUBRICADO.
3500
1100
3.93901E-07
1.04193E-06
11 F3-M3
SIN LUB.
1000
600
6.75985E-06
5.27319E-06
12 F4-M4
SIN LUB.
1000
1100
9.64422E-06
8.36086E-06
13 F5-M5
LUBRICADO.
3500
600
1.13088E-06
1.9695E-06
14 F6 -M6
LUBRICADO.
1000
600
9.91105E-07
4.3202E-07
15 F7-M7
SIN LUB.
3500
1100
1.99492E-06
2.41423E-06
16 F8-M8
SIN LUB.
3500
600
1.90597E-06
8.48793E-06
17 F1-M1
LUBRICADO.
1000
1100
1.74079E-06
1.63914E-06
18 F2-M2
LUBRICADO.
3500
1100
1.39771E-07
5.20966E-07
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123
19 F3-M3
SIN LUB.
1000
600
6.11182E-06
5.78145E-06
20 F4-M4
SIN LUB.
1000
1100
2.66836E-07
2.41423E-07
21 F5-M5
LUBRICADO.
3500
600
2.28717E-07
3.04956E-07
22 F6 -M6
LUBRICADO.
1000
600
2.03304E-07
4.3202E-07
23 F7-M7
SIN LUB.
3500
1100
2.65565E-06
2.60483E-06
24 F8-M8
SIN LUB.
3500
600
4.85388E-06
4.07878E-06
4.5.- P R O C E SA M IE N T O DE L O S R E SU L T A D O S
Una vez que se han realizado todas las pruebas y se registraron los
valores obtenidos de pérdida de material, se procede a iniciar los cálculos
respectivos.
Todos los cálculos se realizaron por medio de un software llamado
STATGRAPHICS Centurión X V ® versión 15.2.14. el cual es un programa
para gestionar y analizar valores estadísticos. Se eligió este programa por
principalmente por sus capacidades para la representación gráfica de todo tipo
de estadísticas y el desarrollo de experimentos, previsiones y simulaciones en
función del comportamiento de los valores.
4.5.1.-D ISE Ñ O FA C T O R IA L
Por definición un diseño factorial es un experimento que incluye
corridas con todas las combinaciones de los niveles de los factores, tomando
cada corrida experimental un nivel de cada factor.
Los diseños factoriales con los niveles de sus factores igualmente
espaciados (para las variables cuantitativas) son por construcción ortogonales.
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D iseños factoriales a dos niveles
En este tipo de diseño las variables o factores se analizan solamente a
dos niveles. Este diseño es empleado especialmente en los de Cribado, es decir
cuando existen varias variables y se requiere conocer cuáles son significativas
para la propiedad estudiada o de interés.
El número de corridas experimentales posible en estos casos es 2k,
donde k significa el número de factores o variables independientes y el
número
2
se refiere a los niveles que asume cada variable.
El asumir solo dos niveles es recomendable en los diseños de tipo de
tamizado, pues generalmente el número de variable es elevado y así se trabaja
con el menor número de experimentos posible. N ótese que si para dos
variables el número de experimentos es 4, pues para tres variables es
8
y para
cuatro variables es 16.
El espaciado entre los niveles asumidos no debe ser tan pequeño com o
se observa en la figura 4.5, para a y b, pues la variación de la variable de
respuesta Y, puede no apreciarse y quedar en el orden de las variaciones
aleatorias, de este modo se puede asumir la conclusión de que la variable no es
significativa. Pero tampoco debe ser tan espaciado com o para a y d, pues
pudieran estar a los lados de un máximo y no reflejarse este en el diseño.
a b
c
x
Fig. 4.5.- E spaciado de las
variables en un diseño factorial a dos niveles.
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E l e s p a c ia d o d e s e a d o d e b e s e r e l r e f le ja d o e n tr e a y c , c la r o q u e e n u n
e x p e r im e n to s e
para
e llo
e s tu d io ,
se
a
d e s c o n o c e c u á l d e b e s e r e l e s p a c ia d o a d a r e n tr e lo s n iv e le s ,
recurre
al
c o n o c im ie n to
razon es
te ó r ic a s
e m p le o
de
que
se
p r e v io
pu ed a
que
se
d is p o n e r
te n g a
o
del
s is te m a
s im p le m e n te
b a jo
al fa c to r
su erte.
El
la s
in te r a c c io n e s
e n tr e
la s
v a r ia b le s
in d e p e n d ie n te s
o
fa c to r e s r e s u lt a e n m u c h o s c a s o s d e m a y o r in t e r é s q u e e l e f e c t o in d e p e n d ie n t e
d e la s v a r ia b le s e n s í s o b r e la p r o p ie d a d e s tu d ia d a (y ).
E l m o d e lo d e p r im e r o r d e n q u e g e n e r a lm e n t e s e a s u m e p a r a e x p r e s a r
el
e fe cto
de
la s
v a r ia b le s
in d e p e n d ie n te s
sob e
la
p r o p ie d a d
e s tu d ia d a
es
el
s ig u ie n te :
Y
E c. 4.34.
= b 0 + b i X i + b 2x 2 + b 3x 3 + b 3x xx 2 + b 4x xx 5 + b 5x 2x 3
L a T a b la 4 .7
m u e s tr a la s v a r ia b le s
in d e p e n d ie n te s
a sí c o m o ta m b ié n
lo s n iv e le s m ín im o y m á x im o q u e s e u s a r o n e n la s p r u e b a s .
V ariable
N ivel 1
N ivel 2
200
400
500
2000
Independiente
V e lo c i d a d d e G ir o
(R P M )
C a r g a (g r )
T abla 4.7.- N iveles asum idos para las variables independientes
El
p roceso
que
se
lle v ó
a
cabo
para
la
u tiliz a c ió n
del
so ftw a r e
S ta tg r a p h ic s f u e e l s ig u ie n te :
A l e n tr a r e n e l S t a tG r a p h ic s , s e s e le c c io n a e n la o p c ió n d e d is e ñ a r u n
n u e v o e x p e r im e n t o e n la p r im e r a v e n t a n a q u e a p a r e c e y s e p u ls a a c e p ta r .
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|
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AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
126
Luego se escoge en la segunda ventana (D efinición de Estudios) la
opción de diseñar un nuevo experimento y se pulsa aceptar.
StatWizard - Definición de Estudios
Puede diseñar diferentes tipos de estudios estadísticos.
Seleccione el tipo de estudio que desea crear:
f
Determinar un Tamaño de Muestra Adecuado para Caracterizar una Población...
C
Determinar un Tamaño de M uestra Adecuado para Comparar Dos o Más Poblaciones...
(• [Diseñar un Experimento...!
Seleccionar un Diseño Experimental de Cribado...
C
Organizar un Estudio RScR de Calibrador...
f
Diseñar una Gráfico de Control...
C Desarrollar un Plan de Muestreo de Aceptación para Variables. ..
C" Desarrollar un Plan de Muestreo de Aceptación para Atributos...
En la próxima ventana se selecciona la opción Cribado que se emplea
cuando existen múltiples variables y se quiere seleccionar aquellas que son
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AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
significativas para la propiedad estudiada. En este caso son dos variables
independientes o factores y una variable de respuesta o dependiente.
c
p c io n e s d e C r e a c ió n d e D is e ñ o s
Liase de Diseño
|De Cribadci
C Superficie de Respuesta
C Mezcla
f " Factorial Multinivel
H
|
Aceptar
|
Cancelar
|
Ayuda
|
(*
C Arreglos Interno/Externo
f " Un Solo Factor Categórico
C Multi-Factor Categóricos
i Componentes de Varianza (jerárquicos)
No. de Variables de Respuesta:
b
No. de Factores Experimentales:
|3
Comentario:
L
En la próxima ventana se va nombrando a los factores y se colocan los
niveles superior e inferior, así com o la unidad de medida del factor.
Después se identifica la variable de respuesta o Y u la unidad de
medida
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En la próxima ventana se escoge que es un tipo de diseño Cribado,
factorial 2 2 y además el número de corridas experimentales, en este caso 4.
En la ventana siguiente se pueden elegir si el diseño tiene punto central
o centroide, el número de réplicas adicionales a los 4 experimentos y el
ordenamiento en que aparecen los experimentos.
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Al aceptar las condiciones que se escogen en la ventana anterior,
aparece un resumen de los datos de los experimentos a llevar a cabo y los
factores en cada corrida en la tabla siguiente.
Para hacer el análisis del diseño se selecciona la ventana Mejorar,
dentro de él la opción Analizar D iseños de Experimentos y dentro de esta la
opción Analizar D iseñ o ...
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A l aparecer la siguiente ventana se introduce en Datos la variable de
respuesta a analizar, en este caso hay una sola Pérdida de Material.
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AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
131
Al dar clic en el icono que aparece señalado con una flecha se
despliega una ventana donde se escogen las opciones de análisis.
En el icono que le sigue al hacer clic sobre él aparecen las opciones de
gráfico siguientes.
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132
4.6.- R E SU L T A D O S.
A nalizar E xperim ento - P erdid a de m aterial
A tributos del D iseño de C ribado
Clase de diseño: D e Cribado
Nombre del Diseño: Factorial
2A3
Nombre del archivo: <Sin Título>
Comentario: diseño de pruebas de tribómetro rotatorio
D iseño B ase
Número de factores experimentales: 3
Número de bloques: 3
Número de respuestas: 1
Número de corridas: 24
Grados de libertad para el error: 16
Aleatorizar: Sí
F actores
B ajo Alto Unidades
1 ,0
LUBRICAC 0
IÓN
VELOCIDA 600 1 1 0
D
0
CARGA
480 840
0
R espuestas
DESGASTE
VOL
0=SIN
LUB;1=LUB.
RPM
grs
Contin
uo
No
No
No
0
U nidad
es
mmA3
El S tatA dvisor
H a creado un diseño Factorial el cual estudiará los efectos de 3
factores en 24 corridas. El diseño deberá ser corrido en 3 bloques. El orden
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133
de los experimentos ha sido completamente aleatorizado.
protección contra el efecto de variables ocultas.
Esto aportará
NOTA: Si utilizó Aumentar D iseño para agregar una fracción a un
diseño factorial fraccionado, deberá verificar el Patrón Alias usando las
Opciones Tabulares. Si existe una confusión inusual, el número de grados de
libertad para estimar el error experimental puede ser más grande de lo que se
muestra en el resumen.
A nalizar E xperim ento - D E SG A ST E V O L
Nombre del archivo: <Sin Título>
Comentario: diseño de pruebas de tribómetro rotatorio
E fectos estim ados para D E SG A ST E V O L (m m A3)
Efecto
promedio
A:LUBRICA
CIÓN
B:VELOCID
AD
C:CARGA
AB
AC
BC
bloque
bloque
Estim ado
5,56989
-7,72935
E rror Estd.
0,49383
0,98766
V.I.F.
4,15036
0,98766
1 ,0
-3,19102
-1,88098
2,70479
-4,07709
-0,318932
0,216646
0,98766
0,98766
0,98766
0,98766
1,39676
1,39676
1 ,0
1 ,0
1 ,0
1 ,0
1 ,0
1,33333
1,33333
Errores estándar basados en el error total con 15 g.l.
El S tatA dvisor
Esta tabla muestra las estimaciones para cada uno de los efectos
estimados y las interacciones. También se muestra el error estándar de cada
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EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
134
uno de estos efectos, el cual mide su error de muestreo. N ote también que el
factor de inflación de varianza (V.I.F.) más grande, es igual a 1,33333. Para
un diseño perfectamente ortogonal, todos los factores serían igual a 1 .
Factores de 10 o más normalmente se interpretan com o indicativos de
confusión seria entre los efectos.
Para graficar los estimados en orden decreciente de importancia,
seleccione Diagrama de Pareto de la lista de Opciones Gráficas. Para probar
la significancia estadística de los efectos, seleccione Tabla A N O V A de la lista
de Opciones Tabulares. Puede retirar efectos significativos pulsando el botón
secundario del ratón, seleccionando Opciones de Análisis, y pulsando el botón
de Excluir.
A nálisis de V arian za
de tribóm etro rotatorio
Fuente
Suma
de
Cuadrados
A:LUBRICAC 358,457
IÓN
B:VELOCIDA 103,353
D
C:CARGA
61,0957
AB
21,2286
43,8952
AC
99,7358
BC
0,318231
bloques
Error total
87,7924
Total (corr.)
775,876
para D E SG A ST E V O L - diseño de pruebas
Gl Cuadrado
M edio
1
358,457
1
103,353
61,0957
21,2286
1
43,8952
1
99,7358
2
0,159116
15 5,85283
23
1
1
Razón-F Valor-P
61,25
0 ,0 0 0 0
17,66
0,0008
10,44
3,63
7,50
17,04
0,03
0,0056
0,0762
0,0152
0,0009
0,9732
R-cuadrada = 88,6847 porciento
R-cuadrada (ajustada por g.l.) = 84,6911 porciento
Error estándar del est. = 2,41926
Error absoluto medio = 1,85599
Estadístico Durbin-Watson = 2,81917 (P=0,9232)
Autocorrelación residual de Lag 1 = -0,447288
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CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
135
La tabla A N O V A particiona la variabilidad de DESGASTE VOL en
piezas separadas para cada uno de los efectos.
entonces prueba la
significancia estadística de cada efecto comparando su cuadrado medio contra
un estimado del error experimental. En este caso, 5 efectos tienen una valor-P
menor que 0,05, indicando que son significativamente diferentes de cero con
un nivel de confianza del 95,0%.
El estadístico R-Cuadrada indica que el modelo, así ajustado, explica
88,6847% de la variabilidad en DESGASTE VOL. El estadístico R-cuadrada
ajustada, que es más adecuado para comparar m odelos con diferente número
de variables independientes, es 84,6911%. El error estándar del estimado
muestra que la desviación estándar de los residuos es 2,41926. El error medio
absoluto (M AE) de 1,85599 es el valor promedio de los residuos.
El
estadístico de Durbin-Watson (DW ) prueba los residuos para determinar si
haya alguna correlación significativa basada en el orden en que se presentan
los datos en el archivo. Puesto que el valor-P es mayor que 5,0%, no hay
indicación de autocorrelación serial en los residuos con un nivel de
significancia del 5,0%.
C oef. de regresión para D E SG A ST E V O L - diseño de pruebas de
tribóm etro rotatorio
Coeficiente
Estim ado
5,56989
constante
A: LUBRICACION -3,86468
B:VELOCIDAD
2,07518
C:CARGA
-1,59551
AB
-0,940491
1,35239
AC
-2,03854
BC
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CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
136
Esta ventana despliega la ecuación de regresión que se ha ajustado a
los datos. La ecuación del m odelo ajustado es
DESGASTE VOL = 5,56989 - 3,86468*LUBRICACIÓ N
+2,07518*V ELÜ C ID A D - 1,59551*CARG A 0,940491*LUBRICACIÓ N*VELÜCIDAD +
1,35239*LUBRICACIÓ N*CARGA - 2,03854*VELO CIDA D*CARG A
En donde los valores de las variables se encuentran especificados en
sus unidades originales , excepto para los factores categóricos que toman
valores de -1 para el nivel bajo y +1 para el nivel alto. Para hacer que
STATGRAPHICS evalúe esta función, seleccione Predicciones de la lista de
Opciones Tabulares.
Para graficar la función, seleccione Gráficas de
Respuesta de la lista de Opciones Gráficas.
R esultados E stim ados para D E SG A ST E V O L
O bservad Ajustados Inferior 95,0% Superior
95,0%
Fila Valores Valores
p ara M edia
p ara M edia
1
0,520966 2,41709
-0,740637
5,57482
2
2,47776 0,609381 -2,54835
3,76711
3
6,12452 7,37939
4,22167
10,5371
4
19,4155 17,4878
14,3301
20,6455
5
7,12834 5,56067
2,40295
8,7184
6
3,16391 5,1727
2,01498
8,33043
7
5,5019
7,51493
4,3572
10,6727
8
0,635324 -1,17376 -4,33149
1,98396
9
0,500635 2,20648
-0,951246
5,36421
10
2,42694 0,398772 -2,75895
3,5565
11
3,65947 7,16878
4,01106
10,3265
12
19,5299 17,2772
14,1195
20,4349
13 7,47141 5,35006
2,19234
8,50779
14 3,25286 4,96209
1,80437
8,11982
15 5,80686 7,30432
4,14659
10,462
16 0,635324 -1,38437 -4,5421
1,77336
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
17
18
19
20
21
22
23
24
0,508259
2,33799
6,63278
18,9327
7,49682
3,37992
5,51461
0,622618
2,47427
0,666561
7,43657
17,545
5,61785
5,22988
7,57211
-1,11658
-0,683457
-2,49117
4,27885
14,3873
2,46013
2,07216
4,41438
-4,27431
5,632
3,82429
10,5943
20,7027
8,77558
8,38761
10,7298
2,04114
Esta tabla contiene información acerca de los valores de DESGASTE
VOL generados usando el m odelo ajustado. La tabla incluye:
(1) los valores observados de DESGASTE VOL (si alguno)
(2) el valor predicho de DESGASTE VOL usando el modelo
ajustado
(3) intervalos de confianza del 95,0% para la respuesta media
Cada item corresponde a los valores de los factores experimentales en
una fila especifica de su archivo de datos. Para generar pronósticos para las
combinaciones adiciones de los factores, agregue filas al final su archivo de
datos. En cada nueva fila, introduzca valores para los factores experimentales
pero deje vacía la celda para la respuesta. Cuando regrese a esta ventana, se
habrán agregado pronósticos a la tabla para las nuevas filas pero el m odelo no
se verá afectado.
O ptim izar R esp u esta
Meta: maximizar DESGASTE VOL
Valor óptimo = 17,4367
F actor
LUBRICACION
VELOCIDAD
CARGA
B ajo Alto Óptimo
- 1,0
1,0
-1 ,0
- 1,0
1,0
1 ,0
- 1,0
1,0
-1 ,0
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
Esta tabla muestra la combinación de los niveles de los factores, la
cual m aximiza DESGASTE VOL sobre la región indicada. U se el cuadro de
diálogo de Opciones de Ventana para indicar la región sobre la cual se llevará
a cabo la optimización. Puede establecer el valor de uno o más factores a una
constante, estableciendo los límites alto y bajo en ese valor.
O ptim ización de M últiples R espuestas
Nombre del archivo: <Sin Título>
Diagram a de Pareto Estandarizada para D E S G A S T E V O L
A :L U B R IC A C IÓ N
□
+
□
-
B :V E L O C ID A D
BC
C :C A R G A
AC
AB
0
2
4
6
8
E fe c to estandarizado
G ráfica de Efectos Principales para D ESG ASTE VO L
LUBRICACIÓN
VELOC ID AD
CARGA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
Comentario: diseño de pruebas de tribómetro rotatorio
Datos/Variables:
DESGASTE VOL (mmA3)
M ínim o M áxim o
O bserva O bserva
do
do
DESGASTE 0,50063 19,5299
VOL
5
R espuesta
R espuesta
DESGASTE
VOL
D eseabili D eseabili
dad
dad
Baja
Alta
M eta
19,0
0 ,0
Fila DESGASTE
VOL
1
0,520966
2
2,47776
3 6,12452
4 19,4155
5 7,12834
6
3,16391
7 5,5019
8
0,635324
9 0,500635
1 0 2,42694
1 1 3,65947
1 2 19,5299
13 7,47141
P esos Pesos
Prim e Segun Im pact
ro
do
o
Maximi 1 , 0
3,0
zar
D eseabilidad D eseabilidad
P revista
O bservada
0,127215
0,0320727
0,388389
0,920412
0,292667
0,272247
0,395523
0 ,0
0,116131
0,020988
0,377304
0,909327
0,281582
0,0274192
0,130409
0,322343
1,0
0,375176
0,166522
0,289574
0,0334381
0,0263492
0,127734
0,192603
1,0
0,393232
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
14
15
16
17
18
19
3,25286
5,80686
0,635324
0,508259
2,33799
6,63278
2 0 18,9327
2 1 7,49682
2 2 3,37992
23 5,51461
24 0,622618
0,261163
0,384438
0 ,0
0,130225
0,0350821
0,391399
0,923421
0,295676
0,275257
0,398532
0 ,0
0,171203
0,305624
0,0334381
0,0267505
0,123052
0,349094
0,996456
0,39457
0,177891
0,290243
0,0327693
Este procedimiento ayuda a determinar la combinación de los factores
experimentales que simultáneamente optimiza varias respuestas. Los hace
maximizando la función de ‘deseabilidad’. Usted puede establecer varias
características de la función de ‘deseabilidad’ a través del cuadro de diálogo
de Opciones de Análisis. Las metas de cada una de las respuestas actualmente
están establecidas como:
DESGASTE VOL - maximizar
La salida muestra la función de ‘deseabiliad’ evaluada en cada punto
del diseño. Entre los puntos de diseño, la ‘deseabilidad’ máxima se alcanza en
la corrida 20. Para encontrar la combinación de factores que alcanza la
‘deseabilidad’ global óptima, seleccione Optimización del cuadro de diálogo
de Opciones Tabulares.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
S uperficie de Respuesta Estim ada
C A R G A = -1 ,0
L U B R IC A C IÓ N
G ráfico M ulti-V ari
Variable dependiente: DESGASTE VOL (mmA3)
Factores:
A=LUBRICACIÓN (0=SIN LUB;1=LUB.)
B=VELOCIDAD (RPM)
C=CARGA (grs)
Hay 24 casos com pletos en la gráfica.
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
Esta gráfica muestra el promedio de DESGASTE VOL en diferentes
combinaciones de los 3 factores. Puede usarse para ayudar a visualizar la
contribución de cada factor a la variabilidad total.
Gráfica M ulti-Vari para DESGASTE VOL
VELO CIDAD=1100;600
CARGA
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
C o n to rn o s de la S u p e rfic ie de R e s p u e s ta E s tim a d a
C A R G A = -1 ,0
DESGASTE
— 2,0
— 0,0
— 2,0
Q
<
Q
O
O
— 4,0
— 6,0
— 8,0
— 1 0,0
— 1 2,0
— 1 4,0
— 1 6,0
— 1 8,0
— 2 0 ,0
G r á f ic a d e R e s id u o s para D E S G A S T E V O L
p re d ic h o s
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
G rá fic a de In te ra cció n para D ESG ASTE VO L
G rá fic o de P robabilidad N orm al para D E S G A S T E VO L
E fe c to s estandarizados
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
4.7.- A N Á L ISIS DE L O S R E SU SL T A D O S.
En las siguientes tablas se muestra el desgaste obtenido durante la
prueba realizada a las probetas, así com o sus respectivas par de réplicas. Cave
mencionar que el valor del coeficiente de variación tabulado para un 95% de
confianza, un 5% de error de norma y un total de 3 muestras por ensayo es de
4%.
T A B L A D E P R U E B A S 1.
CORRIDA
PERDIDA DE MATERIAL (mmA3)
1
3.1639
9
3.2528
17
3.3799
PR O M E D IO .
3.265565
D E SV . STD.
0.1085
CO EF. DE V A R IA C .
3.3245
T A B L A D E P R U E B A S 2.
CORRIDA
PERDIDA DE MATERIAL (mmA3)
2
2.4777
10
2.4269
18
2.3379
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
Com entario [A A R P 1 1 1 ]: PRUEBAS
REALIZADASCONLUBRICACIÓNA
UNAVELOCIDADDE1100RPMY
CONUNACARGADE4800grs.
Com entario [A A R P 1 1 2 ]: PRUEBAS
REALIZADASCONLUBRICACIÓNA
UNAVELOCIDADDE1100RPMY
CONUNACARGADE8400grs.
PR O M E D IO .
2.4142
D E SV . STD.
0.0707
CO EF. DE V A R IA C .
2.9304
T A B L A D E P R U E B A S 3.
CORRIDA
PERDIDA DE MATERIAL (mmA3)
3
6.1245
11
6.3659
19
6.6327
PR O M E D IO .
6.3744
D E SV . STD.
.2542
CO EF. DE V A R IA C .
3.9883
T A B L A D E P R U E B A S 4.
CORRIDA
PERDIDA DE MATERIAL (mmA3)
4
19.4155
12
19.5298
20
18.9326
PR O M E D IO .
19.2926
D E SV . STD.
0.3169
CO EF. DE V A R IA C .
3.9883
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
Com entario [A A R P 1 1 3 ]: PRUEBAS
REALIZADAS SINLUBRICACIÓNA
UNAVELOCIDADDE600RPMYCON
UNACARGADE4800grs.
Com entario [A A R P 1 1 4 ]: PRUEBAS
REALIZADAS SINLUBRICACIÓNA
UNAVELOCIDADDE1100RPMY
CONUNACARGADE4800grs.
T A B L A D E P R U E B A S 5.
CORRIDA
PERDIDA DE MATERIAL (mmA3)
5
0.5209
13
0.5006
21
0.5082
PR O M E D IO .
0.5099
D E SV . STD.
0 .0 1 0 2
CO EF. DE V A R IA C .
2.0140
TABLA DE PRUEBAS
6
.
CORRIDA
PERDIDA DE MATERIAL (mmA3)
6
0.6353
14
0.6353
22
0.6226
PR O M E D IO .
0.6310
D E SV . STD.
0.0073
CO EF. DE V A R IA C .
1.1624
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN TRIBÓMETRO ROTATORIO. |
CAPÍTULO IV: PROCEDIMIENTOS Y VALIDACIÓN DE LA APLICAICÓN
EXPERIMENTAL DEL TRIBÓMETRO PARA LA DETERMINACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE MEDIANTE ENSAYOS DE DESLIZAMIENTO.
Com entario [A A R P 1 1 5 ]: PRUEBAS
REALIZADASCONLUBRICACIÓNA
UNAVELOCIDADDE1100RPMY
CONUNACARGADE8400grs.
Com entario [A A R P 1 1 6 ]: PRUEBAS
REALIZADASCONLUBRICACIÓNA
UNAVELOCIDADDE600RPMYCON
UNACARGADE4800grs.
T A B L A D E P R U E B A S 7.
CORRIDA
PERDIDA DE MATERIAL (mmA3)
7
5.5019
15
5.8068
23
5.5146
PR O M E D IO .
5.6077
D E SV . STD.
0.1725
CO EF. DE V A R IA C .
3.0763
TABLA DE PRUEBAS
8
.
CORRIDA
PERDIDA DE MATERIAL (mmA3)
8
7.1283
16
7.4714
24
7.4968
PR O M E D IO .
7.3655
D E SV . STD.
0.2058
CO EF. DE V A R IA C .
2.7941
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
149
Com entario [A A R P 1 1 7 ]: PRUEBAS
REALIZADAS SINLUBRICACIÓNA
UNAVELOCIDADDE1100RPMY
CONUNACARGADE8400grs.
Com entario [A A R P 1 1 8 ]: PRUEBAS
REALIZADAS SINLUBRICACIÓNA
UNAVELOCIDADDE600RPMYCON
UNACARGADE8400grs.
C O N C L U C IO N E S.
E l d e s g a s t e e s im p o r t a n te p a r a e l d is e ñ o d e e le m e n t o s d e m á q u in a s .
E l c o n o c im ie n to
d e lo s
d ife r e n te s tip o s
de
d e s g a s te , p e r m ite
d is e ñ a r
a d e c u a d a m e n te la s p a r te s q u e e sta r á n e n c o n t a c t o a f in d e c o n tr o la r e l d e s g a s t e
m e d ia n te m o d if ic a c io n e s a l m o v im ie n to , c a r g a s d e im p a c to o a p lic a c ió n d e lo s
p r in c ip io s d e c o n v e r s ió n y d iv e r s ific a c ió n .
L a s in v e s tig a c io n e s
d e sg a ste
m od erado
y
del
fu tu r a s
d e sg a ste
deben
c o n c e n tr a r se e n
e l m e c a n is m o
en
arran que
para
el
in ic ia l
del
p r o p o r c io n a r
in f o r m a c ió n a lo s in g e n ie r o s d e d is e ñ o .
U na
de
la s
c o n c lu s io n e s
p r im o r d ia le s
es
e l tie m p o
de
c o n s tr u c c ió n ,
t o m a n d o e n c u e n ta q u e d e s d e q u e s e r e t o m ó e l p r o y e c t o tr a n s c u r r ió u n a ñ o , s in
em bargo
ob servan d o
e l tie m p o
r e a l in v e r tid o
en
e l tr ib ó m e tr o
e s u n tie m p o
a c e p ta b le .
U n o d e lo s o b j e t iv o s c o n s e g u id o s e s q u e e s t a in v e s t ig a c ió n c o n tr ib u ir á
con
in f o r m a c ió n
que
s e r v ir á
p a r a p o s te r io r e s
in v e s tig a c io n e s
en
tr ib o lo g ía ,
c o m o p o r e je m p lo lo s tip o s d e d e s g a s te , la in f o r m a c ió n s o b r e o tr o s p r o y e c t o s
que
se
han
r e a liz a d o ,
lo s
tip o s
de
a n á lis is
que
se
u tiliz a n
y
lo s
tip o s
e le c t r ó n ic o s q u e s e h a n im p la n ta d o q u e s o n h a s ta c ie r t o p u n to in n o v a d o r e s .
C o m o se p u ed e corroborar
e n la r e a liz a c ió n d e e s ta t e s is , s e d is e ñ ó y
c o n s t r u y ó u n a m á q u in a q u e fu e r a d e g r a n u t ilid a d , e n la c u a l s e p u d ie r a r e c r e a r
s itu a c io n e s
o
a c o n te c im ie n to s
en
té r m in o s
de
d e sg a ste
o c u r r id o s
en
a p lic a c io n e s p r á c tic a s ; e s p o r e llo q u e , e n la s p r u e b a s q u e s e r e a liz a r o n e n e s t e
tr a b a jo
se
to m o
com o
r e fe r e n c ia
el
d e sg a ste
que
se
p resen ta
en
b a le r o s
y
c h u m a c e r a s d e m o to r e s d ie s e l. E n c o la b o r a c ió n c o n M I C R O N A d e la fa c u lta d
d e in g e n ie r ía m e c á n ic a e lé c tr ic a c a m p u s V e r a c r u z , m a n ife s ta r o n s u in te r é s e n
e l p r o to tip o p a r a la r e a liz a c ió n d e p r u e b a s a u n n u e v o tip o
a n tid e s g a s te (N I T R U R O
D E
T IT A N IO ) e l cu a l se le
d e r e c u b r im ie n to
a p lic a r á a p r o b e ta s
de
a c e r o A I S I 1 0 4 5 y s e p r o b a r á c o n y s in lu b r ic a c ió n .
U na
r e a liz a r lo s .
vez
Lo
se n ta d a s
cual
la s
ta m b ié n
b ases
en
un
para
lo s
p r in c ip io
e x p e r im e n to s
nos
s ir v ió
se
para
p r o c e d ió
c a lib r a r
m á q u in a y p o n e r la a p u n to .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
150
a
la
A N E X O S.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
P L A N IF IC A C IÓ N Y D ISE Ñ O DE E X P E R IM E N T O S Y
P R Á C T IC A S D E L A B O R A T O R IO .
L o q u e s e p r e te n d e c o n e s t e p r o y e c t o e s c r e a r u n la b o r a to r io d e in v e s t ig a c ió n
en
T r ib o lo g ía ,
adem ás
de
a p o r ta r
a
la
F a c u lta d
de
I n g e n ie r ía
M e c á n ic a
E lé c t r ic a c a m p u s X a la p a u n p r o to t ip o p o r m e d io d e l c u a l lo s a lu m n o s p u e d a n
d e s a r r o lla r
m e jo r
p la n ific a d o
una
su s
s e r ie
c o n o c im ie n to s
de
p r á c tic a s
de
p u e d e c o n o c e r ta n to la m á q u in a c o m o
sob re
m a t e r ia s
la b o r a to r io
con
r e la c io n a d a s ;
se
la s
a lu m n o
s u fu n c io n a m ie n to y
c u a le s
el
o p e r a c ió n .
han
C abe
a c la r a r q u e la s s i g u i e n t e s s o n s o l o u n a s p r o p u e s t a s y p u e d e n s e r m e j o r a d a s o
e n s u d e f e c t o , e lim in a d a s .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
152
U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A
FA C U L T A D D E IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A
ZO NA XALAPA
L A B O R A T O R IO D E T R IB O L O G ÍA .
R E S P O N S A B L E : IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z .
N O M B R E :_
M A TE R IA :
D ÍA :______
M A T R IC U L A :________
G RUPO :
N ° D E EQ UIPO :
FECH A:
HORA:
P R A C T IC A N O . 1
N O M B R E D E L A PR Á C T IC A :
SE G U R ID A D A N T E T O D O .
O B JE T IV O .
Q ue
el
a lu m n o
conozca
la s
m e d id a s
b á s ic a s
de
s e g u r id a d
en
un
ta lle r
o
la b o r a t o r io d o n d e e x is t e m a q u in a r ia .
IN T R O D U C C IÓ N .
L a s m á q u in a s s o n
m u y p e lig r o s a s
si n o
se u san
con
c u id a d o . U n
e s tu d ia n te
q u e e s t é a p r e n d ie n d o a u s a r m á q u in a y h e r r a m ie n ta , d e b e a p r e n d e r p r im e r o la s
r e g la s d e s e g u r id a d p a r a c a d a h e r r a m ie n ta ó m á q u in a . L a m a y o r p a r te d e lo s
a c c id e n te s
en
la s
in d u s tr ia s
son
cau sad os
por
d e s c u id o
en
lo s
h á b ito s
de
tr a b a jo o p o r j u e g o d u r a n te e l m is m o . E s m á s f á c il y m e j o r d e s a r r o lla r h á b it o s
d e tr a b a jo s e g u r o s q u e s u fr ir la s c o n s e c u e n c ia s d e u n a c c id e n t e .
C A U SA S D E L O S A C C ID E N T E S.
Los
a c c id e n te s n o
su ced en
p o r si s o lo s ;
son
p rovocad os.
S ie m p r e
pod em os
r a str e a r la c a u s a d e u n a c c id e n te h a s ta e n c o n tr a r q u e h u b o a lg ú n d e s c u id o . L a s
p r in c ip a le s c a u s a s d e a c c id e n t e s e n u n t a lle r o la b o r a to r io s o n :
•
P o c o c u id a d o d e l ta lle r .
•
U s o d e h e r r a m ie n ta s n o a p r o p ia d a s .
•
M o n t a j e in a d e c u a d o .
•
M a n e j o d e s c u id a d o d e h e r r a m ie n ta s .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
153
Los
a c c id e n te s
tr a b a ja r e n
m ás
p u ed en
ser
e l ta lle r d e b e
im p o r ta n te
e v ita d o s
y
el
e s tu d ia n te
d e s a r r o lla r h á b it o s
aprender
a
tr a b a ja r
de
con
que
está
s e g u r id a d .
s e g u r id a d
a p r e n d ie n d o
P o s ib le m e n te
que
a
sea
aprender
el
f u n c io n a m ie n t o d e la s m á q u in a s .
P R E C A U C IO N E S DE SEG U R ID A D .
P a r a te n e r u n ta lle r lib r e d e a c c id e n t e s d e b e n s e r c u id a d o s a m e n t e e s t u d ia d a s y
o b s e r v a d a s la s s ig u ie n t e s p r e c a u c io n e s :
B uen cuidado del taller.
El
bu en
c u id a d o
del
ta lle r
es
e s e n c ia l
para
la s
c o n d ic io n e s s e g u r a s d e tr a b a jo . E l b u e n c u id a d o n o c o n s is t e s o lo e n lim p ie z a ,
s in o
cada
e n lim p ie z a y
co sa
y
orden; en
cada
co sa
c o n s e r v a r s e lim p ia s y
en
c u ltiv a r e l h á b ito d e l a s e o ; te n e r u n lu g a r p a r a
su
lu g a r .
T odas
la s
áreas
de
tr a b a jo
deben
lib r e s d e e s to r b o a to d a s h o r a s . L a g r a sa , e l a c e ite , la s
h e r r a m ie n ta s , lo s o b j e t o s s u e lt o s y o tr o s m a t e r ia le s tir a d o s d o n d e q u ie r a s o n la
c a u s a p r in c ip a l d e lo s a c c id e n te s q u e s u c e d e n e n u n ta lle r m e c á n ic o .
1.
N u n c a u s e r o p a s s u e lta s c e r c a d e la s m á q u in a s .
2.
N o u s e r e lo je s , a n illo s , e tc . Q u e p u e d a n s e r c o g id o s p o r a lg ú n e le m e n t o
3.
N o
d e la m á q u in a .
tr a te
de
m e c a n is m o , y
u sar
la
m á q u in a
asegú rese
de
s in
a n tes
e n te n d e r
que
sab e
com o
a n tes
de
m e d ir ,
p e r fe c ta m e n te
su
p a r a la m á q u in a a n te s
de
a r r a n c a r la .
4.
P ara
s ie m p r e
la
m á q u in a
lim p ia r ,
a c e ita r
o
hacer
c u a lq u ie r a ju ste .
5.
N unca
opere
a lg u n a
m á q u in a
a m enos
q u e to d o s
lo s
a d ita m e n to s
de
s e g u r i d a d e s t é n e n s u lu g a r .
6.
N o tr a te d e p a r a l a m á q u in a c o n la s m a n o s .
7.
N o u s e tr a p o s c e r c a d e p a r te s m ó v ile s .
8.
E v it e la s b r o m a s y j u e g o s .
9.
N u n c a t e n g a a m á s d e u n a p e r s o n a a la v e z o p e r a n d o la m is m a m á q u in a .
1 0 .U s e s ie m p r e le n t e s d e s e g u r id a d .
1 1 .B u s q u e lo s p r im e r o s a u x ilio s in m e d ia ta m e n t e p a r a c u a lq u ie r h e r id a s in
im p o r ta r q u e ta n p e q u e ñ a s e a .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
154
U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A
FA C U L T A D D E IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A
ZO NA XALAPA
L A B O R A T O R IO D E T R IB O L O G ÍA .
R E SPO N SA B L E :
IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z .
N O M B R E :__________________________________ M A T R IC U L A :_______
M A T E R IA :____________________G R U P O :__________ N ° D E EQ UIPO :
D ÍA :___________ H O R A :_____________
FE C H A :______________
P R A C T IC A N O . 2
N O M B R E D E L A PR Á C T IC A :
C A R A C T E R ÍST IC A S DE L A M Á Q U IN A D E F R IC C IÓ N FR O N T A L .
O B JE T IV O .
Q u e e l a lu m n o c o n o z c a la s p r in c ip a le s c a r a c te r ís tic a s d e la m á q u in a p a r a c o n
e llo e n u n fu tu r o p u e d a o p e r a r la y tr a b a ja r c o n e lla .
D E SA R R O L L O .
P a r a e l d e s a r r o llo
que
p e r m ite
d e lo s
e v a lu a r la
e x p e r im e n to s
r e s is te n c ia
s e tie n e u n a in s ta la c ió n
al d e sg a ste
de
c o m p o r ta m ie n to d e d ic h o s m a te r ia le s b a ñ a d o s c o n
d ife r e n te s
a lg ú n tip o
e x p e r im e n ta l
m a t e r ia le s
y
el
d e lu b r ic a n te s .
L a s c a r a c t e r ís t ic a s c o n s t r u c t iv a s y d e d i s e ñ o s e m u e s t r a n e n l a fig u r a :
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
155
Fig. 1. Instalación experim ental para el estudio de la resistencia al
desgaste adhesivo.
L a m á q u in a d e f r ic c ió n fr o n ta l e s u n a m á q u in a m u y v e r s á til y d e fá c il m a n e jo ,
s u s e s p e c if ic a c io n e s p r in c ip a le s s o n la s s ig u ie n te s :
•
L a
in s ta la c ió n
e x p e r im e n ta l
e stá
c o m p u e sta
por
un
m e c a n is m o
de
a c c io n a m ie n t o fo r m a d o p o r u n m o to r , u n e je g ir a to r io d o n d e s e c o lo c a
la p r o b e ta m ó v il, u n a c o p a fija a la b a s e e n la c u a l s e c o lo c a la p r o b e ta
f ij a a s í c o m o ta m b ié n e l lu b r ic a n te s i e s n e c e s a r io .
•
O tr a s d e la s p a r te s d e l a in s t a la c ió n so n : e l d is p o s it iv o p a r a c o n tr o la r la
v e lo c id a d
del
m o to r,
el
cual
es
W E G . M o d e lo : M ic r o m a s te r 4 2 0
un
.
v a r ia d o r
de
la
v e lo c id a d
m arca:
E l c ir c u ito e le c t r ó n ic o p o r m e d io d e l
c u a l s e h a c e n la s m e d ic io n e s d e te m p e r a tu r a , v e lo c id a d e n r e v o lu c io n e s
p o r m in u to y
D ic h o
la fu e r z a d e fr ic c ió n
q u e su fr e n
c ir c u ito tr a n s fo r m a e s ta s m e d ic io n e s
la s p r o b e ta s d e
en sayo.
e n im p u ls o s d ig ita le s p a r a
s e r tr a n s m itid a s a u n a P C .
•
U n a c o m p u ta d o r a c o n e l s o ftw a r e d is e ñ a d o p a r a m o s tr a r la s m e d ic io n e s
ech as
fís ic a m e n te y
tr a n s m itid a s p o r e l c ir c u ito
e le c tr ó n ic o , a s í c o m o
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
156
ta m b ié n c o n a lg ú n s o ftw a r e e s t a d ís t ic o p a r a p o d e r e v a lu a r lo s r e s u lta d o s
d e s p u é s d e te r m in a d o e l e n s a y o .
•
•
T o d o e l m e c a n is m o s e m o n t a s o b r e u n a m e s a fir m e .
C a rga: E l m e c a n is m o
d e a p lic a c ió n
d e c a rg a , e stá fo r m a d o p o r u n e je
g ir a to r io y u n a s p e s a s d e fin id a s c o n u n p e s o e s p e c íf ic o . E s t e m e c a n is m o
t ie n e la f u n c ió n d e a p lic a r s o b r e la s p r o b e ta s la c a r g a n e c e s a r ia p a r a la
r e a liz a c ió n d e lo s e n s a y o s . E s to p e r m ite la c o n s ig u ie n te v a r ia c ió n d e la
carga.
•
R ig id e z
de
la
s u fic ie n te m e n te
m á q u in a :
r íg id a
y
la
m á q u in a
e s ta b le ,
de
e v ita n d o
en sayo
debe
v ib r a c io n e s
que
ser
lo
p u ed an
a lte r a r l o s r e s u lt a d o s d e l a m a g n it u d d e l d e s g a s t e d u r a n te e l e n s a y o . L a
s u p e r fic ie q u e fij a e l a b r a s iv o d e b e e sta r r íg id a y p o s e e r u n a a d e c u a d a
e x c e n tr ic id a d .
•
C o n tr o l d e v e lo c id a d :
c o n s e c u e n c ia
la
s e lo g r a
v e lo c id a d
v a r ia d o r d e v e lo c id a d
c o n tr o la r la v e lo c id a d
de
co n ecta d o
la
p r o b e ta
m ó v il,
al m o to r. C o m o
d el m o to r y
por
m e d io
su n o m b r e lo
por
de
un
in d ic a ,
s u f u n c ió n e s v a r ia r la f r e c u e n c ia d e la c o r r ie n t e a lte r n a , c o n l o c u a l s e
lo g r a c o n tr o la r la v e lo c id a d d e g ir o d e l m o to r .
•
E l d is p o s it iv o p o r ta p r o b e ta g a r a n tiz a la f ij a c ió n d e la p r o b e ta lo g r a n d o
p a r a le lis m o
y
p la n ic id a d
e n tr e
la s
caras
fr o n ta le s
de
la s
p r o b e ta s.
El
p o r ta p r o b e ta s e m u e v e lib r e m e n t e , c o n la fr ic c ió n e n la d ir e c c ió n d e s u
e je
lo n g itu d in a l
(e s
d e c ir ,
p e r p e n d ic u la r
a
la
s u p e r fic ie
de
la
o tr a
p r o b e ta ).
•
S is te m a
de
m e d ic ió n
del
d e sg a ste :
el
in s tr u m e n to
de
m e d ic ió n
del
d e s g a s t e p o r p é r d id a d e m a s a e n la s m u e s tr a s a e n s a y a r d e b e te n e r u n a
s e n s ib ilid a d d e 0 .0 0 0 1 g rs.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
157
U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A
FA C U L T A D D E IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A
ZO NA XALAPA
L A B O R A T O R IO D E T R IB O L O G ÍA .
R E SPO N SA B L E :
IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z .
N O M B R E :__________________________________ M A T R IC U L A :_______
M A T E R IA :____________________G R U P O :__________ N ° D E EQ UIPO :
D ÍA :___________ H O R A :_____________
FE C H A :______________
P R A C T IC A N O . 3.
N O M B R E D E L A PR Á C T IC A :
M A T E R IA L E S Y F A B R IC A C IÓ N DE P R O B E T A S.
O B JE T O V O S.
Q u e e l a lu m n o p u e d a d e s a r r o lla r s u s p r o p ia s p r o b e ta s d e p r o b e ta s d e p r u e b a a
tr a v é s d e lo s m a te r ia le s r e c o m e n d a d o s .
D E SA R R O L L O .
E l p r o c e d im ie n t o d e lo s e n s a y o s p u e d e a p lic a r s e p a r a e v a lu a r la r e s is t e n c ia a l
d e s g a s te d e c u a lq u ie r tip o
d e m a te r ia l. E l ú n ic o
r e q u is ito , e s q u e s e p u e d a n
p r e p a r a r p r o b e ta s q u e te n g a n la s d im e n s io n e s q u e e x ig e e l p r o c e d im ie n t o
en sayo y
q u e e lla s r e s is ta n la s t e n c io n e s im p u e s t a s d u r a n te e l e n s a y o s in q u e
t e n g a lu g a r l a r o tu r a . E s t e p r o c e d im ie n t o
m a t e r ia l
de
que
sea
in a d e c u a d o
en
una
de en sayo n o
a p lic a c ió n
de
s e c o n s id e r a p a r a u n
e le v a d a
r e s is te n c ia
al
e x p e r im e n ta l
se
d e sg a ste .
D u r a n te
la
e m p le a r o n
c a lib r a c ió n
aceros
al
y
p u e sta
carb ono
de
a
p u n to
d u reza
de
179
la
in s ta la c ió n
H B ,
d e b id o
a
que
lo s
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
m is m o s
158
p oseen
una
adecuada
v a r ia b ilid a d
d e la
a b r a s ió n y
d e sg a ste , y
la
m is m a
es
a d e c u a d a m e n te c o r r e g ib le . S e r e c o m ie n d a n , p o r c o n s ig u ie n te , e s p e c ífic a m e n te
para
ese
m a t e r ia l
p r o p ó s ito .
pero
el
El
p r o c e d im ie n to
m is m o
debe
ser
p e r m ite
el
c a r a c te r iz a d o
e m p le o
de
to ta lm e n te
c u a lq u ie r
y
o tr o
su s
r e s u lta d o s
m ás
p a r e c id a s
d e b e n s e r d e s c r ito s e n e l c o r r e s p o n d ie n t e in fo r m e .
T a n to
la
p o s ib le s ,
p r o b e ta
m ó v il
c u m p lie n d o
con
com o
la s
la
p r o b e ta
s ig u ie n te s
fija
deben
ser
c a r a c te r ís tic a s :
lo
fo r m a
c ilín d r ic a
con
u n d iá m e tr o e x te r io r d e 2 c m . y c o n u n a lo n g itu d d e 2 c m .
P a r a la p r e p a r a c ió n d e la s p r o b e ta s r e c o m e n d a m o s s e c o m p r e e l m a t e r ia l e n
fo r m a c ilin d r ic a c o n u n d iá m e tr o e x te r io r d e 7 /8 d e p u lg a d a . P o s te r io r m e n te s e
p ro ced erá (e n
e x te r io r
de
un
la s
to r n o )
p r o b e ta s
a d e sb a sta r
el
cual
d ic h a
debe
ser
p ie z a
de
2
h a sta
cm .
en
a lc a n z a r
la
el
m is m a
d iá m e t r o
a c c ió n
de
to r n e a d o s e p u e d e b a r r e n a r d ic h a b a rra ( e n s u c e n tr o ) p a r a h a c e r u n a v a r ia c ió n
d e p r u e b a s , p a r a e s t a ta r e a s e u t iliz a r á u n a b r o c a d e 3 /8 d e p u lg a d a . S e m e d ir á
u n a lo n g itu d d e ta m b ié n d o s c e n tím e tr o s y s e c o r ta r á la b a rra p a r a fo r m a r u n a
p r o b e ta
de
prueba.
U na
vez
r e a liz a d o
d ic h o
c o rte
es
r e c o m e n d a b le
lija r la
p r o b e t a p a r a q u ita r a lg u n a r e b a b a ó a lg ú n e x c e s o d e m a t e r ia l.
L o s b o r d e s d e la s m u e s tr a s d e b e n s e r r e d o n d e a d o s p a r a e v ita r e l a g a r r a m ie n to
in m e d ia t o d e lo s m a t e r ia le s a e n s a y a r .
A c a b a d o s u p e r fic ia l d e la s m u e s tr a s d e e n s a y o . la s m u e s tr a s n o d e b e n p o s e e r
su rco
o
r a lla d u r a s
e s p e c ím e n e s .
d e b id o
a
que
L a p o r o s id a d , a m e n o s
e sto
in te r fie r e
que es una
en
el
c o n ta c to
c a r a c te r ís tic a
de
lo s
in h e r e n te d e l
m a t e r ia l q u e s e e n s a y a , p u e d e a fe c ta r lo s r e s u lt a d o s d e la p r u e b a a d v e r s a m e n t e
p o r lo q u e la m is m a ta m b ié n d e b e e v ita r s e .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
159
U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A
FA C U L T A D D E IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A
ZO NA XALAPA
L A B O R A T O R IO D E T R IB O L O G ÍA .
R E SPO N SA B L E :
IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z .
N O M B R E :__________________________________ M A T R IC U L A :_______
M A T E R IA :____________________G R U P O :__________ N ° D E EQ UIPO :
D ÍA :___________ H O R A :_____________
FE C H A :______________
P R A C T IC A N O . 4.
N O M B R E D E L A PR Á C T IC A :
O PE R A C IÓ N D E L A M Á Q U IN A .
O B JE T IV O .
Q u e e l a lu m n o a p r e n d a e l m a n e j o y
p u e s ta e n o p e r a c ió n d e la m á q u in a p a ra
d e s a r r o lla r e x p e r im e n t o s .
D E SA R R O L L O .
E s d e g r a n im p o r t a n c ia q u e s e le a n c u id a d o s a m e n t e t o d o s lo s p a s o s a s e g u ir
p a r a e l c o r r e c to fu n c io n a m ie n t o y d e s a r r o llo d e lo s e x p e r im e n to s .
A n te s d e r e a liz a r c u a lq u ie r e n s a y o s e d e b e p r e p a r a r a la p r o b e ta fa b r ic a d a p a ra
ta l
a c c ió n ;
a lc o h o l
ó
en
p r im e r
th in e r )
p e r fe c ta m e n te
con
lu g a r
deben
para
lib e r a r la
a lg ú n
paño
lim p ia r s e
de
que no
a lg u n a
p e r fe cta m e n te
im p u r e z a
d e je h ila c h a s .
Se
y
(c o n
a ceto n a ,
d esp u és
seca rse
d e b e te n e r e x tr e m o
c u id a d o a l q u ita r t o d a l a s u c ie d a d y l a m a t e r ia e x t r a ñ a d e la s m is m a s . L im p ia r
c o n a g e n t e s y s o lv e n t e s n o c o r r o s iv o s . I n c lu s o p u e d e c e p illa r la s p r o b e ta s .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
160
P a r a la o p e r a c ió n d e la m á q u in a y d e s a r r o llo d e u n e x p e r im e n to r e a liz a m o s lo s
s ig u ie n te s p a so s:
1.
E n c ie n d a
la
v e lo c id a d
s e c o n s e r v e e n lo s v a lo r e s e s ta b le c id o s e n
m á q u in a
y
v e r ifiq u e
con
el
ta c ó m e tr o
d ig ita l
que
la
e l e x p e r im e n to
a
r e a liz a r . S i n o e s a s í, c o n e l v a r ia d o r d e f r e c u e n c ia p r o c e d a a a ju sta r la
v e lo c id a d d e p r u e b a r e q u e r id a .
2.
A p a g u e la m á q u in a .
3.
P esar
4.
C o lo c a r y c e n tr a r la s p r o b e ta s c ilin d r o - c ilin d r o e n c o n ta c to fr o n ta l e n e l
la s
p r o b e ta s
en
la
b a la n z a
a n a lític a
con
p r e c is ió n
de
0 .1
m g
( 0 . 0 0 0 1 g r .) .
m e c a n is m o p o r ta p r o b e ta .
5.
D e sp la z a r
6.
A p lic a r la c a r g a d e p ru eb a .
7.
C o lo c a r
8.
P r e p a r a r e l c r o n ó m e tr o p a r a c o n tr o la r e l t ie m p o d e d u r a c ió n d e l e n s a y o .
9.
S e p a r a r lig e r a m e n te la s p r o b e ta s (a p r o x . 5 c m , s u b ie n d o e l e je d e l p o r ta
fr o n ta l
el
d is p o s itiv o
p o r ta
p r o b e ta
h a sta
hacer
c o in c id ir
la
cara
d e lo s c ilin d r o s .
(si
así
lo
r e q u ie r e
el
e x p e r im e n to )
la
c a n tid a d
de
a c e ite
lu b r ic a n te n e c e s a r ia p a r a m a n te n e r lu b r ic a d o e l p u n to d e c o n ta c to .
p r o b e ta s m ó v il).
1 0 .E n c e n d e r la in s t a la c ió n e x p e r im e n ta l.
1 1 .B a j a r
n u e v a m e n te
el
p o r ta
p r o b e ta
para
hacer
c o in c id ir
la s
caras
fr o n ta le s d e la s p r o b e ta s .
1 2 .P a s a d o e l t ie m p o d e p r u e b a d e l e x p e r im e n to s e p a r a r la s p r o b e ta s .
1 3 .D e te n e r la in s ta la c ió n .
1 4 .D e s m o n t a r la s p r o b e ta s .
1 5 .L im p ia r la s p r o b e ta s c o n lo s lim p ia d o r e s e s t a b le c id o s .
1 6 .P e s a r la s p r o b e ta s .
1 7 .L im p ia r l a m á q u in a y lu b r ic a r la .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
161
U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A
FA C U L T A D D E IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A
ZO NA XALAPA
L A B O R A T O R IO D E T R IB O L O G ÍA .
R E SPO N SA B L E :
IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z .
N O M B R E :__________________________________ M A T R IC U L A :_______
M A T E R IA :____________________G R U P O :__________ N ° D E EQ UIPO :
D ÍA :___________ H O R A :_____________
FE C H A :______________
P R A C T IC A N O . 5.
N O M B R E D E L A PR Á C T IC A :
M A N T E N IM IE N T O P R E V E N T IV O D E L A M Á Q U IN A .
O B JE T IV O S.
Q u e e l a lu m n o a p r e n d a la s r u tin a s d e m a n t e n im ie n t o p r e v e n t iv o p a r a c o n e s o
o b t e n e r u n b u e n f u n c io n a m ie n t o d e l a m á q u in a .
D E SA R R O L L O .
E l m a n t e n im ie n t o p r e v e n tiv o e n c u a lq u ie r m á q u in a , m e c a n is m o ó e le m e n t o d e
m a q u in a r ia
es
m uy
im p o r ta n te
ya
que
con
esto
se
o b tie n e
un
m e jo r
r e n d im ie n to y v id a ú t il d e la m is m a .
E n la m á q u in a d e f r ic c ió n fr o n ta l n o s e p r e s e n ta m u c h o p r o b le m a e n c u a n to al
m a n t e n im ie n t o , s in e m b a r g o e s m u y im p o r t a n te lle v a r la s a c a b o p o r lo m e n o s
d e s p u é s d e tr e s o c u a tr o c o r r id a s e x p e r im e n t a le s , y a q u e s i n o p u e d e r e s u lta r
e n u n d e s g a s t e p r e m a tu r o d e la p o le a tr a n s ito r ia d e m o v im ie n t o .
A
c o n tin u a c ió n
se
en u m eran
lo s
p asos
m ás
im p o r ta n te s
a
r e a liz a r
en
m a n t e n im ie n t o p r e v e n t iv o d e la m á q u in a .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO.
|
ANEXOS.
162
un
1.
A n te s
que nada, y
por razon es
de
s e g u r id a d ,
debe
asegu rarse
q u e la
m á q u in a s e e n c u e n tr e c o m p le ta m e n te d e s e n e r g iz a d a .
2.
D is p o n e r
con
in g le s a s
la s
s ig u ie n te s
d e ta m a ñ o s
h e r r a m ie n ta s :
d iv e r s o s
o
en
d e s to r n illa d o r p la n o , lla v e s
su d e fe c to
u n a lla v e p e r ic o , p in z a s
m e c á n ic a s .
3.
C o n ta r ta m b ié n c o n lo s ig u ie n te : e s to p a , p a ñ o s u a v e lim p io , b r o c h a d e 2
p u lg a d a s , g r a s a g r a fita d a o g r a s a c o p a s .
4.
Q u ita r c o n c u id a d o l a b a n d a t r a n s m is o r a , p a r a l o c u a l s e n e c e s it a r á g ir a r
c o n la m a n o la p o le a p o c o a p o c o al m is m o tie m p o q u e s e e m p u ja h a c ia
a r r ib a la p o le a .
5.
C on
e l d e s a t o r n illa d o r q u ita r c u id a d o s a m e n t e l o s t o r n illo s
d e s u je c ió n
d e la p o le a s u p e r io r d e l e je d e m o v im ie n to .
6.
R e tir a r l a p o le a y lim p ia r la p e r f e c t a m e n t e
7.
C on
el
d e s a to r n illa d o r
r e t ir a r
el
c o n la e sto p a .
d is p o s itiv o
c en tr a
e je
y
lim p ia r lo
p e r fe c ta m e n te d e la g r a sa q u em a d a .
8.
R e tir a r lo s s e g u r o s p r is io n e r o s d e l m e c a n is m o d e p o s ic ió n d e l e je .
9.
Sacar
con
m u ch o
c u id a d o
el
e je ,
para
e llo
debe
in c lin a r s e
e
ir s e
s u b ie n d o d e ta l m a n e r a q u e lib r e a la p e q u e ñ a e str u c tu r a .
1 0 .C o n
la
esto p a
lim p ia r la
estru ctu ra
en
la s
p a r te s
donde
se
d e s liz a
el
d is p o s it iv o d e p o s ic ió n d e l e je .
1 1 .E n g r a s a r n u e v a m e n t e d ic h a z o n a y v o l v e r a m o n t a r e l ej e c o m p le t o .
1 2 .M o n ta r o tr a v e z e l d is p o s it iv o c e n tr a e j e y v o lv e r a a to r n illa r lo , u n a v e z
m o n ta d o e n g r a s a r m u y b ie n la p a r te e n d o n d e s e d e s liz a la p o le a .
1 3 .E n g r a s a r d e m a n e r a s u p e r fic ia l la p a r te in t e r n a d e la p o le a y
v o lv e r a
m o n ta r la s o b r e e l d is p o s it iv o c e n tr a e je .
1 4 .V o lv e r
a
c o lo c a r
la s
lá m in a s
de
s u je c ió n
de
la
p o le a
y
a to r n illa r la
fir m e m e n te .
1 5 .C o lo c a r d e n u e v o la b a n d a .
1 6 .R e v is a r y a p r e ta r la s c o n e x io n e s e lé c t r ic a s e n e l v a r ia d o r d e fr e c u e n c ia .
1 7 .D a r lim p ie z a g e n e r a l a l e q u ip o c o n
el pañ o su ave y
la b r o c h a , s a c u d ir
lig e r a m e n te e l c ir c u ito e le c t r ó n ic o y e l m o to r .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
163
C on
esta s
a c c io n e s
queda
c o n c lu id o
el
m a n te n im ie n to
p r e v e n tiv o
de
la
m á q u in a . S i lle g a r a a o b s e r v a r s e a lg u n a a n o m a lía e n la m á q u in a e s o b li g a c ió n
d e l a lu m n o r e p o r t a r la c o n e l e n c a r g a d o d e l la b o r a to r io .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
164
U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A
FA C U L T A D D E IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A
ZO NA XALAPA
L A B O R A T O R IO D E T R IB O L O G ÍA .
R E SPO N SA B L E :
IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z .
N O M B R E :__________________________________ M A T R IC U L A :_______
M A T E R IA :____________________G R U P O :__________ N ° D E EQ UIPO :
D ÍA :___________ H O R A :_____________
FE C H A :______________
P R A C T IC A N O .
6
.
N O M B R E D E L A PR Á C T IC A :
IN T E R P R E T A C IÓ N DE LO S R E SU L T A D O S.
O B JE T IV O S.
Q u e e l a lu m n o p u e d a lle v a r a c a b o la c o r r e c ta in t e r p r e ta c ió n d e lo s r e s u lt a d o s
d e la s p r u e b a s d e d e s g a s t e r e a liz a d a s c o n la m á q u in a .
D E SA R R O L L O .
P a r a p o d e r in te r p r e ta r c o r r e c t a m e n t e lo s r e s u lt a d o s d e lo s e x p e r im e n t o s q u e s e
han
r e a liz a d o
debem os
lle n a r
rep o rtes
en
cada
una
de
la s
c o r r id a s
e x p e r im e n ta le s .
El
in fo r m e
debe
c o n te n e r
to d a
la
in f o r m a c ió n
r e p e tic ió n in d e p e n d ie n te m e n te d e l p r o c e d im ie n to
fo r m a
y
p roceso
d im e n s io n e s
de
de
fa b r ic a c ió n ,
e s p e c ím e n e s ,
m ic r o e s tr u c tu r a
el
tip o
y
n e c e s a r ia
para
p e r m itir
la
d e e n s a y o . E s to in c lu ir á la
del
d u reza
m a te r ia l,
del
c o m p o s ic ió n ,
m a te r ia l,
si
r e s u lt a
a p r o p ia d o , r e f le ja r c u a lq u ie r o tr o d e t a lle c a r a c t e r ís t ic o q u e s e p u e d a a p lic a r e n
ca so s
típ ic o s .
T a m b ié n
se
debe
in f o r m a r la s
c o n d ic io n e s
b a jo
la s
c u a le s
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
165
se
r e a liz a
el
en sayo,
in c lu y e n d o
la
carga
a p lic a d a ,
la
v e lo c id a d
m u e s t r a , t e m p e r a t u r a a m b i e n t e y h u m e d a d d e l l o c a l ( v er
In te r p r eta re m o s
lo s
r e s u lta d o s
en
b ase
a
lo
lin e a l
de
la
tablas 1 y 2 ) .
s ig u ie n te :
el
d e sg a ste
debe
e x p r e s a r s e e n p é r d id a s d e v o lu m e n ( e s d e c ir , p é r d id a s d e m a s a d iv id id a s p o r la
d e n s id a d )
del
m ilím e tr o s
p é r d id a
de
r ep o rta d a s
m a te r ia l
de
la s
m u e str a s
c ú b ic o s .
A d em ás,
v o lu m e n
n o r m a liz a d a .
com o
p é r d id a s
de
in d iv id u a le s
d im e n s io n e s
L as
v o lu m e n
del
se
d e sg a ste
m e d ic io n e s
en
y
de
in f o r m a r á
dadas
d e sg a ste
m ilím e tr o s
c ú b ic o s
en
com o
una
deberán
ser
para
am bos
c ilin d r o s s e p a r a d a m e n te .
E m p le a r p a r a e l c á lc u lo d e l d e s g a s t e la s ig u ie n t e e c u a c ió n :
Wv = ^
Ec. 1.
D onde:
W g - p é r d id a d e m a s a d e la m u e s tr a e n s a y a d a , e n g r a m o s .
p -
d e n s i d a d d e l a m u e s t r a d e e n s a y o , e n ( g r . / c m 3 ó m g . / m m 3)
R e p o r ta r la
m a g n itu d
del
d e sg a ste
d u ra n te
la
prueba
para
cada
una
de
su s
r é p lic a s y ta b u la s lo s m is m o s .
T abla 1.- C aracterísticas de m aterial de la p robeta, y condiciones del
ensayo.
C A R A C T E R IST IC A S G E N E R A L E S D E L M A T E R IA L DE LA
M U E ST R A .
T e c n o lo g ía
de
e la b o r a c ió n
p r o b e ta .
de
la
E j. F u n d id a , to r n e a d a , r e c t if ic a d a ,
fr e z a d a , c e m e n t a d a , n itr u r a d a ,
c r o m a d a , e tc .
M a te r ia l d e la p r o b e ta .
E j. A c e r o A I S I 1 0 4 5 .
C o m p o s ic ió n q u ím ic a , (% )
C
M n
Si
P
S
Cr
N i
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
O tr o s
166
P ropiedades m ecánicas.
L ím it e d e l a r o tu r a , (M P a ).
L ím ite d e F lu e n c ia , (M P a ).
A la r g a m ie n t o r e la t iv o , (% ).
C o m p r e s ió n r e la t iv a , (% ).
D u reza , (H B , H R C , H V ).
C aracterísticas geom étricas.
F orm a.
D i m e n s i o n e s ( m m ) y ( m m 2)
C ilin d r ic a .
D iá m e tr o .
L o n g itu d .
Á r e a d e la
s e c c ió n .
C u a d r a d a o r e c ta n g u la r .
L arga.
A ncho.
A lto .
Á r e a d e la
s e c c ió n .
C alidad de la superficie.
V e lo c id a d d e d e s liz a m ie n to (m /s ).
P r e s ió n n o m in a l d e c o n ta c to , (M P a ).
T em p e ra tu r a
del
lo c a l
de
en sayo,
(°C ).
H u m e d a d r e la tiv a , (% ).
M aterial em pleado en la lim p ieza de la probeta.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
167
C A R A C T E R ÍST IC A S D E L M A T E R IA L A B R A SIV O .
T ip o d e a b r a s iv o .
G r a n u lo m e tr ia .
M a te r ia l b a s e .
F a b r ic a n te .
T abla 2.- m agnitud del desgaste de las m uestras ensayadas.
N U M E R O
P e s o (g r ).
D e sg a ste .
D E
M U ESTR A .
I n ic ia l.
F in a l.
G r a v im é tr ic o
W g
V o lu m é tr ic o
W v ( m m 3) .
(g r ).
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Los
r e s u lta d o s
de
la
prueba
de
d e sg a ste
exp resad os
en
p é r d id a s
de
m asa
p u e d e n s e r u s a d o s in t e r n a m e n te p o r u n la b o r a to r io , p a r a e v a lu a r m a t e r ia le s d e
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
168
d e n s id a d e s
e q u iv a le n te s
p r o c e d im ie n to
v o lu m e n
de
para
en sayo
com parar
s in
c o n s id e r a r
e x ig e
la s
in fo r m a r
m a g n itu d e s
la
el
m is m a .
d e sg a ste
del
S in
com o
d e sg a ste
em bargo,
una
de
e ste
p é r d id a
de
m a te r ia le s
de
d e n s id a d e s d ife r e n te s . S e d e b e to m a r e x tr e m o c u id a d o a l to m a r lo s v a lo r e s d e
la
d e n s id a d
de
lo s
m a t e r ia le s
en sa y a d o s,
d e b id o
a
que
e sta
in flu y e
s ig n if ic a t iv a m e n t e s o b r e la m a g n it u d d e la p é r d id a d e v o lu m e n y s o b r e t o d o s i
la p é r d id a d e v o lu m e n y
so b re to d o
s i la p é r d id a d e m a s a e s m o d e r a d a .
S in
e m b a r g o , s i lo s r e s u lta d o s d e p r u e b a s s e p a r a d a s se r á n c o m p a r a d o s .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
169
U N IV E R SID A D V E R A C R U Z A N A
F A C U L T A D DE IN G E N IE R IA M E C A N IC A E L E C T R IC A
ZO NA XALAPA
L A B O R A T O R IO DE T R IB O L O G ÍA .
R E SPO N SA B L E :
IN G . A N D R É S L Ó P E Z V E L Á S Q U E Z .
N O M B R E :__________________________________ M A T R IC U L A :_______
M A T E R IA :____________________G R U P O :__________ N ° D E EQ UIPO :
FE C H A :______________
D ÍA :___________ H O R A :_____________
P R A C T IC A N O . 7.
N O M B R E D E L A PR Á C T IC A :
E L D E SG A ST E A D H E SIV O .
O B JE T IV O .
Q u e e l a lu m n o c o n o z c a la s c a r a c te r ís tic a s d e l d e s g a s t e a d h e s iv o y lo s lu g a r e s
d o n d e c o m ú n m e n te s e p resen ta .
D E SA R R O L L O .
La
a tr a c c ió n
m o le c u la r
(c o h e s ió n )
produ ce
una
u n ió n
a d h e s iv a
(m ic r o
s o ld a d u r a ) d e la s a s p e r e z a s e n c o n ta c to ; e l m o v im ie n t o r e la tiv o d e lo s c u e r p o s
c iz a lla
e sta u n ió n
p r o d u c ie n d o
la tr a n s f e r e n c ia d e u n m a t e r ia l d e u n
cuerp o
h a c ia o tr o y /o la g e n e r a c ió n d e p a r tíc u la s d e d e s g a s te .
C o m o la a d h e s ió n s e e n tie n d e e l fe n ó m e n o d e fo r m a c ió n d e u n a fu e r te u n ió n
d e lo s m e ta le s e n la s á r e a s r e a le s d e c o n ta c to c o m o r e s u lta d o d e la f r ic c ió n , d e
lo s
p rocesos
de
r e c r is ta liz a c ió n .
d e fo r m a c ió n
D u r a n te
m u tu a
esto s
y
para
p rocesos
te m p er a tu ra s
se
fo rm a n
in fe r io r e s
fu e r te s
a
la
u n io n e s
d ife r e n te s p u n to s d e c o n ta c to .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
170
de
en
D u r a n te e l c o n ta c to d e la s a s p e r e z a s e s ta s s e “ a r r u g a n ” y s e p r o d u c e e l e f e c t o
m e c á n ic o
de
“ e n g r a n e ” (F ig .
1 .); l o
c u a l c o n s titu y e
la
c a u s a p r im a r ia d e la
a d h e s ió n .
Fig. 1.- Proceso de
deform ación
plástica
de
las
asperezas.
(A rrugado
y
engrane).
L a g e n e r a c ió n d e c a lo r p r o d u c to d e la f r ic c ió n , d e la s d e fo r m a c io n e s p lá s tic a s
produ ce un
cau san d o
in c r e m e n t o
la
r á p id o
“ d ifu s ió n ” e n
la
de
la te m p e r a tu r a
in te r fa c e ;
la
en
cual es
la
lo s
p u n to s
cau sa
de
c o n ta c to
s e c u n d a r ia d e la
a d h e s ió n ; e l m o v i m i e n t o r e l a t iv o p r o d u c e e l c i z a l l a m i e n t o d e l a u n i ó n ( F ig . 1 ).
L a d in á m ic a d e e s t e tip o d e d e s g a s te s e d e fin e p o r u n a s e r ie d e fa c to r e s f ís ic o s
y
e s t r u c t u r a le s . E n c a lid a d
m a te r ia le s
de
m a te r ia le s
b ase
in te r a c c ió n
con
fr ic c ió n
tita n io
la s
d e u n o d e e s t o s fa c to r e s e s t á la c a p a c id a d
de
y
fo r m a r
n íq u e l
a le a c io n e s
s o lu c io n e s
tie n e n
b ase
d u ras.
c a r a c te r ís tic a s
cobre y
c r o m o , lo
E stá
c la r o
n e g a tiv a s
d e lo s
que
d u r a n te
lo s
su
c u a l e s tá r e la c io n a d o
c o n c u s o lu b ilid a d m u tu a . D e s d e e l p u n to d e v is t a id e a l e s n e c e s a r io tr a ta r d e
s e le c c io n a r p a r a p a r e s d e f r ic c ió n m a t e r ia le s b a s e s c o n d if e r e n te s e s tr u c tu r a s,
p r o p ie d a d e s q u ím ic a s y s o lu b ilid a d .
D u r a n te
la
fr ic c ió n
c o m p o r ta m ie n to
por
acord e
d e s liz a m ie n to
a
c u a lq u ie r a
el
de
d e sg a ste
la s
tr e s
a d h e s iv o
curvas
pu ed e
te n e r
r ep re sen ta d a s
en
fig u r a 2.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
171
un
la
Recorrido de fricción ( S f )
Fig. 2.- D in ám ica de la velocidad del desgaste adhesivo.
D u r a n te
el d e sg a ste
e x p lo ta c ió n
un
d e l tip o
1
a lto n iv e l d e
(F ig .
2)
d e sg a ste
s e tie n e
(d e sg a ste
d u ra n te to d o
se v e r o ).
e l p e r io d o
de
P a ra e sta fo r m a d e
d e s g a s t e n o a p a r e c e n , e n la s s u p e r fic ie s d e lo s e le m e n t o s d e la u n ió n n i d e la s
p a r tíc u la s
de
d e sg a ste ,
capas
de
ó x id o .
D u r a n te
el
d e sg a ste
de
tip o
3
se
o b s e r v a u n b a jo n iv e l d e d e s g a s te d u r a n te to d o e l p e r io d o d e tie m p o d e tr a b a jo
d e l p a r. E n e s t e c a s o la s s u p e r f ic ie s d e lo s c u e r p o s s o m e t id o s a f r ic c ió n y la s
p a r tíc u la s d e d e s g a s t e n o s o n m á s q u e ó x id o s y é s ta s ú lt im a s t ie n e n u n ta m a ñ o
m u y in f e r io r a l d e la s q u e s e o b t ie n e n d u r a n te e l d e s g a s t e d e tip o 1. D u r a n te la
p r im e r a e ta p a e l d e s g a s t e d e l t ip o 2 e s s e v e r o y la s s u p e r f ic ie s d e f r ic c ió n n o
se
o x id a n .
En
la s
e ta p a s
p o s te r io r e s
la
fr ic c ió n
genera
capas
s u p e r fic ia le s
tr ib o q u ím ic a s y la v e lo c id a d d e d e s g a s te d is m in u y e c o n s id e r a b le m e n te .
L a n a tu r a le z a d e l d e s g a s te h a c e q u e e l d e s g a s te a d h e s iv o e s t é s ie m p r e p r e s e n te
en
m ayor
o
m enor
grado
en
in g e n ie r ía
s e c o n o c e ta m b ié n
rayado
a d h e s iv o ;
d e n o m in a c io n e s
la s
u n io n e s
g r ip a d o ;
se
deben
a
de
r o z a m ie n to .
c o n lo s n o m b r e s de:
la
a g a r r o t a m ie n to ;
in te n s id a d
En
la
p r á c tic a
de
d e s g a s t e p o r fr o ta m ie n to ;
del
a g r ip a m ie n to ;
d e sg a ste ,
ta le s
e sta d o s
de
la s
s u p e r f ic ie s d e s g a s t a d a s y t ip o s d e e le m e n t o s d e m á q u in a .
E l d e s g a s te a d h e s iv o
c o jin e te s
de
e s t á p r e s e n t e e n lo s s ig u ie n t e s e le m e n t o s d e m á q u in a s :
d e s liz a m ie n to ;
le v a s ;
grupos
p is tó n
-
aro
-
c ilin d r o ;
etc .
L os
fa c to r e s q u e d e fin e n e l d e s g a s te a d h e s iv o so n :
•
C o n d ic io n e s
de
lu b r ic a c ió n
(se c o
ó
lu b r ic a d o );
a b a s te c im ie n to
de
lu b r ic a n te ; c a lid a d d e l lu b r ic a n te .
•
C o m p a t ib ilid a d m e t a lú r g ic a ( s o lu b ilid a d m u tu a ) d e lo s m a t e r ia le s d e la
u n ió n tr ib o ló g ic a .
•
M ic r o g e o m e tr ía s u p e r fic ia l.
•
C o n d ic io n e s d e tr a b a jo : c a r g a , v e lo c id a d y te m p e r a tu r a .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
172
A R C H IV O F O T O G R Á FIC O .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
S O P O R T E D E L E JE D E T R A N S M IS IÓ N ,
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
174
C O PA P O R T A PR O B E T A .
P O L E A D E L E JE DE T R A N SM ISIÓ N .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
175
E JE D E T R A N S M IS IÓ N .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
176
M E SA SE M IT E R M IN A D A .
D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
177
ANTECEDENTES
DEL
P R O T O T IPO .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
178
M O T O R U T IL IZ A D O .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
179
M Á Q U IN A
EN
C O N ST R U C C IÓ N .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
180
E Q U IPO U T IL IZ A D O PA R A L A S P R U E B A S Y P U E S T A A
PU N T O DE L A M Á Q U IN A .
Com entario [A A R P 1 1 1 1 ]:
ETRODECONTACTO.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
181
TERMÓM
Com entario [A A R P 1 1 1 2 ]: AUXILIA
DOPORELINGENIERORODOLFOA.
LUNAPALAFOXYELINGENIERO
GUSTAVOHERNÁNDEZSÁNCHEZ
PL A N O S Y D IA G R A M A S.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
182
C O M E N T A R IO :
C u a n d o s e d is e ñ a a lg ú n d is p o s it iv o e s im p o r ta n te
c o n s ig n a r lo s c r ite r io s d e d is e ñ o , la s r e s tr ic c io n e s y la s e s p e c if ic a c io n e s .
S e a n e x a d is e ñ o d e d is p o s itiv o e n I N V E N T O R P R O F E S IO N A L 2 0 0 9 .
Í jSelect p i
..
» [ySketch -* &
^U p date
»• I Q ,
QJ <§►
ri
0 Modeling View ^ fí'i
1,1 '
^ Place Componen!
0 Place From Vault.
T r ib ó m e tr o
Q/ Create Componen
[N]
R o ta to r io
Placefrom Conten Center,.,
^ Pattern Componen
9)||j Mirror Componen
=|
0 9 Copy Components
Bolted Connection
& Create Pipe Run.,,
Create Harness...
j® Constraint... [C]
Replace CtrkH
.
11
Grip Snap
gg Move Component [V]
Rotate Component [G]
•Éfe Quarter Section View *
| 0 Work Plane ¡
J3 WorkAxis
l+H 0 BoltGB5789-86 M6x45:2
E1- Q1 AS 1427H - MetricM10 x 25:1
Eh 0 AS 1427H - MetricM10 x 25:2
G}- [Jp Poste de Riel: 1
13- Poste de Riel: 2
0“ 0 AS 1 11 1 -Me
E 1-Q AS 1111-Me
EJ- 0 AS 1 1 1 1 -Me
0“ 0 AS 1 11 1 -Me
EH- 0 Aleronil
Eh 0 Plain Hex Washer Head Machine Screw E1- 0 Main Hex Washer Head Machine
E1- 0 Plain Hex Washer Head Machine
E1- 0 Plain Hex Washer Head Machine
E1- 0 Cajon 1:1
E1 - 0 Cajon 2:1
E1- 0 Cajon 2:2
E 3 - 0 Cajon 2:3
E1- 0 Cajon 2:4
E1Jaladera: 1
Jaladera: 2
Eh
Jaladera:3
E1Jaladera;4
E1- ^ Jaladera: 5
0 - jSJ]V-Belt transmission:1
§¿1 Representations
Sh D Origin
EH Component Pattern 1
0 - 0 Variador: 1
-J
Work Point .
i riTìiìiiììii
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
183
P orta probeta
m óvil *Se aloja
C op a *Se aloja
la probeta
A n á lis is d e e s f u e r z o s p r o v o c a d o s p a r a lle v a r a c a b o lo s e x p e r im e n to s d e
d is e ñ o :
C orriente (A )
en
Letra
Eficiencia nom inal %
I 1/2
plena arranque
-ódigo
3/4 | p le n a
carga
Factor de potencia %
1/2
Par
3 /4 J plena Nom, Rotor
carga Ib-pie Bloq. Máx.
S e n e c e s it a u n m o to r d e 3 .0 I b -ft ( 4 .0 6 7 4 5 4
N .m ) p a r a o b te n e r u n a m á x im a p r e s ió n d e
C O M E N T A R IO :
N o s e h a c e u n a e v a lu a c ió n d e la fu e r z a r e q u e r id a n i d e la
p o t e n c ia p a r a o b t e n e r e l in t e r v a lo d e fu e r z a s q u e s e e s p e r a r ía n .
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
184
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
ANEXOS.
185
A n a ly s is o f P r o b e ta 1
Autodesk'
ANSYS
A uthor:
A nalysis C reated:
l u n e s , 2 4 d e a g o s t o d e 2 0 0 9 0 6 : 3 4 : 0 8 p .m .
A nalysis L ast
l u n e s , 2 4 d e a g o s t o d e 2 0 0 9 0 7 : 5 7 : 5 9 p .m .
M odified:
R eport C reated:
D atabase:
m a r t e s , 2 5 d e a g o s t o d e 2 0 0 9 0 6 : 5 4 : 4 7 p .m .
C :\U s e r s \U s u a r io \D o c u m e n ts \I n v e n to r \M a q u in a
C ilin d r o - C ilin d r o \C I I N D E T \P r o b e t a 1 .ip a
A u to d e s k I n v e n to r P r o fe s s io n a l 2 0 0 9
Software:
A N S Y S T e c h n o lo g y
Introduction
Autodesk Inventor Professional Stress Analysis was used to simulate the behavior of a
mechanical part under structural loading conditions. ANSYS technology generated the
results presented in this report.
Do not accept or reject a design based solely on the data presented in this report. Evaluate
designs by considering this information in conjunction with experimental test data and the
practical experience of design engineers and analysts. A quality approach to engineering
design usually mandates physical testing as the final means of validating structural integrity
to a measured precision.
Additional information on AIP Stress Analysis and ANSYS products for Autodesk Inventor
is available at http://www.ansys.com/autodesk.
G eom etry and M esh
The Relevance setting listed below controlled the fineness of the mesh used in this analysis.
For reference, a setting of -100 produces a coarse mesh, fast solutions and results that may
include significant uncertainty. A setting of +100 generates a fine mesh, longer solution
times and the least uncertainty in results. Zero is the default Relevance setting.
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. j
ANEXOS.
186
T A B L E
1
P r o b e ta 1 S t a tis tic s
2 0 .0 m m
B o u n d in g B o x D im e n s io n s 2 0 .0 m m
2 0 .0 m m
P art M a ss
4 .9 3 2 e -0 0 2 k g
P a rt V o lu m e
6283 m m 3
M e s h R e le v a n c e S e ttin g
0
N odes
9876
E le m e n ts
2148
Bounding box dimensions represent lengths in the global X, Y and Z directions.
M a te r ia l D a ta
The following material behavior assumptions apply to this analysis:
•
L in e a r - s t r e s s i s d ir e c t ly p r o p o r t io n a l t o s tr a in .
•
C o n s ta n t - a ll p r o p e r tie s t e m p e r a tu r e -in d e p e n d e n t .
•
H o m o g e n e o u s - p r o p e r tie s d o n o t c h a n g e th r o u g h o u t th e v o lu m e o f th e
p a r t.
•
I s o t r o p ic - m a t e r ia l p r o p e r tie s a r e id e n t ic a l in a ll d ir e c tio n s .
T A B L E 2
S teel
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
187
Y o u n g 's M o d u lu s
2 .1 e + 0 0 5 M P a
P o is s o n 's R a tio
0 .3
M a ss D e n sity
7 .8 5 e - 0 0 6 k g /m m 3
T e n s ile Y ie ld S tre n g th
2 0 7 .0 M P a
T e n s ile U ltim a te S tr e n g th 3 4 5 .0 M P a
L oads and C onstraints
The following loads and constraints act on specific regions of the part. Regions were
defined by selecting surfaces, cylinders, edges or vertices.
T A B L E 3
L o a d a n d C o n s tr a in t D e f in it io n s
N am e
Ty p e
M agnitude
V ector
0 .0 N
F orce 1
S u rfa ce F o r c e
2 4 .5 N
0 .0 N
-2 4 .5 N
0 .0 m m
F i x e d C o n s tr a in t 1 S u r f a c e F i x e d C o n s tr a in t 0 .0 m m
0 .0 m m
0 .0 m m
0 .0 N - m m
M om ent 1
S u rfa ce M o m e n t
4 0 6 0 N -m m
0 .0 N - m m
-4 0 6 0
D ISENO Y C ONSTRUCCIÖN D E U N TRIBÖM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
188
T A B L E 3
L o a d a n d C o n s tr a in t D e f in it io n s
N am e
T ype
M agnitude
V ector
N -m m
T A B L E 4
C o n s tr a in t R e a c t io n s
N am e
Force
V ector
M om ent
1 .0 6 9 e -0 0 7 N
F ix e d C o n s tr a in t 1 2 4 .5 N
-1 .2 6 9 e - 0 0 7 N
M om en t V ector
1 .8 0 2 e -0 0 6 N -m m
4 0 6 0 N -m m
2 4 .5 N
-8 .3 5 2 e - 0 0 8 N -m m
4 0 6 0 N -m m
Note: vector data corresponds to global X, Y and Z components.
R e su lts
The table below lists all structural results generated by the analysis. The following section
provides figures showing each result contoured over the surface of the part.
Safety factor was calculated by using the maximum equivalent stress failure theory for
ductile materials. The stress limit was specified by the tensile yield strength of the material.
T A B L E 5
S tru ctu ra l R e su lts
N am e
E q u iv a le n t S tr e ss
M inim um
4 .6 3 e - 0 0 3 M P a
M axim um
7 .5 7 9 M P a
M a x im u m P r in c ip a l S tr e s s - 5 .2 2 6 e - 0 0 3 M P a 4 .4 3 6 M P a
D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
189
T A B L E 5
S tru ctu ra l R e su lts
N am e
M inim um
M axim um
M in im u m P r in c ip a l S tr e s s
-4 .3 1 5 M P a
3 .4 5 6 e -0 0 4 M P a
D e fo r m a tio n
0 .0 m m
5 .8 1 e -0 0 5 m m
S a fe ty F a c to r
1 5 .0
N /A
D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
190
F ig u r e s
F IG U R E 1
E q u iv a le n t S tr e ss
D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
191
F IG U R E
2
M a x im u m P r in c ip a l S tr e s s
Maximum Prncpal Stress
Type: Maximum Prncpal Stress
Unit: MPa
25/08/2009 06:54 p.m.
D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
192
F IG U R E
3
M in im u m P r in c ip a l S tr e s s
Mmmum Prncpal Stress
Type: Mmmum Prncpal Stress
Unit: MPa
25/08/2009 06:51 p.m.
D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
193
F IG U R E
4
D e fo r m a tio n
D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
194
F IG U R E 5
S a fe ty F a c to r
Safety Factor
Type: Safety Factor
25/08/2009 06:54
p .m .
k
D ISENO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
195
PR O B E T A S E N C O N T A C T O .
[ools Convert Applications Window
□
- B» -U ¡3
\r
^
||
Select
T | y Sketch
-
faUpdate
F u erza
Place Component... [P]
-jf l*
Q*
A
^
<£
f i [j
S e n tid o d e
Place From Vault...
_ O Origin
if? Create Component... [N]
¿gt PIace from Content Center,,,
. P r o b e ta
g f Pattern Component...
H D Origin
- S i Insert; 1 (-L,
D in á m ic
0 9 Copy Components
E n e l á re a ( 3 1 4 . 1 5 9
mm2'
s u p e r i o r e i n f e r i o r d e la s
* Create H.rne,
p ro b e ta s se lle v a a c a b o e l
j 3 Constraint...
c o n ta c to
¿ 5 Move Component [V]
Rotate Component [G]
f t Quarter Section View *
^
g ] Work Plane i
J 3 WorkAxis
P r o b e ta
E s tá tic a ,
2
ForJUelftJjressFl
w
i l l
||
l l 'l 'h il'lllk
D ISEÑO Y C ONSTRUCCIÓN D E U N TRIBÓM ETRO ROTATORIO. |
ANEXOS.
43
H
£
B IB L IO G R A FÍA .
[1 ].
S A R K A R A .D . D e s g a s t e d e M e t a le s . E d ito r ia l L im u s a . M é x i c o 1 9 9 5
[2 ].
A lb a r r a c ín , P . T r ib o lo g ía y L u b r ic a c ió n I n d u s tr ia l y A u t o m o t r iz . T o m o
I. S e g u n d a
[3 ].
E d ic ió n . B u c a r a m a n g a : E d . L ito c h o a , 1 9 9 3 .
A sk e la n d , D .
C ie n c ia e I n g e n ie r ía d e lo s
M a te r ia le s . T e r c e r a E d ic ió n .
E d . I n te r n a c io n a l T h o m s o n , 1 9 9 8 .
[4 ].
C a llis te r , W . I n tr o d u c c ió n
a la C ie n c ia e I n g e n ie r ía d e lo s M a te r ia le s .
T o m o II. E d it o r ia l R e v e r t é , B a r c e l o n a , 1 9 9 6 .
[5 ].
S m ith , W .
F u n d a m e n to s
d e la C ie n c ia e I n g e n ie r ía d e lo s
M a te r ia le s .
E d . M c G r a w H ill B o o k C o m p a n y 1 9 9 3 .
[6 ].
S A M P IE R I,
L U C IO ,
P ila r
R o b e r to
B a p tis ta .
H ernández.
M e to d o lo g ía
C O L LA D O ,
de
la
C a r lo s
I n v e s tig a c ió n .
F ernánd ez.
M é x ic o
D .F .
E d ito r ia l M c G r a w H ill. 2 0 0 0 .
[7 ].
L E D E S M A , M a r t ín M o r a . O R T I Z , P a t r ic io S e p ú lv e d a . M e t o d o lo g ía d e
l a I n v e s t ig a c ió n . M é x i c o D .F .. L im u s a N o r ie g a E d ito r e s . 2 0 0 0 .
[8 ].
H u t c h i n g s , I .M . T r i b o l o g y , F r i c t i o n a n d W e a r o f E n g i n e e r i n g M a t e r i a ls .
E d . E d w a r d A r n o ld , a D iv is io n o f H o d d e r H e a d lin e P L C , 1 9 9 2 .
[9 ].
V ol
A S M , M e ta ls H a n d b o o k . F r ic tio n , L u b r ic a tio n
18.
E .U .A .,1 9 9 2 . A S T M
D 7 8 5 -9 3 .
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