Universidad Veracruzana FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA ENSAYOS TRIBOLÓGICOS Dr. Andrés López Velázquez andlopez@uv.mx

Índice Introducción Beneficios de la tribología Ensayos tribológicos Desarrollo experimental en tribología Tribómetros Ejemplos

INTRODUCCIÓN El desgaste de los materiales ha estado presente desde el mismo momento en que se da inicio a la construcción de los primeros mecanismos mecánicos; la tribología, que no es más que la evaluación del desgaste de los materiales ha tomado vital importancia tanto a nivel industrial como académico.

Tribología

La palabra tribología se deriva del griego “TRIBOS” que significa “ROZAMIENTO”. Y la investigación en este campo abarca sistemas en donde ocurre: Desgaste debido al rozamiento entre dos superficies. (desgaste adhesivo). Entrada de partículas en el punto de contacto.(desgaste de tres cuerpos).

DEFINICION Ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la Lubricación que tienen lugar durante el contacto entre superficies sólidas en movimiento.

La tribología se centra en el estudio de tres fenómenos:

1.- La fricción entre dos cuerpos en movimiento: definida como la resistencia al movimiento durante el deslizamiento o rodamiento que experimenta un cuerpo sólido al moverse sobre otro.

2.-El desgaste como efecto natural de este fenómeno: El desgaste es el daño de la superficie por remoción de material de una o ambas superficies sólidas en movimiento relativo.

3.-La lubricación como un medio para reducir el desgaste: La lubricación consiste en la introducción de una capa intermedia de un material ajeno entre las superficies en movimiento.

Beneficios de la Tribología        Aumento de la Productividad       Reducción de fallas mecánicas en los equipos.        Mayor Confiabilidad en los Procesos        Incremento en la vida útil de los equipos       Mayor eficiencia       Reducción de Costos       Reducción del desgaste en equipos       Reducción del Consumo de Energía por disminución de la fricción. 

¿Por qué realizar ensayos tribológicos? Es importante considerar las pérdidas económicas que se presentan debido al desgaste de materiales. Para minimizar los costos de desgaste, es necesario analizarlo. Uno de los factores determinantes para realizar un estudio sobre el desgaste, es la velocidad de desgaste.

Objetivo de los ensayos tribológicos La investigación fundamental en los mecanismos básicos de la fricción y el desgaste. La investigación aplicada para resolver problemas de fricción y desgaste específicos de la industria y la medicina.

Efectos de la velocidad de deslizamiento contra la razón de desgaste

Problemas específicos de desgaste

Problemas específicos de desgaste

INCONVENIENTES: Uno de los principales inconvenientes generados en el campo de la tribología es la dificultad de reproducir con exactitud las condiciones de servicio en el laboratorio. Ante un problema de desgaste es necesario elegir entre las diferentes configuraciones de ensayo disponibles, tratando de emular al máximo las condiciones reales. Pero este objetivo es difícilmente alcanzable, puesto que las variables y condiciones de servicio son tan particulares y concretas como posibles aplicaciones. Tampoco resulta práctico ni viable disponer de tantos dispositivos de ensayo como posibilidades reales, por lo que el problema se traslada a conseguir la configuración más extrapolable posible.

Desarrollo experimental aplicado a la tribología Observación o medición de parámetros a controlar Formulación de una teoría Desarrollo de un método de control de la fricción y el desgaste

Parámetros relacionados Parámetros básicos Parámetros relacionados PARAMETROS DE OPERACIÓN Carga(N) -Contacto de tensión (Pa) -Variación temporal de la carga -fuerza de impacto(N) -Carga oscilatoria(N) VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO (m/s) -velocidad media (m/s) -velocidad de impacto (m/s) -velocidad angular (rad/s) Distancia de deslizamiento (m) -amplitud de movimiento deslizante (m) -Frecuencia de movimiento deslizante (Hz) Temperatura (k) -temperatura transitoria -temperatura mayor Acabado de la superficie -CLA (m) -RMS -Ra Tipo de contacto -uniforme -no uniforme

Parámetros relacionados Parámetros básicos Parámetros relacionados PARAMETROS DEL MATERIAL DUREZA [PA O VHN] -Microdureza [Pa o VHN] -Resistencia al corte [Pa] -Microestructura TENACIDAD [PA*M^0.5] -Tensión limite -Tamaño medio de grano[m] PUNTO DE FUSIÓN [K] -Temperatura De Transición Vítrea -Punto de reblandecimiento[K] CONDUCTIVIDAD TÉRMICA [W/M*K] -Difusividad térmica [m^2/s] -Resistencia al choque térmico -Variación de la conductividad Con la temperatura. -Calor específico[J/KgK] POTENCIAL ELECTROQUÍMICO -Intercambio de densidad de corriente[a/m^2] -Potencial (v)

Parámetros relacionados PARA PRUEBAS DE DESGASTE ABRASIVO Y EROSIVO Parámetros básicos Parámetros relacionados PARAMETROS DE MATERIALES PARA PRUEBAS DE DESGASTE ABRASIVO Y EROSIVO DUREZA DE GRANO [PA O VHN] Y / O TIPO DE MINERAL -Microdureza (Pa o VHN) -Variación temporal de la carga -fuerza de impacto(N) -Carga oscilatoria(N) Espectro de tamaño de grano (m) -velocidad media (m/s) -velocidad de impacto (m/s) -velocidad angular (rad/s)

Parámetros relacionados Parámetros básicos Parámetros relacionados PARÁMETROS AMBIENTALES HUMEDAD RELATIVA [%] la humedad absoluta[kg/m^3] PRESIÓN DEL AIRE LOCAL [PA] -Presión parcial de oxígeno [pa]y otros gases activos NIVEL DE RADIACIÓN[BEQUERELS/M^2] -Punto de reblandecimiento[K]

Parámetros relacionados Parámetros básicos Parámetros relacionados PARAMETROS DE LUBRICACIÓN -Viscosidad -Índice de viscosidad -Caudal (m^3/s) -Presión suministrada (Pa) -Velocidad suministrada (m/s). CONDUCTIVIDAD TÉRMICA [W/M*K] -Difusión térmica [m^2/s] -Resistencia al choque térmico -Acidez (pH) -Punto de ebullición (k). -Punto de solidificación (k). -Calor de oxidación (J/kg*mol). -solubilidad / solubilidad en oxigeno. -Reactividad química -Momento dipolar.

Mecanismos de desgaste o lubricación Tribómetros Abrasivo Aparato que implica papel de lija o una cama de arena Desgaste erosivo Muestra montada teniendo una corriente de aire o chorro de líquido mezclado con partículas abrasivas Desgaste cavitacional Muestra montada teniendo una corriente de fluido o bien montada en una plataforma vibratoria sumergido en un líquido Desgaste por deslizamiento en seco o lubricado en condiciones ambientales. Muestra que se desliza contra una superficie de contacto móvil ya sea por rotación o un movimiento alternativo. Sistema de alimentación con un suministro de lubricante para las pruebas de lubricación Desgaste seco o lubricado, en ausencia de las condiciones ambientales. Superficie de las muestras en movimiento encerradas en una cámara equipadas con calefacción, refrigeración y / o sistema de bombeo de vacío para mantener un ambiente especifico. Esfuerzo/esfuerzo por fatiga Muestra que se desliza contra la superficie de contacto con una amplitud muy pequeña. El aparato puede estar equipado con una cámara para entornos especializados. Desgaste combinado rodadura-deslizamiento o rodadura pura. Muestra en forma de rodillos o esferas obligado a moverse a velocidades especificadas. El aparato puede estar equipado con cámara para entornos especializados. Desgaste por impacto Aparato que contiene un martillo usado para la muestra. Puede estar equipado con una cámara encerrada por falta de pruebas ambientales

Mecanismos de desgaste o lubricación Tribómetros Difusión o desgaste soluble Contiene una muestra como herramienta cortante. El corte es realizado a una alta velocidad en la superficie La muestra es sumergida en un fluido y se gira para acelerar el desgaste Lubricación hidrodinámica y elastohidrodinamica. Los contactos idealizados pueden ser uniformes y no uniformes con el propósito de mostrar un mecanismo implicado en la formación de películas lubricantes Lubricación solida y blanda. Aparato de que implica desgaste por deslizamiento a bajas velocidades permitiendo que el coeficiente de fricción de las pruebas pueda ser controlado.

TRIBÓMETROS

Un tribómetro es un equipo mediante el cual se puede determinar la resistencia al desgaste de un material cuando se pone en contacto con otro y existe movimiento relativo entre ellos, en un determinado medio.

Las investigaciones tribológicas y los avances tecnológicos de métodos que permitan simular los diferentes mecanismos de la fricción y el desgaste, han hecho posible la construcción de los tribómetros, de acuerdo a cada sistema de desgaste y dentro de los que se destacan:

Máquina de Cilindros Cruzados ASTM- G83

Máquina de Perno contra Disco ASTM G-99

Máquina Arena Seca - Disco Vulcanizado ASTM G 65

ANÁLISIS TRIBOLOGICO DE LOS ACEITES LUBRICANTES UTILIZADOS EN EL TURBOGENERADOR DEL INGENIO MAHUIXTLÁN, VER.

Se sometieron las probetas a condiciones de carga y velocidad constantes de: 50 N y 800 rpm, respectivamente. Para cada lubricante, se corrió un ensayo, con una duración total de 7.5 horas, obteniendo 15 lecturas de desgaste; una cada 30 minutos. Esto, con el fin de contar con un número de datos suficiente que arrojaran resultados significativos.

DESGASTE VOLUMETRICO TOTAL mm3 MEZCLA CONTAMINADA CON AGUA Resultados ACEITE DESGASTE VOLUMETRICO TOTAL mm3 HEAVY MEDIUM 0,1401274 TURBINAS 15 MEZCLA CENTRIFUGADA MEZCLA CONTAMINADA CON AGUA 0,1656051

Resistencia de película

Desempeño Anti desgaste

Minilab 5200

Análisis tribológico del Acero AISI SAE 1045

Resultados experimentales Desgaste volumétrico total en pin - disco Probeta Desgaste en disco (cm3) Desgaste en pin (cm3) Desgaste total (cm3) 1 0.006675127 0.004530457 0.011205584 2 0.014149746 0.008553299 0.022703045 3 0.041916244 0.038045685 0.079961929 4 0.017829949 0.011611675 0.029441624 5 0.006243655 0.00463198 0.010875635 6 0.009784264 0.021395939 7 0.059175127 0.039378173 0.0985533 8 0.023185279 0.015126904 0.038312183 9 0.006979695 0.005926396 0.012906091 10 0.010647208 0.008642132 0.01928934 11 0.055114213 0.047614213 0.102728426 12 0.017969543 0.011713198 0.029682741

Resultados Desgaste obtenido en primer grupo de probetas bajo las siguientes condiciones: 300 RPM - 20 N – tiempo constante  

Resultados Desgaste obtenido en segundo grupo de probetas bajo las siguientes condiciones: 300 RPM - 50 N – tiempo constante  

Resultados Desgaste obtenido en segundo grupo de probetas bajo las siguientes condiciones: 800 RPM - 20 N – tiempo constante  

Resultados Desgaste obtenido en segundo grupo de probetas bajo las siguientes condiciones: 800 RPM - 50 N – tiempo constante  

Análisis de los resultados mediante StatGraphics

Ecuación de correlación W = 0,0135821 - 0,0000274365*V - 0,000720474*P + 0,00000345347*V*P Ecuación de correlación R cuadrada = 97,9623 % o

Validación de resultados Ajustes realizados para validar resultados Columna Media Desviación Dispersión (%) Grupo 1 0.01104061 0.000164975 1.494251744 Grupo 2 0.022049492 0.000653553 2.964027471 Grupo 3 0.100640863 0.002087563 2.074269773 Grupo 4 0.029562183 0.000120559 0.407813259

Ensayos adicionales Condiciones de prueba: carga de 30N y velocidad de 500 RPM constantes, 16 periodos de tiempo de 10 minutos y en seco.

Ensayos adicionales Condiciones de prueba: carga de 30N y velocidad de 500 RPM constantes, 11 periodos de tiempo de 10 minutos y lubricada.

Caracterización tribológica del par bronce S. A Caracterización tribológica del par bronce S.A.E 64 –acero AISI-4140 en un contacto anillo-bloque

Primera prueba- Grasa Alimex-1 Alimex-1 se distingue por su excepcional estabilidad mecánica, alto punto de gota y su resistencia al agua y a la corrosión. Alimex-1 es una grasa de alto rendimiento de complejos de sulfonatos de calcio. Esta tecnología es superior a otras grasas más ricas de alta temperatura como complejos de litio, de aluminio y las grasas de poliurias. Primera prueba- Grasa Alimex-1 bronce acero Fuerza N 80 Densidad g/mm3 Velocidad rpm 300 0.007825 0.00785 Tiempo min 30 volumen perdido mm3   rugosidad promedio Peso inicial peso final diferencia de pesos diámetro bloque anillo bloque 1 0.870 47.764 47.7543 0.0097 19.1 1.167731629 anillo 1 2.17175 8.513 19.9 bloque 2 1.063 46.2898 46.2816 0.0082 1.191693291 anillo 2 2.497 9.5209 bloque 3 0.587 46.8776 46.8748 0.0028 1.1437700 anillo 3 1.592 9.0866 9.0856 0.001 0.12738854

Segunda prueba- Grasa S350 La S-350 es una grasa de alto rendimiento basada en sulfonato de calcio para aplicación automotriz, industrial y naval. Ofrece una excelente estabilidad mecánica, gran capacidad de resistencia a la carga, al agua, a la oxidación, el óxido y al calor. No contiene metales pesados ni otros contaminantes que dañen el medio ambiente. Segunda prueba- Grasa S350   Fuerza N 80 Velocidad rpm 300 Tiempo min 30 volumen perdido mm3 rugosidad promedio Peso inicial peso final diferencia de pesos diámetro bloque anillo bloque 4 0.455 46.8635 46.8613 0.0022 19.1 0.77156550 anillo 4 2.073 8.9983 19.9 bloque 5 0.681 46.1882 46.1834 0.0048 0.785942492 anillo 5 1.308 9.3177 9.3174 0.0003 0.03821656 bloque 6 0.648 46.7542 46.7476 0.0066 0.757188498 anillo 6 1.684 9.0129 9.0127 0.0002 0.02547771

Tercer prueba- Grasa Top 5 Top 5 es una grasa de alto impacto con propiedades muy fibrosas. Altamente adhesiva a los metales, incluso bajo extremas condiciones de lavado con agua y de elevadas temperaturas. Tercer prueba- Grasa Top 5   Fuerza N 80 Velocidad rpm 300 Tiempo min 30 volumen perdido mm3 rugosidad promedio Peso inicial peso final diferencia de pesos diámetro bloque anillo bloque 7 0.563 46.0576 46.0498 0.0078 19.1 0.944089457 anillo 7 1.48775 8.6614 19.9 bloque 8 0.735 46.9405 46.9349 0.0056 0.926517572 anillo 8 1.573 8.968 8.9662 0.0018 0.22929936 bloque 9 0.697 46.4739 46.4694 0.0045 0.961661342 anillo 9 1.710 9.5769 9.5747 0.0022 0.28025478

Desempeño Tribológico de las dif. Grasas y sin lubricación.

Comparación de desgaste con lubricación y sin lubricación.

Laboratorio de Tribología FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA, XALAPA UNIVERSIDAD VERACRUZANA Laboratorio de Tribología Encargado: Dr. Andrés López Velázquez andlopez@uv.mx andreslv2000@yahoo.com andreslv66@hotmail.com

Líneas de Investigación: Desarrollo de Tecnología Tribológica Caracterización Tribológica de Materiales, lubricantes y aditivos. Modelación y Simulación Tribológica por computadora

1.- Desarrollo de Tecnología Tribológica Tribómetro Pin/Disco ASTM G99 Tribómetro Arena Seca/Disco Vulcanizado ASTM G65 57

1.- Desarrollo de Tecnología Tribológica Máquina Deslub ASTM D5182 Tribómetro de Cilindros cruzados ASTM G83

1.- Desarrollo de Tecnología Tribológica Máquina Timken ASTM D2782 Tribómetro de Cilindros Frontales

Tribómetro Multiespecimen

2.- Caracterización Tribológica de Materiales Desgaste = 102.661 - 0.0191138*P - 0.256529*V + 0.000259083*P*V

Análisis de Rugosidad de Superficies en contacto Tribológico.

Caracterización Tribológica de Lubricantes Resistencia de película Análisis de Viscosidad

3.- Modelación y Simulación Tribológica por computadora

Proyectos de Investigación Aprobados:

Proyecto de Investigación Aprobado: FOMIX CONACYT-GOB. VER “Desarrollo de tecnología tribológica y de nuevos materiales, que reduzcan el desgaste en piezas mecánicas y la contaminación ambiental”. Etapas: Diseño del tribómetro (31-Oct-2010) Construcción e Implementación del tribómetro (Nov-2010-Mar-2011) Instrumentación Electrónica y Digitalización del tribómetro (Ago-2011- Feb-2012) Operación y Calibración del tribómetro (Feb-2012-Jun-2012)

Proyecto de Investigación Aprobado: PROMEP 2010 “Obtención y caracterización mecánico-tribológica de un material compuesto de aluminio reforzado con partículas de un material obtenido a partir de desechos avícolas”. Etapas: Marco Teórico de los Materiales Compuestos Evaluación de posibles materiales a utilizar Obtención de los materiales compuestos Caracterización de los nuevos materiales compuestos

Por su atención gracias