IV.-TRIBOLOGIA PRACTICA

UNIDAD IV. TRIBOLOGIA PRACTICA.


4.1. EQUIPOS Y PROCEDIMIENTOS PARA MEDIR Y EVALUAR EL DESGASTE POR FRICCIÓN.

La selección de una maquina para la realización de investigaciones tribologicas depende de las siguientes condiciones :


a) Cinemática del movimiento de los elementos que intervienen en la maquinaria.
b) Dinámica de las cargas en el par de fricción.
c) Geometría del contacto entre superficie de los elementos que intervienen.
d) Tipo de fricción considerando el método de lubricación y refrigeración.
e) Dimensiones de los elementos de la maquinaria.

Hasta la fecha no existen normas generalizadas internacionales para la medición de fricción y desgaste, como tampoco las hay para determinar la forma y dimensiones de las probetas y contraprobetas durante las investigaciones tribologicas y sobre todo no hay normas acerca de los métodos y maquinas de prueba.

Algunos países han introducido normas internas y con base a ellas se han elaborado maquinas para las investigaciones tribologicas. Por ejemplo, en Checoslovaquia la metodología se basa en el sistema Skoda-Savine y en Suiza el método de Amsler.

EQUIPO DE PRUEBA SKODA-SAVINE.

FORMA DE PROBETAS EN EQUIPO AMSLER.


1.- CONTRA-PIEZA.
2.- PIEZA


Todas las maquinas de prueba tienen sus ventajas y desventajas y hasta la fecha muestran poca aplicación, los centros de investigación en fenómenos tribológicos construyen sus propios equipos ya sea para fricción seca o lubricada con sus propios medios físicos.

Otro criterio para clasificar las maquinas de investigación toma en cuenta la finalidad del estudio y las condiciones en que trabajan los pares friccionantes.

Los métodos mas comunes utilizados para pruebas tribológicas incluyen alguno de los siguientes sistemas de pieza y contra-pieza para el par friccionante.

En la figura A se muestra un arreglo simétrico de anillo sobre anillo (ASTM G83) y en la B de cara contra cara en discos, este es poco utilizado para desgaste ya que las velocidades de contacto varían con el diámetro, por lo que su desgaste no es uniforme.

Las siguientes figuras muestran arreglos asimétricos, la C tiene un Pin o esfera sobre cara plana giratoria (DIN 50324), la D es de Pin sobre anillo, en la figura E se tiene un bloque de presión sobre anillo (ASTM G99) y en la F un Pin sobre cara de deslizamiento longitudinal (ASTM G98).

En cada caso se considera el tipo de contacto inicial obtenido, que puede ser sobre un área, una línea o un punto. Además se considera si las pruebas se efectúan con lubricante o sin él y en dado caso también se pueden hacer pruebas de calidad de lubricante y capacidad de carga con estos mismos equipos una vez estandarizadas las pruebas y probetas.





Pares friccionantes usados como probeta y contra probeta



Máquina de pruebas Tribológicas
Otro tipo de geometría que se puede utilizar en pruebas destructivas de desgaste y lubricación es el método de las 4 esferas. Consta de 3 esferas que se pueden mover libremente dentro de un cuenco semiesférico, el movimiento y las cargas se les transfiere por una esfera situada en la parte superior, misma que se desplaza hacia abajo.

Se utilizan elementos hechos de acero estándar para baleros y las esferas son desde algunos milímetros hasta 25, la4.2. LUBRICANTES Y GRASAS (PROPIEDADES TRIBOLÓGICAS).

Los aceites minerales puros obtenidos mediante los procesos convencionales de refinación son los lubricantes líquidos mas comúnmente usados en la industria, pero frecuentemente son incapaces de cumplir las exigencias de la maquina moderna. Para mejorar las características deseables en un aceite básico así como para impartir otras propiedades que originalmente no tienen, se emplean una serie de productos químicos conocidos como aditivos. Es decir, un aceite de marca es aquel que se emplea en un equipo después de haber sufrido una formulación especial para cumplir las necesidades de operación y se tiene la siguiente formula general:

LUBRICANTE BÁSICO + ADITIVO = ACEITE DE MARCA

Se entiende por lubricación al proceso mediante el cual se logra una reducción en el coeficiente de fricción entre dos superficies sólidas en movimiento por lo tanto un lubricante será cualquier sustancia que reduzca el coeficiente de fricción.

De acuerdo a esta definición cualquier material que logre la reducción del coeficiente de fricción es un lubricante y lo podemos clasificar de acuerdo a diferentes criterios, el primero es de acuerdo a su estado y así serán :


Lubricante de Sólidos,
De acuerdo a Semisólidos o Saponificado,
su estado Liquido
Gaseoso.


Otra forma de clasificación es de acuerdo a su origen y así tendremos dos grandes grupos:



Natural Animal (grasa de lana, lanolina, aceite de foca, etc.).
De acuerdo Vegetal (aceite de lentisco, coco, cereales, etc.).
A su origen Mineral (derivados del petróleo y carbón).

Artificial Compuestos químicos.



Las propiedades que presentan los lubricantes son las características físicas y químicas necesarias para cada aplicación. Las características deseables que poseen comúnmente los aceites de marca son las siguientes:

VISCOSIDAD. Es probablemente la propiedad mas importante de un aceite lubricante y en ella se basan las principales clasificaciones. Es la medida de la fricción interna o resistencia a fluir de un liquido.

La viscosidad absoluta, se define como la fuerza necesaria para mover una superficie plana de un cm2. de área sobre otra superficie igual a una velocidad de 1 cm / seg. cuando los planos están separados por un colchón de liquido de un cm de espesor.

La forma de medir viscosidad mas usada es la viscosidad cinemática que se obtiene como el coeficiente de la viscosidad absoluta o dinámica entre la densidad del liquido, esta relación debe ser obtenida a las mismas temperaturas y se llama Stoke.

Vc = Vd / r

Debido a que esta unidad es relativamente grande se prefiere expresar en centésimas o sea el centistokes.

Otros sistemas para medir viscosidad incluyen la viscosidad: Seybolt, la Redwod y la Engler que son ampliamente conocidas en la industria, se pueden obtener las equivalencias entre diversos sistemas por medio de tablas, ejemplo la de ASTM.




CLASIFICACION DE LOS LUBRICANTES LIQUIDOS DE ACUERDO AL SERVICIO AL QUE HAN DE SER APLICADOS PRINCIPALMENTE.

Muchos de los lubricantes se destinan exclusivamente a una sola actividad mientras que otros pueden emplearse en una muy extensa variedad de equipos. De esta manera tenemos la siguiente clasificación:

1.-Aceites para sistemas circulatorios.
2.-Aceites para engranes.
3.-Aceites para motores de combustión.
4.-Aceites para equipos de refrigeración.
5.-Aceites para husillos.
6.-Aceites para cilindros y maquinas de vapor.
7.-Aceites para maquinaria textil.
8.-Lubricantes para cables de acero.
9.-Aceites no lubricantes para aplicaciones especificas (conformado de metales, de temple, grado alimenticio, aceite soluble refrigerante).


1.-Aceites para sistemas circulatorios.

Son también llamados aceites hidráulicos y son posiblemente los lubricantes de mas alta calidad derivados del petróleo. Quedan incluidos los aceites para turbinas de gas, los aceites de los sistemas hidráulicos de potencia y los aceites utilizados en los trenes de maquinaria como laminadoras e industria papelera.

Los sistemas de potencia incluyen bombas de presión, elementos de transmisión, elementos de control y salidas de potencia, como pueden ser cilindros y motores de fluidos.

2.- Aceites para engranes.

Se presentan en una gama de viscosidades y por lo regular contienen aditivos de extrema presión. La selección de un lubricante para un juego de engranes se debe basar en el tipo y material del engrane, la velocidad de rotación, la carga entre dientes, temperatura de uso y el método de aplicación del lubricante. Los lubricantes para engranes descubiertos deben tener propiedades adhesivas especiales ya que en muchas ocasiones se aplican con brocha.

3.- Aceites para motores de combustión.

Deben desempeñar numerosas funciones como reducir el desgaste y fricción, mantener el motor limpio, evitar la formación de herrumbre, actuar como enfriador y además como aceite hidráulico, por ejemplo en los buzos. El lubricante debe de funcionar a altas temperaturas y con presencia de polvo humedad por lo que estos aceites son los que mas agentes aditivos contienen, en particular los de maquinaria Diesel.

4.- Aceites para equipos de refrigeración.

El servicio comprende la lubricación de algunos elementos que trabajan a muy baja temperatura además en la practica siempre hay presencia de pequeñas cantidades de refrigerante en el aceite y viceversa. Es importante que el lubricante mantenga su fluidez hasta -37° C, no debe presentar el problema de flucoluacion (separación de ceras y parafinas ), debe tener una elevada constante dieléctrico, lo que implica un bajo contenido de agua y deben almacenarse en depósitos herméticos para que no absorban humedad del ambiente. El tipo de compresor influye directamente en el tipo de lubricante ( la resistencia dieléctrica debe ser por lo menos de 25 mil V ).

5.-Aceites para husillos.

Son productos minerales de viscosidades medias, y deben tener alta resistencia a la oxidación y a la formación de gomosidad. Deben tener buena adherencia ya que los husillos giran a altas revoluciones y por lo general son descubiertos.

6.- Aceites para maquinas de vapor.

Son productos residuales y se encuentran dentro de los aceites de mayor viscosidad, deben tener aditivos para proteger contra la oxidación y la formación de espuma y mantener su separación con el agua a altas temperaturas. Por lo general se tienen equipos adicionales para purificar al lubricante y separarlos del agua.

7.- Aceite para maquinaria textil.

Tiene una amplia variedad de viscosidades incluso dentro de una misma maquina, ya que lleva muchos mecanismos diferentes, por ejemplo: cojinetes, levas, engranes, cadenas, etc. y sus elementos funcionan a altas velocidades en atmósfera polvosa y húmeda. Un requisito especial es que si el lubricante hace contacto con el tejido no lo debe manchar y al aplicarle tintes estos no se vean afectados por el lubricante.

8.- Lubricantes para cables de acero.

Se usa un lubricante fluido de fabricación especial con una viscosidad de 600-SSU a 100°F que contiene una pequeña cantidad de alquitrán vegetal, para darle propiedades adherentes y penetrabilidad, es especialmente adecuado para cables de acero que se encuentran a la intemperie, en interiores es mas común el uso de grasas.

9.- Aceites para aplicaciones industriales especificas.

Algunas aplicaciones industriales requieren una formulación especial ya que la principal actividad del aceite no es la de lubricar, por ejemplo los aceites para temple que su finalidad es controlar la absorción de calor para dar tratamientos térmicos y se seleccionan de acuerdo a las calorías por segundo que pueden absorber.

Para el recortado de metales sobre todo en herramientas de corte automático se utilizan los aceites solubles que forman emulsiones con el agua y su principal función es la de bajar la temperatura de la herramienta de corte y mantener lubricada la punta.

Los aceites grado alimenticio se utilizan en los equipos para procesamiento de alimentos y son biodegradables, lo que quiere decir que si llagan a contaminar el alimento no son nocivos.

CARACTERÍSTICAS DE LAS GRASAS LUBRICANTES.

La Sociedad Americana para Ensaye de Materiales define una grasa, como un sólido o semifluido, producto de la dispersión de un agente espesante en un lubricante líquido ( ASTM- D289 ).

La composición comercial de una grasa está dada por la siguiente fórmula general:

Grasa = Fluido lubricante + Espesante + X

X = Cualquier tipo de aditivo.

Fluido lubricante.- La mayoría de las grasas continúan utilizando aceites minerales como fluidos principales, en una gran variedad de viscosidades, desde los ligeros como la kerosina, hasta los aceites pesados para cilindros de vapor. En grasas especiales se manejan aditivos del propio petróleo como puede ser cera, petrolato o asfalto que se incluyen como del componente natural aunque también son espesantes.

Los lubricantes más especializados, como en las grasas para aviación, tienen componentes fluidos como Esteres Dibásicos, Silicones, Esteres de fosfatos y silicatos, Glicol poliakilénico etc. La principal desventaja de estos fluidos es su costo.

Espesantes.- Para este fin los materiales más usuales son los jabones metálicos y se producen en base de Sodio, Calcio, Aluminio, Litio y Bario.

Las grasas antiguas fueron hechas con jabones de Calcio y posteriormente Sodio. Muchas se fabrican con una combinación de jabones, por ejemplo Calcio y Litio llamadas grasas mixtas.

Otros jabones de reciente uso, no pueden emplearse en base simple y solo se presentan en base mixta como el Estroncio, Magnesio, Cromo y Berilio. Los jabones de Plomo y Zinc solo se aplican como aditivos ya que no tienen poder espesante.

Las grasas complejas, utilizan los jabones complejos que no son más que la combinación de un agente espesante metálico convencional y un ingrediente complejo, que son substancias químicas orgánicas o inorgánicas de molécula muy grande, por ejemplo el Complejo Calcio que tiene jabón de Calcio y un ácido orgánico que es el agente complejo, estas grasas se caracterizan por tener un punto de escurrimiento elevado, por arriba de 260° C.

Por otra parte, desde 1945 se han experimentado grasas denominadas sin jabón ( NST, Non Soap Thickoerns ). Estas grasas utilizan un amplio rango de materiales espesantes como arcillas tipo bentonita, sílica aerogels, fibras de asbesto o sintéticas, gomas resinas, sales orgánicas e inorgánicas, etc. Las de mayor aplicación son las primeras y actualmente se está utilizando mucho la resina Alkil Urea, para temperaturas de operación muy elevadas.



Base Metálica
Base simple Fabricación antigua ( Na, Ca )

Fabricación moderna (Al, Li, Ba )

Base mixta ( Mezclas de jabones, Ca-Li, Na-Pb, Ca-Zn )

Base compleja (con agentes complejos )

Especiales ( con parafina, petrolato, asfalto )



Artificiales
NST, sin jabón ( Bentonita, Alkil urea )

Fluido diferente al acite mineral ( Esteres bibásicos, Silicones )




Aditivos y Modificadores.- Es el tercer elemento que interviene en una grasa y es un material añadido para modificar la estructura, mejorar el comportamiento de la grasa o simplemente el color.

Pueden ser antioxidantes, agentes de extrema presión, depresores de punto de fluidez, mejoradores de viscosidad, antiherrumbrantes, contra lavado por agua, pigmentos, etc. Un material muy utilizado es el Bisulfuro de Molibdeno que mejora la habilidad para reducir el desgaste y el coeficiente de fricción en zonas de baja velocidad y grandes cargas.



PROPIEDADES DE LAS GRASAS.

A continuación tenemos algunas de las principales características que se especifican exclusivamente para grasas lubricantes.

A.- Consistencia ( C.F. ).

Es un término utilizado para describir la característica de flujo de un sólido o plástico bajo presión, las grasas tienen carac. plásticas y por ello se mide su consistencia. La ASTM, ha estandarizado un método para medirla por medio del cono de penetración, que tiene su equivalencia en DIN ( Normenblátter der Deutschen Normen-Ausschusses ) y en grados NLGI (Instituto Nacional de Grasas Lubricantes )

B.- Punto de escurrimiento ( C.F. ).

Es la temperatura a la cual la grasa pasa del estado semisólido a líquido. Es muy importante ya que es una indicación directa cualitativa de la resistencia al calor de una grasa.

C.- Factor Dn ( C.F.Q. ).

Cuando se utiliza una grasa para lubricar rodamientos, hay que tomar en cuenta el diámetro de la flecha donde se va a montar el balero y su velocidad máxima. Con estos datos se calcula el factor Dn, que es el producto del diámetro de la flecha en mm, por el número de revoluciones por minuto.

Este valor ha sido cuantificado en laboratorio para cada tipo de grasa y no es mas que la fórmula simplificada de la velocidad tangencial . Los valores van desde 100 000 a 250 000, de manera práctica podemos saber si la grasa va a permanecer en el balero o será desalojada, si el valor calculado es mayor al de la norma marcada por el fabricante.




4.3. RECOMENDACIONES GENERALES PARA DIAGNOSTICAR DESGASTE.

Sugerencias para diagnóstico de desgaste.

A).- Hacer pruebas de desgaste antes de que se presente el desgaste catastrófico de acuerdo al tipo de esfuerzos.

B).- Comparar la pieza desgastada con una nueva

C).- No limpiar las superficies desgastadas.

D).- Analizar varias partes de las superficies de la pareja tribológica.

E).- Coleccionar todos los materiales que forman parte del sistema que interviene en el desgaste y lubricación ( aceites, filtros, depósitos, etc. ).

F).- Confrontar la información con el operador.


Se deben observar las superficies a través de una serie de lupas con aumentos progresivos hasta estar seguros del tipo de desgaste tribológico principal y el tipo de fractura (frágil o elástica).

El siguiente es en formulario industrial que se ha aplicado en Estados Unidos para supervisores de problemas de desgaste.

1.- La secuencia de desgaste fue establecida.

2.- El origen del desgaste fue establecido.

3.- Lugar de origen (en o bajo la superficie).

4.- El desgaste fue acompañado por concentración de esfuerzos.

5.- Cuanto tiempo duro el desarrollo del desgaste.

6.- La intensidad de la carga fue alta.

7.- Tipo de carga aplicada ( estática, cíclica, de impacto ).

8.- Se establecieron las direcciones de esfuerzos principales teóricos, tensión y corte.

9.- Temperatura en la zona de desgaste y del medio ambiente.

10.- Cual fue el mecanismo de desgaste.

11.- La temperatura influyó en el desgaste.

12.- La corrosión influyo sobre el desgaste.

13.- El material utilizado fue el adecuado de acuerdo al diseño.

14.- El área de las secciones es adecuada al servicio y cargas.

15.- La pieza tubo tratamientos térmicos adecuados.

16.- El proceso de fabricación coincide con las especificaciones de diseño.

17.- La pieza fue instalada adecuadamente (alineación, golpes, vibración etc.).

18.- Se efectuó mantenimiento antes del desgaste o fractura y como se realizó.

19.- Existió abuso en el servicio de la pieza.

20.- La lubricación fue la adecuada.

21.- Se puede mejorar el diseño para prevenir fallas.

22.- Existen otras piezas similares en servicio que puedan fallar de la misma manera y que se puede hacer para evitarlo.

De acuerdo a un análisis hecho por la NASA. En sus proveedores, detecto la distribución de porcentajes de fallas en los equipos :


- Mantenimiento 30%
- Diseño 15%
- Manufactura 7%
- Servicio 5%
- Usuario 40%
- Otros 3%




velocidad varía desde unos mm por seg, hasta varios cientos de metros por seg.