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Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
S.E.P. S.E.I.T D.G.I.T.
CENTRO NACIONAL DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO TECNOLÓGICO
cenidet
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN DISPOSITIVO PARA EVALUAR LA RESISTENCIA AL DESGASTE EN RODAMIENTOS RECUBIERTOS A BASE DE
FRICCIÓN SECA CON DIAMANTE”
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN I N G E N I E R Í A M E C Á N I C A P R E S E N T A :
ING. JOSÉ ALFREDO RODRÍGUEZ RAMÍREZ
ASESOR: DR. JOSÉ MARÍA RODRÍGUEZ LELIS Co-ASESOR: DR. DARIUSZ SZWEDOWICZ WASIK
CUERNAVACA, MORELOS JUNIO DEL 2003
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Dedicatorias
A la hermosa mujer que tengo como esposa, a quien amo por sobre todas las
cosas, de ella he aprendido a nunca bajar los brazos.
A mi madre, símbolo de lucha y esperanza, quien a base de amor y cariño me
apoya en todo momento.
A mi padre por toda la fuerza que me inculcó para llegar tan lejos.
A mis hermanos, Adriana y Omar, por ser los mejores hermanos del mundo y
porque los quiero mucho.
Al pequeño de la casa, Abraham, que con su alegría ilumina mi vida.
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AGRADECIMIENTOS Al Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico (Cenidet), así como a Consejo Nacional de Educación Tecnológica (Cosnet) y a la Secretaria de Educación Publica (Sep) por el apoyo económico brindado.
A mi asesor Dr. José María Rodríguez Lelis por su sabiduría depositada en mi, pero sobre todo por la gran amistad que me ha brindado.
Al M.C. Jorge Colin Ocampo por la confianza, apoyo y consejos para la realización de mi trabajo, así como los gratos momentos que compartimos permitiéndome considerarlo como mi amigo.
A los miembros del jurado revisor: M.C. Eladio Martínez Rayon, M.C. Claudia Cortes García y al Dr. Dariusz Szwedowicz Wasik por su valiosa aportación a este trabajo.
A mis amigos y compañeros de generación: Salomón Abdala, Saúl García, Gustavo Marban, Jesús Arce, Sergio Reyes, Yahir Mariaca, Edgar Mejia y en especial a Jaime Villalobos y Sosimo Díaz por tantos buenos momentos como compañeros y grandes amigos.
A todos los compañeros que tuve la oportunidad de conocer y convivir en el Cenidet, Alfredo, Moisés, Eduardo, Carlos, Armando, Miriam, Piero etc.
Al personal administrativo en especial al Lic. Alfredo Terrazas Porcayo y la Lic. Rosa Olivia Maquinay Díaz por su ayuda y atención durante mi estancia en esta institución.
A mis dos amiguitas Rosy y Sandra por que en tan poco tiempo de conocerlas me han demostrado su gran amistad. A todas aquellas personas que de una u otra manera contribuyeron para la finalización de esta gran meta en mi vida. A todos ustedes.
GRACIAS
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¿Quién muere?
Muere lentamente quien se transforma en esclavo del hábito, repitiendo todos los días los mismos trayectos, quien no cambia de marca, no arriesga vestir un color nuevo y no le habla a quien no conoce.
Muere lentamente quien evita una pasión, quien prefiere el negro sobre blanco y los puntos sobre las ies a un remolino de emociones, justamente las que rescatan el brillo de los ojos, sonrisas de los bostezos, corazones a los tropiezos y sentimientos. Muere lentamente quien no voltea la mesa cuando está infeliz en el trabajo, quien no arriesga lo cierto por lo incierto para ir detrás de un sueño, quien no se permite por lo menos una vez en la vida, huir de los consejos sensatos.
Muere lentamente quien no viaja, quien no lee, quien no oye música, quien no encuentra gracia en si mismo.
Muere lentamente quien destruye su amor propio, quien no se deja ayudar.
Muere lentamente, quien se pasa los días quejándose de su mala suerte o de la lluvia incesante.
Muere lentamente, quien abandona un proyecto antes de iniciarlo, no preguntando de un asunto que desconoce o no respondiendo cuando le indagan sobre algo que sabe.
Evitemos la muerte en suaves cuotas, recordando siempre que estar vivo exige un esfuerzo mucho mayor que el simple hecho de respirar. Solamente la ardiente paciencia hará que conquistemos una espléndida felicidad.
Pablo Neruda.
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CONTENIDO Lista de tablas.................. .............................................................................. ILista de figuras................. ............................................................................. IILista de gráficas............................................................................................. IILista de fotografías........................................................................................ IIINomenclatura................................................................................................. III,
IV, V
CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN 1.1 Introducción 11.2 Referencias bibliográficas 2
CAPÍTULO II. ESTADO DEL ARTE 2.1 Introducción 32.2 Estado del arte 32.3 Referencias bibliográficas 15
CAPÍTULO III. FRICCIÓN Y DESGASTE EN RODAMIENTOS
3.1 Introducción 183.2 Clasificación de los rodamientos 183.3 Principios de fricción, desgaste y lubricación 22 3.3.1 Fricción 22 3.3.2 Desgaste 25 3.3.3 Lubricación 303.4 Desgaste en rodamientos 323.5 Dispositivos para evaluar el desgaste 353.6 Referencias bibliográficas 41
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CAPÍTULO IV. DISPOSITIVOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
4.1 Introducción 444.2 Dispositivo de deposición 444.3 Dispositivo de desgaste 46 4.3.1 Descripción del dispositivo de desgaste 47 4.3.2 Sistema de medición de fuerza 494.4 Referencias bibliográficas 52
CAPÍTULO V. DEPOSICIÓN Y PRUEBAS DE DESGASTE
5.1 Introducción 535.2 Selección de los parámetros de deposición 53 5.2.1 Tipo de recubrimiento 53 5.2.2 Material base 54 5.2.3 Material de aporte 54 5.2.4 Determinación teórica de los parámetros para la deposición 55 5.2.5 Parámetros teóricos determinados para la deposición sobre
rodamientos 57
5.3 Pruebas de desgaste 595.4 Referencias bibliográficas 65
CAPÍTULO VI. RESULTADOS Y CONCLUSIONES
6.1 Conclusiones 666.2 Trabajos futuros 67
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APÉNDICE A CAPACIDAD DE CARGA Y VIDA DE LOS RODAMIENTOS SKF
A.1 Capacidad de carga y vida de los rodamientos SKF 68A.2 Referencias bibliográficas 74
APENDICE B DISEÑO Y CALIBRACIÓN DEL TRANSDUCTOR
B.1 Diseño y calibración de la celda de carga 74B.1.1 Características a considerar en el diseño 74B.1.2 Cálculo del transductor 75B.1.3 Calibración del transductor 80B.2 Referencias bibliográficas 82
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LISTA DE TABLAS
2.1 Métodos de recubrimiento de superficies 10
2.2 Propiedades físico-químicas del carbono, silicio y boro
12
3.1 Tipos de falla 27
3.2 Procesos de desgaste 27
4.1 Características de funcionamiento de la prensa hidráulica.
48
5.1 Propiedades físico-químicas del acero AISI 52100
54
5.2 Propiedades del diamante 55
5.3 Composición del Acero AISI 52100 56
5.4 Propiedades del algodón 56
5.6 Temperaturas generadas por fricción 58
5.7 Parámetros de prueba 59
5.8 Comparación de resultados 64
B.1 Propiedades del aluminio 75
B.2 Señal de entrada y salida 79
B.3. Datos de calibración del transductor 80
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LISTA DE FIGURAS 2.1 Estructura cúbica del diamante 133.1 Partes de un rodamiento 193.2 Área real de contacto 203.3 Rodamiento de bolas 213.4 Rodamiento de rodillos 223.5 Rodadura de contacto irregular 233.6 Rodadura de contacto regular 243.7 Contacto de dos superficies 283.8 Gradiente de velocidad 313.9 Áreas de contacto en bolas 333.10 Área de contacto en rodillos 343.11 Máquina para pruebas de desgaste abrasivo 363.12 Máquina universal UMT-1 373.13 Máquina universal para pruebas de fricción y desgaste 383.14 Probetas para pruebas de desgaste en máquina universal 393.15 Dispositivo de espiga sobre buje 394.1 Dibujo esquemático del dispositivo 47B.1 Configuración de los extensómetros 77B.2. Conexión eléctrica de los extensómetros 79
LISTA DE GRÁFICAS Gráfica 1 Coeficiente de fricción versus radio de unión 57Gráfica 2 Temperatura de fricción versus coeficiente de fricción 58Grafica 3 Rodamiento lubricado 60Gráfica 4 Rodamiento sin lubricante 61Gráfica 5 Recubierto 0.35 N 62Gráfica 6 Recubierto 0.5 N 63Gráfica B.1 Curva de calibración del transductor 81
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LISTA DE FOTOGRAFÍAS 4.1 Dispositivo para recubrir superficies curvas 454.2 Unidad dosificadora de polvo 464.3 Partes principales del dispositivo 484.4 Montaje de la prensa 494.5 Sistema de medición de fuerza 504.6 Transductor y rodamiento 514.7 Soporte de flecha 51
NOMENCLATURA Letras latinas Al2O3 Óxido de Aluminio At Area de contacto real. C Carga dinámica C0 Carga estática ºC Grados Centigrados C-BN Nitruro cúbico C6H6 Benceno cm3 Centímetros cúbicos CTD Carbón Tipo Diamante CVD Deposición Química de Vapor CAE Evaporación de Arco Catódico C-BN Nitruro de boro d Diámetro del agujero dm Diámetro medio del rodamiento E Modulo de Young Eab Trabajo de adherencia F Fuerza de fricción o cortante ºF Grados Fahrenheit FR Fuerza de inicio de movimiento Fa Carga axial real Fm Carga media constante Fr Carga radial real fk Coeficiente cinético fR Coeficiente de fricción de rodadura Ga Energía de Superficie material a.
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Gb Energía de Superficie material b. Gab Energía de Superficie de la interfase. GPa Giga Pascales H Dureza h Espesor capa lubricante Hp Caballos de fuerza HRC Dureza Rockwell HV Dureza Vickers J/m2 Energía de adhesión K Grados Kelvin k Constante de proporcionalidad L Carga L10 Vida nominal millones de revoluciones M Par de rozamiento
M0 Par de rozamiento independiente de la carga
M1 Par de rozamiento dependiente de la carga
m Metro mA miliampers MP Mega Pascales N Newton n Velocidad en rpm P Carga dinámica equivalente P0 Carga estática equivalente PVD Deposición Física de Vapor Rpm Revoluciones por minuto S Distancia recorrida s Segundo Sg Factor de extensómetria Si3N4, Nitruro de Silicio SiO2 Dióxido de Silicio TiC Carburo de Titanio TiN Nitruro de Titanio
t0 Coeficiente dependiente del tipo de rodamiento y lubricante
U Velocidad del fluido V Volumen del material desgastado Vdc Voltaje corriente directa Vr Velocidad de rodadura Vs Velocidad de deslizamiento W Watts X0 Factor de carga radial
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Letras griegas
τ Esfuerzo cortante μ Coeficiente de fricción η Viscosidad ∂p/∂y Diferencia de presión en y σc Esfuerzo de compresión σt Esfuerzo de tensión σy Esfuerzo de fluencia ∂u/∂z Gradiente de velocidad en z θ Ángulo de proyección με Microdeformaciones μm Micrómetros ε Deformación
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CAPÍTULO I 1.1 INTRODUCCIÓN
En la industria, año tras año se presentan grandes problemas relacionados al
funcionamiento de piezas mecánicas de maquinaria; en general, esto es a causa de que
llegan al final de su ciclo de vida útil [1]. Algunos de estos componentes pueden ser
rodamientos, chumaceras, cuñas, engranes, ejes, etc. Por ejemplo: los rodamientos son
elementos de máquinas donde existe contacto entre metal y metal, lo que origina que
durante largos periodos de funcionamiento, se presenten diferentes tipos de desgaste,
como por ejemplo: desgaste por adherencia, desgaste por abrasión, desgaste por fatiga
entre otros. Esto genera perdidas por sustitución y mantenimiento [2]. Una forma de
evitar el desgaste no solo en los rodamientos, sino en cualquier pieza que entre
directamente en contacto con otra, es por medio de lubricación. También pude lograrse
mediante el cambio de las propiedades superficiales de los materiales es decir, recubrir
la pieza por algún método conocido.
Actualmente, se encuentran elemento de máquina modificados por algún tipo de
tratamiento superficial con el propósito de obtener una mayor resistencia al desgaste, y
de aquí un incremento en su vida útil [3]. En este trabajo se recubrieron rodamientos
con diamante sintético del tipo 1217 K/C3. También se diseñó y construyó un
dispositivo para evaluar el desgaste en dichos rodamientos. Así como se evaluó el
desgaste en rodamientos con recubrimiento y sin recubrimiento, se pudo observar que
aquellos rodamientos con recubrimiento presentan una mayor resistencia al desgaste.
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REFERENCIAS
[1], “Desarrollo de la Tribología en el Mundo”. Elaborado por Morales Espejel [et al].
Reporte técnico, pp1-6.
[2] T. A. Harris. “Rolling Bearing Analysis”. (3rd rev. ed.; John Wiley and Sons,
©1991).
[3] A. D. Sarkar, 1990, “Desgaste de Metales”.(ed.; Limusa-Noriega editores,
©1999).
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CAPÍTULO II
ESTADO DEL ARTE
2.1 INTRODUCCIÓN
Los problemas que hoy en día se presentan en rodamientos, están relacionados
íntimamente con fenómenos de fricción, desgaste y lubricación. Estos a su vez se
conocen como “fenómenos tribológicos”. La tribología es la ciencia y tecnología de la
interacción de superficies en movimiento relativo, los temas y prácticas relacionadas
con ella. La palabra tribología fue inventada hace aproximadamente 36 años y se deriva
de los vocablos griegos: tribos que significa frotamiento y logos que significa estudio
[1].
Este capítulo presenta las diferentes teorías de fricción y desgaste que existen así como
estudios realizados sobre estos mismos fenómenos. También se presentan los diferentes
métodos de recubrimiento.
2.2 ESTADO DEL ARTE
Se puede pensar en la tribología como una ciencia nueva, esto no es así; básicamente,
los primeros estudios que se tienen relacionados con este tipo de fenómenos, se
remontan a la época de Aristóteles, hace aproximadamente 2000 años, quien fue el
primero en reconocer la fuerza de fricción. Posteriormente Leonardo Da Vinci [2], a
mediados del siglo XV, en los bocetos del Codex Atlanticus y Codex Arundel, presentó
el primer estudio cuantitativo de fricción. Esto produjo como resultado la postulación de
dos leyes: (1) la fuerza de fricción es proporcional a la carga, (2) independiente del área
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de contacto. De esta manera, es él quien introduce por primera vez el concepto de
“coeficiente de fricción”, como la relación de la fuerza y la carga normal. La más
importante de las conclusiones a las que llegó Da Vinci es que el coeficiente es
constante e igual a 0.25 para todos los materiales, y además hace una clara distinción
entre la fricción por deslizamiento y por rodadura y menciona que la cantidad de
desgaste es función de la carga aplicada, observación que se tiene en la mayoría de las
teorías modernas de desgaste [3].
Por otra parte En 1699 Guillaume Amontons [4], realizó experimentos enfocados a
estudiar el fenómeno de fricción en máquinas y concordó por completo con las
observaciones de Da Vinci y concluyó su trabajo, con la publicación de dos leyes
conocidas como las leyes de fricción seca de Amontons. De sus estudios determinó una
resistencia aproximada a un tercio de la carga normal aplicada a los materiales.
Amontons tomó en cuenta la naturaleza de la fricción, y la consideró como la fuerza
requerida para levantar las asperezas entrelazadas, una encima de la otra, durante el
deslizamiento, así mismo reconoció que el argumento era válido tanto para asperezas
rígidas como elásticas.
Posteriormente para el año de 1724 se establece una teoría que determina que la fricción
se puede explicar por las fuerzas de atracción molecular entre sólidos [5]; John
Desaguliers enfocó su trabajo a la adhesión de dos cuerpos, y él observó que las
rugosidades superficiales eran responsables de la mayor parte de la fuerza de fricción.
Además, Desaguliers notó que cuando las superficies en deslizamiento estaban muy
pulidas, la fricción aumentaba. Desaguliers enfatiza la magnitud y naturaleza de las
fuerzas de cohesión como: “es más fácil levantar la mayoría de los cuerpos de la tierra
que romperlos en pedazos, la fuerza que mantiene a las partes unidas es más fuerte que
su gravedad. Esta fuerza se llamará fuerza de atracción de cohesión”.
Más tarde Tomlinson confirmo la idea del inglés Desaguliers, él estudió detalladamente
la naturaleza de las fuerzas atómicas [5], y en 1929 establece la teoría molecular la cual
menciona que en condiciones de equilibrio, las fuerzas de repulsión entre los átomos de
un sólido contrarrestan las fuerzas de cohesión; sin embargo, al entrar en contacto dos
cuerpos, un átomo de uno de ellos llegará a estar lo bastante cerca de otro átomo, del
segundo cuerpo, para entrar al campo de repulsión, cuando esto sucede, las dos
superficies se separan causando una pérdida de energía, que se manifiesta como la
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resistencia a causa de la fricción. A partir de este momento surgen dos corrientes para
explicar la fricción, la teoría mecánica y la teoría molecular.
Bajo la misma teoría molecular, Tomlinson [7] describe el mecanismo del desgaste
donde especifica que: cuando dos superficies se encuentran suficientemente cerca, los
átomos se repelen y su tendencia natural es regresar a su posición original; sin embargo,
un átomo se puede desprender de una superficie moviéndose dentro del campo de otro
átomo en la superficie opuesta encontrando una posición de equilibrio. Esto es, los
átomos de un cuerpo pueden ser extraídos por los otros en la superficie opuesta.
Al mismo tiempo que Tomlinson proponía su teoría molecular, el científico alemán
Fink realiza la primera investigación básica de desgaste [9]; estudió la interacción en el
contacto por frotamiento entre sólidos, lo cual lo llevó al primer descubrimiento del
efecto químico-mecánico en la fricción por deslizamiento. Él estableció que hay un
rápido incremento en la actividad de interacción entre las superficies de los sólidos y el
medio ambiente formándose una película de óxido, y que en el caso de superficies
estacionarias la película de óxido se forma sobre la superficie cuatrocientas veces más
rápido.
Carlos Augusto Coulomb [6], realizó diferentes investigaciones en las cuales consideró
tanto los trabajos de Amontons y Desaguliers y apoyado en esto presentó su trabajo
titulado “Teoría de las Máquinas Simples”, donde considera la fricción entre las partes
y la rigidez de sus superficies. En este trabajo, Coulomb hace la distinción entre fricción
estática y fricción dinámica. Además, encontró que el valor de la fricción dinámica es
menor que el de la fricción estática, pero que la diferencia es casi imperceptible para
metales. Coulomb, investigó la influencia de cuatro factores principales sobre la
fricción: 1) la naturaleza de los materiales en contacto y su recubrimiento superficial, 2)
la dimensión del área superficial, 3) la carga normal, y 4) el tiempo que las superficies
permanecen en contacto. En estudios posteriores él consideró la influencia de las
condiciones ambientales como temperatura, humedad y aún el vacío.
De investigaciones posteriores se ha encontrado que el fenómeno de desgaste, involucra
procesos tanto de adhesión como abrasión y fatiga superficial. Estudios en este sentido
han sido realizados por investigadores como I-Ming Feng [8], Bowden y Tabor [9],
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Rabinowicz [10], Czichos, Schallamach, Ernst H. y Merchant M. E, Holm R, Archard y
Kraghelsky [11], quienes concluyeron sus trabajos en diversas teorías y leyes, modelos
matemáticos y métodos de medición que explican el fenómeno de desgaste.
En los inicios de los años 50’s Frank Bowden y David Tabor [12], establecen que
cuando dos superficies se colocan una sobre otra ocurre una fuerte adhesión y se forma
un sólido continuo; de esta manera, las superficies hacen contacto en algunos puntos en
la cima de sus asperezas, y una presión bastante alta toma lugar en esos puntos. Sobre
estas regiones de contacto, en metales, este proceso puede ser referido como soldadura
en frío, entonces cuando las superficies se deslizan, las uniones formadas se deben
romper y la fuerza necesaria para hacer esto es igual a la fuerza de fricción.
Así mismo, por otra parte Bowden y Tabor [9] también mencionan que existe una
relación muy cerrada entre fricción y adhesión, donde la fricción es esencialmente el
esfuerzo cortante y la adhesión es el esfuerzo de tensión de las uniones formadas en las
regiones de contacto real. Entre 1954 y 1956, publicaron dos grandes libros, los que
muestran un amplio panorama sobre los mecanismos de fricción, lubricación y
adhesión, con lo que se abrieron las puertas para un entendimiento más generalizado de
lo que ahora se conoce como “Tribología.”
En 1953 con base en los trabajos de Bowden y Tabor, el científico J. F. Archard [13]
establece por primera vez leyes que rigen al menos un tipo de desgaste de elementos en
contacto. Archard sugiere que el material se remueve en grumos, más que en películas
atómicas, a causa de la adhesión, y presenta la probabilidad de que un área de contacto
de lugar al surgimiento de una partícula de desgaste.
En 1965, en investigaciones realizadas por el científico investigador Kraghelsky [14], se
propone que el desgaste ocurre como un resultado de la fatiga, se considera que el
contacto plástico en las interacciones de asperezas es menos importante que el contacto
elástico, argumentando que aún si el contacto inicial es plástico, éste cambia
rápidamente a elástico. Kraghelsky explica el desgaste en términos de un esfuerzo
cíclico debajo del límite elástico. Más tarde Challen en 1986, en contraste con
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Kraghelsky, asume que el contacto plástico permanece aún después de un cierto período
de tiempo.
Por su parte Ernest Rabinowicz en 1967 [14], realiza contribuciones a la teoría de
desgaste abrasivo; Rabinowicz utiliza el trabajo de adherencia entre dos superficies que
interactúan para explicar la fricción y demuestra que esto concuerda con los valores
teóricos y experimentales para el coeficiente de fricción. El trabajo de adherencia Eab
entre dos metales distintos a y b está dado por la ecuación:
Eab = Ga+Gb-Gab ( 1.1)
donde Ga y Gb son la energía de superficie de los materiales a y b respectivamente, y
Gab es la energía de superficie de la interfase de contacto, todos por unidad de área.
El 9 de marzo de 1966 en un informe elaborado por la Comisión del Ministerio de
Educación y Ciencia de la Gran Bretaña conocido como : Reporte del Ministerio de
Educación y Ciencia de la Posición Presente y Necesidades de la Industria o Reporte
Jost [16]; señala las grandes pérdidas que existen en la industria relacionados con la
fricción y el desgaste. Además, por primera vez se utiliza el concepto de “Tribología” y
se le reconoce el carácter multidisciplinario de esta ciencia. Después de este acto, en
países como Alemania, Francia y Estados Unidos, la tribología comenzó a reconocerse
como fuente de un gran potencial para economizar recursos financieros y materiales
energéticos. De aquí su enorme importancia, haciéndose efectiva la estimulación de las
investigaciones en la fricción, la lubricación y el desgaste; entre los que destacan, la
teoría de desgaste por delaminación que 1973 fue propuesta por Suh [15], donde explica
que el desgaste es producto de cierto nivel de acumulación de esfuerzo plástico en la
superficie, por su parte T. Stolarski en 1989 [18], presenta un modelo de aproximación
probabilística para pronosticar el desgaste, además señala que para desarrollar un
modelo para predecir cuantitativamente la velocidad de desgaste, éste debe preservar un
carácter aleatorio de todas las variables individuales que influyen en el proceso de
desgaste; es importante estimar cuantitativamente la carga soportada por el contacto, de
esta manera debe ser obtenida una descripción estadística de las características
significantes de los materiales involucrados.
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El desgaste y la fricción, son de los factores más adversos para reducir la vida útil de un
equipo mecánico. La pérdida de una cantidad relativamente pequeña de material, en
ciertas localizaciones críticas de cualquier pieza mecánica, pueden marcar la diferencia
entre el daño y el buen funcionamiento de la misma. Entre los elementos mecánicos
críticos se encuentran los rodamientos donde se debe evitar que las superficies
altamente pulidas sean dañadas por arena, agua, ácidos o cualquier otra cosa que cause
rayones o corrosión. Las fallas por fatiga son causadas por la ruptura de superficie del
rodamiento, esta ruptura es precedida por diminutas grietas superficiales que se
desarrollan por repetidas aplicaciones de esfuerzos hasta que llegan a ser
suficientemente grandes para formar zonas locales débiles. Una parte importante de la
Tribología es buscar la forma de reducir los efectos de fricción y desgaste en los
elementos mecánicos, y así aumentar la vida útil de dichos elementos. Así como,
investigar y analizar los procesos de fricción y desgaste [19].
Por lo general los elementos de máquina que están sujetos a tribocontacto, se ven
sometidos a una modificación de sus propiedades superficiales, por lo que, se requieren
métodos que proporcionen un recubrimiento superficial para eliminar cualquier
superficie áspera que acrecente el desgaste. Existen varios métodos para incrementar la
resistencia al desgaste y la vida útil de los elementos de máquinas, entre los cuales se
encuentran: el tratamiento térmico, químico y químico-térmico, el recubrimiento
galvánico, la metalización y el recargue superficial, entre otros. Por ejemplo en la tabla
2.1 se presentan algunos de los más comunes métodos de recubrimiento de superficies.
El método de selección de un proceso u otro deberá hacerse mediante un análisis técnico
económico, pues no solo se deben valorar las condiciones concretas de trabajo como
sistema, sino también tener en cuenta el costo del método empleado y su efecto en el
incremento de la resistencia al desgaste de las superficies [20].
En la actualidad, entre los procesos de recubrimiento que se utilizan con mayor éxito se
encuentran: Deposición Física en Fase Vapor, DFV, en inglés PVD (Physical Vapor
Deposition), y Deposición Química en Fase Vapor, DQV, siglas en inglés CVD
(Chemical Vapor Deposition). Éste último, se emplea con más frecuencia, a causa de las
temperaturas asociadas al proceso (700-1000°C), que promueven la difusión en la
interfase, lo que mejora en general la adhesión del recubrimiento al substrato.
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Por otra parte la Deposición Física de Vapor, se refiere a procesos en los cuales se
convierte un material a su fase de vapor en una cámara de vacío y se condensa sobre
una superficie de sustrato como una película muy delgada. La PVD se usa ampliamente
para recubrir herramientas de corte y moldes de inyección de plástico con nitruro de
titanio (TiN), para que resistan el desgaste [21].
Tabla 2.1 Métodos de recubrimiento de superficies [17]. Proceso de recubrimiento Composición Recubrimientos galvánicos Cromo, níquel, estaño-níquel
Deposición electrolítica Cobalto/Cr2 Cr3;Pb/plástico fluoro-
carbónico
Deposición química por vapores Carburo de Ti, nitruro de Ti, carburo de
wolframio
Deposición de polvos Aleaciones de Co-Cr-Ni
Recubrimiento en plasma Materiales cerámicos
Formación química de recubrimiento
Fosfatado Ferroaleaciones
Anodizado Aleación de Ti y Al
Dicromato Aleaciones de Mg
Recubrimiento por difusión
Cementación Carbono
Nitruración Nitrógeno, carbono
Sulfonitruración Nitrógeno, azufre.
En ferroaleaciones
Silicado Silicio
Borado Boro, Fe2B
Cromado Cromo
Todos los procesos de deposición física de vapor consisten en los siguientes pasos: 1)
síntesis del vapor de recubrimiento, 2) transporte del vapor al sustrato y 3)
condensación de los vapores sobre la superficie del sustrato.
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La PVD es estrictamente un proceso físico que implica la deposición de un
recubrimiento mediante condensación sobre un sustrato, desde la fase de vapor. En
comparación, la Deposición Química de Vapor, implica la interacción entre una mezcla
de gases y la superficie de un sustrato calentado, provocando la descomposición
química de algunas de las partes del gas y la formación de una película sólida en el
sustrato. Las reacciones ocurren en una cámara de reacción sellada. El producto de la
reacción forma un núcleo y crece en la superficie del sustrato para formar el
recubrimiento [21].
En general, los metales que se electrodepositan con facilidad no son buenos para aplicar
la CVD, a causa de productos químicos peligrosos que deben usarse y a los costos de las
medidas de seguridad para contrarrestar sus riesgos. Los metales convenientes para
recubrir mediante CVD incluyen el tungsteno, el molibdeno, el titanio, el vanadio y el
tantalio. La deposición química de vapor es especialmente adecuada para la deposición
de compuestos, tales como el óxido de aluminio (Al2O3), el dióxido de silicio (SiO2), el
nitruro de silicio (Si3N4), el carburo de titanio (TiC) y el nitruro de titanio (TiN) [21].
Recientemente, en la década de los 90´s, F. Stott y G. Wood utilizaron diferentes
procesos de recubrimiento de superficies entre las cuales se encuentran
evaporación de arco, termo-rociado y la deposición química de vapor. Ellos
utilizaron nitruro de titanio para recubrir probetas de acero inoxidable, para la
realización de pruebas de desgaste. La temperatura de prueba fue
aproximadamente de 500 ºC y la carga fue de 16.5 N [22].
Para el mejoramiento en los procesos de trabajo de algunos elementos, se
necesita que los recubrimientos sean de una naturaleza mas resistente, tanto a la
corrosión como al desgaste; para eso existen algunos elementos importantes en
ingeniería: carbono, silicio y boro. Aunque no son materiales cerámicos, algunas
veces compiten con ellos en sus aplicaciones, en la tabla 2.2 se muestran algunas
de las propiedades del C, Si, B.
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Tabla 2.2 Propiedades físico-químicas del carbono, silicio y boro [17].
Propiedades Carbono Silicio Boro
Símbolo C Si B
Número atómico 6 14 5
Gravedad especifica 2.25(N/cm3) 2.42(N/cm3) 2.34(N/cm3)
Temperatura de fusión 6740 ºF
(3727ºC)
2570ºF
(1410ºC)
3686ºF
(2030ºC)
Dureza(Escala Mohs) 10 7 9.3
El carbono se presenta en dos formas alternativas de importancia en ingeniería y
en el comercio: grafito y diamante. Ambos compiten con los cerámicos en varias
aplicaciones: el grafito, en donde las propiedades refractarias son importantes y
el diamante, en aplicaciones industriales donde la dureza es un factor crítico [22].
El diamante es el material de más utilidad en recubrimientos de superficies, con
una estructura cristalina cúbica tridimensional como el de la figura 2.1, de
enlaces covalentes entre sus átomos, lo que explica la alta dureza del diamante.
Los cristales singulares naturales de los diamantes tienen una dureza de 10000
HV, mientras que la dureza de un diamante industrial policristalino es alrededor
7000 HV. Entre otras cualidades presenta una conductividad térmica entre 10-20
W cm-1K-1, un módulo de Young de 1050 GPa y un coeficiente de fricción muy
bajo, alrededor de 0.1 en aire atmosférico. La alta dureza responde por la mayoría
de las aplicaciones de diamante industrial, ya que entre sus principales usos
estaría el de recubrir herramientas para afilar ruedas de esmeril que consisten de
otros abrasivos tales como alúmina y carburo de silicio, también se usan para
cortar cerámicos. Al igual que el grafito, el diamante es muy propenso a oxidarse
al aire a temperaturas cercanas a 1200 ºF (650 ºC) [21].
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Figura 2.1 Estructura cúbica del diamante [21].
Otro material de características similares es el carbón tipo diamante, CTD, traducción
de diamond-like carbon, DLC. Este material es preparado en forma de recubrimiento
sobre sustratos a una temperatura entre 100 –300 ºC [23].
En el año 2000 Da-Yung y Ko-Wei Weng [25] sometieron piezas de acero a desgaste,
previamente recubiertas con DLC sintetizado, mediante una técnica conocida con el
nombre de evaporación de arco catódico, CAE. Da-Yung y Ko-Wei Weng realizaron
pruebas de desgaste de punta sobre disco en piezas de acero, aplicando cargas de 10 N a
una velocidad de 3 m/s. En sus trabajos concluyeron que cuando los recubrimientos se
sujetan a una prueba acelerada, donde una esfera de acero para rodamiento se desliza, el
coeficiente de fricción es relativamente bajo, entre 0.22 y 0.3, antes de alcanzar los 3000
m de deslizamiento, fenómeno que es el resultado de una buena adherencia del
recubrimiento de DLC; también obtuvieron resultados que relacionan al grafito como un
lubricante sólido, lo que ayuda a la vida del recubrimiento.
Los procesos de recubrimiento en piezas mecánicas radica su importancia en la
disminución tanto la fricción como el desgaste, dando pie a que los investigadores,
identifiquen en sus trabajos los puntos de mejora dependiendo del proceso de
recubrimiento utilizado. En 1993, en busca de nuevas técnicas para recubrimientos de
superficie Ernst Nagy [26], propone una técnica para recubrimiento de superficies que
llama: “fricción seca” o “triboadhesión”; además de ser más económica en
comparación con otra técnicas como la CVD y PVD, aprovecha aspectos de fricción que
ocurren al contacto.
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A partir de 1997 esta técnica desarrollada por Nagy es aplicada en diferentes
investigaciones por Rodríguez J. M. [27], en el Centro Nacional de Investigación y
Desarrollo Tecnológico, CENIDET;. los resultados de estas investigaciones dieron la
construcción de un dispositivo para recubrir superficies planas [28], así como un
dosificador de polvo y un dispositivo para el recubrimiento de superficies curvas [29],
un tribómetro [30]. En investigaciones recientes se han llevado a cabo pruebas de
desgaste a superficies planas [31], y la optimización de los parámetros de deposición
para un mejor recubrimiento y mejora de propiedades físico-químicas de los materiales
[32].
Continuando con la aplicación de la técnica de fricción seca y de acuerdo con la
importancia que se menciona con respecto a las perdidas económicas causadas por fallas
en elementos mecánicos a causa de la fricción y el desgaste, el presente trabajo tiene
como objetivo principal además de modificar las superficies de rodamientos, mediante
la técnica de triboadhesión aplicando diamante sintético, evaluar su resistencia al
desgaste y compararlo con un rodamiento sin la aplicación de recubrimiento alguno.
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REFERENCIAS
[1], “Desarrollo de la Tribología en el Mundo”. Elaborado por Morales Espejel [et al].
Reporte técnico, pp1-6.
[2] Duncan D.; “Leonardo da Vinci, Biography”,(En: Journal of Lubrication
Technology, 100, (4), 1977), pp 382-386
[3] Duncan D. Ibidem.
[4] Duncan D., “Guillaume Amontons, Biography”, (En: Journal of Lubrication
Technology, 100, (1), 1978), pp 2-3.
[5] Duncan D.; “John Theophilus Desaguliers, Biography”, (En: Journal of
Lubrication Technology, 100, (4), 1978), pp 3-5.
[6] Duncan D, “Carlos Augusto Coulomb, Biography”, (En: Journal of Lubrication
Technology, 100, (1), 1978), pp 148-152.
[7] A. D. Sarkar, 1990, “Desgaste de Metales”.(ed.; Limusa-Noriega editores,
©1999).
[8] Feng I-Ming, “Metal Transfer and Wear”, (En: Journal of Applied Physics,
23, (9), 1952), pp 1011-1019.
[9] F.P. Bowden and D. Tabor. “The Friction and Lubrication of Solids II”.(Oxford:
Physics and Chemistry of Solid Cavendish Laboratory, Cambridge, ©1963).
[10] E. Rabinowicz. “Friction and Wear of Materials”.(2nd rev. ed.; New York, NY:
John Wiley and Sons, ©1965) pp. 221-234.
[11] Bahadur S., “OPINIÓN. The Economic Impact of Wear on Society”, (En: Journal
of Lubrication Technology, 103, (1), 1978), pp 145-147.
[12] F.P. Bowden and D. Tabor. “The Friction and Lubrication of Solids I”.(Oxford:
Physics and Chemistry of Solid Cavendish Laboratory, Cambridge, ©1963).
[13] Bahadur S., 1978, “Wear Research and Development”, (En: Journal of
Lubrication Technology, 100, 1978), pp 449-454.
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[14] Rabinowicz E., 1981, “Influence of Surface Energy on Friction and Wear
Phenomena”, (En: Journal of Lubrication Technology, 103, 1981) pp 169-
179.
[15] Hockenhull B., Kopalinsky E. and Oxley P.P., 1992, “Mechanical Wear
Models for Metallic Surfaces in Sliding Contact”, (En: Journal of Applied
Physics, 25, 1992) pp A261-A272.
[16] Bahadur S., “OPINION. Wear Research and Development”, (En: Journal
of Lubrication Technology, 99 (4), 1978), pp 449-454.
[17] F. Martínez. “La Tribología: Ciencia y Técnica para el Mantenimiento”
(2nd rev. Ed. ;
México, D.F.: Limusa ©1997).
[18] Stolarski T.A., 1990, “A Probabillistic Approac to Wear Prediction”, (En:
Journal of applied Physics,1990), pp 1143-1149.
[19] M. F Spotts. and T.E Shoup., “Design of Machine Elements”, (7th rev. ed. ;
New Jersey: Prentice Hall ©1998).
[20] F. Martínez, op. cit.
[21] P. M Groover., 1996 “Fundamentals of Modern Manufacturing : Materials,
Processes and Systems”.(ed. ; New Jersey: Prentice Hall ©1996).
[22] Stott F. H., Mitchel D.R. and Wood G.C., “The Influence of Temperature on the
Friction and Wear of Thin Ceramic Coating in Carbon Dioxide”, (En: Journal of
Applied Physics, 5, 1992), pp A189-A194.
[23] Espinoza B. F. J., “Nuevos –Materiales Superduros”, (En: Avance y Perspectiva
21, sep-oct 2002), CINVESTAV, Querétaro Querétaro, México.
[24] Sung Y. E., Kong H. and Ryeol L. K.J., 1998, “Tribological Behavior of Slididing
Diamond-Like Carbon Film under Various Environments”, (En: Wear, 217, 1998) pp.
262-270.
[25] Wang D., Weng K., Chang C. and Guo X., “Tribological Performance of Metal
Doped Diamond-Like Carbon Films Deposited by Cathodic Arc Evaporation”, (En
Diamond and Related Materials, 9, 2000) pp. 831-837.
[26] H. WILLS PHYSICS LABORATORY, “The Nagy Coating Process”. Elaborated
by: Dingley D. J., 1993, (University of Bristol, Bristol BS8 1 TL, United Kingdom).
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[27] CENIDET., 1997. “Proceso para Recubrir Placas Metálicas con Óxidos Metálicos
por Fricción Seca”, Elaborado por: Proyecto Rodríguez L. J. M (CoSNET, , México),
pp. 597.
[28] AGUILAR AGUILAR JORGE OVIDIO, “Diseño y Construcción de un
Dispositivo utilizado para Recubrir Superficies Metálicas con Óxidos Metálicos por
Fricción Seca”., (Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica; Cuernavaca Morelos,:
Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, 1999).
[29] ROBLES SOLIS JOSE MANUEL, “Diseño y Construcción de un Dispositivo
para el Recubrimiento de Superficies Curvas por Fricción Seca”., (Maestría en
Ciencias en Ingeniería Mecánica, Cuernavaca Morelos,: Centro Nacional de
Investigación y Desarrollo Tecnológico, 2000).
[30] RAMÍREZ ANGULO BENJAMIN, 2001, “Evaluación de Resistencia al Desgaste
de Superficies Planas con Recubrimiento a Base de Fricción Seca”., (Maestría en
Ciencias en Ingeniería Mecánica, Cuernavaca Morelos,: Centro Nacional de
Investigación y Desarrollo Tecnológico, 2001).
[31] LÓPEZ MORALES MARIO ISMAEL, “Determinación de los Parámetros para la
Deposición Uniforme de MoS2 y Fe-75Si, por el Proceso de Triboadhesión, en los
Aceros SAE 4140 y AISI 304” , (Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica,
Cuernavaca Morelos,: Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico,
2001).
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CAPÍTULO III
FRICCIÓN Y DESGASTE EN RODAMIENTOS.
3.1 INTRODUCCIÓN
La fricción y el desgaste son fenómenos presentes en la industria, ya sea en piezas de
máquinas o en la maquinaria en si. Los rodamientos se utilizan en casi todas las
máquinas que poseen movimiento giratorio. No obstante los fabricantes protegen los
rodamientos, a causa de las altas temperaturas y otros fenómenos presentes durante su
operación, las capas de lubricante llegan a romperse causando un deterioro. Este
deterioro progresivo acelera la vida útil del rodamiento, presentando perdidas físicas y
económicas [1].
En este capítulo se presentan los principios y definiciones de fricción y desgaste
relacionados a rodamientos, así mismo, algunos dispositivos para la evaluación del
desgaste. Se finaliza con los diferentes tipos de contacto presentes en rodamientos.
3.2 CLASIFICACIÓN DE LOS RODAMIENTOS
Los nombres, cojinetes de rodamiento, o simplemente rodamiento, y cojinete
antifricción, se emplean para describir la clase de soporte de eje, en el que la carga
principal se transmite a través de elementos que están en contacto rodante y no
deslizante [2]. La figura 3.1 muestra las partes principales de un rodamiento. En un
rodamiento, la fricción inicial es aproximadamente dos veces la fricción en marcha, y
resulta despreciable en comparación con el rozamiento inicial en un rodamiento de
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casquillo o chumacera. La carga, la velocidad y la viscosidad de operación del
lubricante afectan los parámetros principales de un rodamiento [3].
Figura 3.1 Partes de un rodamiento [3].
Existe un área de contacto aparente en la interfase de ambas superficies, aunque en las
puntas de las asperezas el área real de contacto sólo se presenta en unos cuantos puntos
[5], a causa de esto las cargas, en la interfase entre el elemento rodante y las pistas, en
los rodamientos actúan en pequeñas áreas de contacto en la unión de los dos miembros
[4]. Estas cargas inducen esfuerzos que se presentan en la superficie de contacto. Un
rodamiento presenta un esfuerzo normal de compresión por encima de los 1380 N/mm2.
En algunas aplicaciones y durante pruebas de resistencia, los esfuerzos normales en las
superficies exceden los 3449 N/mm2. El área efectiva de contacto aumenta rápidamente
conforme los esfuerzos actúen en la profundidad bajo la superficie rodante. Los
esfuerzos de compresión que se presentan en la superficie no logran penetran
completamente el miembro rodante. Los contactos de deformación se generan a causa
de los esfuerzos de deformación, ésto a causa del comportamiento respecto a la
deformación que presentan los rodamientos. Estas deformaciones son de 0.025 mm o
menos en rodamientos de acero.
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La figura 3.2 muestra el área real de contacto entre dos superficies del rodamiento. Si la
carga es baja y el material tiene una alta tensión de fluencia, el contacto será elástico. En
el caso contrario, la interfase fluirá plásticamente [6].
Figura 3.2 Área real de contacto [6]
Algunos tipos de rodamientos que se emplean en la práctica, son los rodamientos de
bolas y los rodamientos de rodillos. De estos los más usados son los rodamientos de
bolas, a causa de que presentan una mayor capacidad para cargas axiales y radiales,
además de ser usados para grandes velocidades. La figura 3.3 muestra los rodamientos
más comerciales de este tipo [7]. En la figura 3.3a se muestra el rodamiento de bolas de
ranura profunda, este soporta una carga radial así como una carga axial o de empuje. La
figura 3.3b muestra un rodamiento con una muesca de llenado, lo que permite insertar
un mayor número de bolas, y mejorar la capacidad de carga, disminuyendo la capacidad
axial o de empuje a causa del golpeteo de las bolas contra el borde de la muesca. El
rodamiento de contacto angular que muestra la figura 3.3c proporciona una mayor
capacidad de resistencia al empuje.
Todos estos rodamientos pueden obtenerse con cubierta o protectores como en la figura
3.3d y 3.3e, y ofrecen protección contra la entrada de polvo y suciedad, evitando de esta
manera la contaminación y el desgaste prematuro. La figura 3.3f y 3.3h muestran
cojinetes autoalineados que se utilizan cuando los de una fila presentan un
desalineamiento grave. Los rodamientos de bolas de una fila, a diferencia de la figura
3.3 g de doble fila soportan cargas radiales y axiales menos intensas. Los rodamientos
de empuje simple del tipo balero como el de la figura 3.3i se fabrican en muchos tipos y
tamaños [2].
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Figura 3.3a Figura 3.3b Figura 3.3c Figura 3.3d Figura 3.3e
Figura 3.3f Figura 3.3g Figura 3.3h Figura 3.3i Figura 3.3j
Figura 3.3 Rodamientos de bolas [2].
En contraste en la figura 3.4a, se muestran rodamientos de rodillos; a diferencia de los
rodamientos de bolas, estos soportan una carga mayor a causa de su mayor área de
contacto [8]. Algunos rodamientos de rodillos como el de la figura 3.4b, tienen la
ventaja de ampliar su área de contacto a medida que la carga aumenta; algunos como los
de la figura 3.4d son muy útiles donde el espacio radial es limitado y son conocidos con
el nombre de rodamientos del tipo agujas, los rodamientos de rodillos cónicos
mostrados en las figuras 3.4e-3.4f, combinan las ventajas de los rodamientos de bolas y
de rodillos cilíndricos [2].
Otros tipos de rodamientos [9], que por su tipo de trabajo se le consideran especiales,
son:
• Rodamientos para instrumento, que son de alta precisión
• Bujes de bolas,
• Rodamientos con rodillos flexibles
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Figura 3.4a Figura 3.4b Figura 3.4c
Figura 3.4d Figura 3.4e Figura 3.4f
Figura 3.4 Rodamientos de rodillos [2].
3.3 PRINCIPIOS DE FRICCIÓN, DESGASTE Y
LUBRICACIÓN
Los principales procesos que tienen lugar en la superficie de fricción de rodamientos
ocurren bajo grandes presiones locales. Estas presiones son suficientemente grandes aún
cuando la carga total del par deslizante sea pequeña, ya que el área total de puntos de
contacto es muy pequeña [10].
3.3.1 Fricción
La fuerza necesaria para romper las uniones de dos superficies que entran en contacto y
deslizarse, es igual a la fuerza de fricción; otra definición sería: la resistencia al
movimiento la cual existe cuando un sólido se mueve de manera tangencial con respecto
a otro y en el cual existe contacto entre ambos [13], además, si una superficie es más
dura, sus asperezas rompen las asperezas de la superficie más blanda [11]. Así mismo si
la superficie más blanda, tiene un esfuerzo cortante promedio τ, y el área real de
contacto es At, entonces la fuerza de fricción necesaria para romper las asperezas y
deslizar una superficie sobre otra es F = Atτ. El área real de contacto At es proporcional
a la carga e independiente del tamaño y la forma de las asperezas, por lo que, la fuerza
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de fricción también será proporcional a la carga y no dependerá del tamaño y la forma
de las asperezas, por tanto, se tiene [12]:
flujodepresióncortanteesfuerzo
AA
WF
yyt
t
⋅⋅⋅
====στ
στ
μ (3.1)
donde μ es el coeficiente de fricción. Así, el coeficiente de fricción para materiales sin
alguna película contaminante en su superficie se determina por sus propiedades de
esfuerzo cortante y presión de flujo [12].
En los rodamientos, se presentan dos tipos de movimiento principales: (1) de rodadura y
(2) de deslizamiento. Para la rodadura, existen dos diferentes fenómenos: en el primero,
el cuerpo rodante es de forma irregular, y el segundo tiene una superficie lisa.
El primer caso se muestra en la figura 3.5, la fuerza FR en N, que inicia el movimiento,
es igual a L multiplicado por tan θ, donde L es la carga en N, y θ es el ángulo entre la
vertical y la línea de unión del centro de gravedad del cuerpo y la proyección donde
existe la rodadura. De aquí el coeficiente de fricción en rodadura fR se expresa:
θtan==L
Ff R
R (3.2)
Figura 3.5 Rodadura de contacto irregular [29].
θ
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En el caso de rodadura continua, θ cambia consecutivamente, tomando frecuentemente
valores negativos; a velocidad constante toma valores positivos y negativos.
Drutowski [14] mostró por ejemplo, que el coeficiente de fricción de rodadura es de
0.0001, valor que obtuvo en experimentos con bolas de acero de 12.7 mm de diámetro y
una carga de 356 N.
Uno de los fenómenos básicos que existen es la fricción de rodadura [15]. Podría
restringirse a cuerpos cercanos a formas perfectas con pequeñas rugosidades en la
superficie; el componente de aspereza de la fuerza de fricción es muy bajo, y los
coeficientes de fricción rodantes están en el rango 5e-3 a 1e-5 [16].
Deslizamiento en la región de contacto.
El contacto de dos cuerpos en un punto, se considera como contacto de rodadura ideal,
el cual se presenta entre una esfera y una superficie plana; como la región de contacto es
elástica y en algunos casos extremos presenta deformación plástica, para que el contacto
se realice en un área de un determinado tamaño los puntos deben estar dentro de
diferentes planos. La figura 3.6 muestra que no es posible que una acción de rodadura
ideal tome lugar excepto en un pequeño número de puntos; en todos los demás puntos,
se tendrá una combinación de rodadura con un pequeño deslizamiento.
Figura 3.6 Rodadura de contacto regular [29]
Radio de rodadura
C V
Región de deslizamiento hacia adelante
Región de deslizamiento hacia atrás
Banda sin deslizamiento
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Este deslizamiento se presenta al vencer la resistencia al deslizamiento, para lo cual es
necesaria una fuerza de rodadura.
Las velocidades de deslizamiento son pequeñas, 5% o menos que la velocidad de
rodadura total, este deslizamiento pequeño ocasiona una mayor resistencia a la
rodadura. Se puede escribir una expresión para una fricción de rodadura total en la
forma:
kr
sR f
VV
f ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛= (3.3)
donde Vs es la velocidad de deslizamiento en m/s, Vr es la velocidad de rodadura en m/s
y fk es el coeficiente cinético de la fricción de deslizamiento[17].
3.3.2 Desgaste
El daño ocasionado a una superficie como resultado de un movimiento relativo entre
dos superficies, sería una definición de desgaste. Este daño puede ser en forma de
pérdida de material, formación de microgrietas o también en términos de deformación
plástica, se presenta por la fuerte adhesión que existe de las uniones y la dificultad para
romperlas.
Las tres variables que más afectan el desgaste son el área de contacto, la fuerza de unión
interfacial y la dinámica de materiales. Uno de los primeros intentos de correlacionar
estos factores se debe a Archard, [18] quien propuso que el volumen del material
removido esta dado por:
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
HLkSV (3.4)
donde V es el volumen del material removido, S la distancia recorrida, L la carga
aplicada, H la dureza de la muestra y k es una constante de proporcionalidad. De aquí
parte para definir los principales tipos de desgaste, que son:
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Desgaste Adhesivo: Sucede cuando dos superficies lisas entran en contacto deslizando
la una respecto a la otra, de modo que pequeños fragmentos de material son arrancados
de una superficie y adheridos a otra [19].
Desgaste Abrasivo: La abrasión se presenta cuando una superficie dura, o una
superficie blanda con partículas duras, se desliza sobre una superficie blanda, causando
una serie de cavidades y desplazando material de estas cavidades en forma de partículas
generalmente libres.
Desgaste Corrosivo: Cuando las superficies en contacto se encuentran en un medio
corrosivo, los productos de la corrosión formarán una capa encima de las superficies
que frenará o inhibirá la corrosión. Sin embargo, el continuo deslizamiento podría
arrancar este capa continuando así el ataque corrosivo.
Desgaste por Fatiga Superficial: Se presenta durante el deslizamiento o rodamiento
repetitivo a lo largo de una huella. La exposición a ciclos de carga y descarga de las
superficies puede inducir la formación de grietas superficiales o justo por debajo de ella,
que podría llegar a romper la superficie en forma de grandes fragmentos, dejando
grandes marcas en la superficie.
En el caso de rodamientos, los tipos de desgaste que se presentan se muestran en la tabla
3.1
Las fallas mostradas en la tabla 3.1, muestran una secuencia complicada de eventos los
cuales envuelven algunos procesos físicos y químicos, incluidos en la fabricación de las
superficies originales. Estas interacciones físicas y químicas de las superficies, se
relacionan con procesos de desgaste mecánico tal y como se muestran en la tabla 3.2.
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Tabla 3.1 Tipos de falla en rodamientos
Tabla 3.2 Procesos de desgaste
De acuerdo a la tabla 3.1, en los siguientes párrafos se describen las diferentes fallas
presentes en rodamientos.
Interacción: Para mantener una superficie íntegra de cualquier deterioro, en la región
más cercana a la superficie, se deben prevenir microfracturas y mantener un acabado de
la superficie aceptable incluso en la presencia de flujo plástico. La figura 3.7 muestra
dos superficies en contacto donde existe una interacción entre superficies. La carga
normal, “N”,que es la fuerza es directamente proporcional al espesor de la capa de
lubricante, h, el cortante, F, se presenta a causa de la adhesión entre metal y metal.
Fallas en rodamientos debidas a desgaste
Desgaste mecánico suave
Desgaste Adhesivo
Pulido
Desgaste Corrosivo (Triboquímico)
Flujo Plástico
Indentación de la superficie
Desgaste Abrasivo
Oxidación
Fatiga
Procesos de desgaste mecánico Adhesión
Reacciones Químicas
Flujo Plástico
Fatiga
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Figura 3.7 Contacto de dos superficies [20].
Las interacciones severas son importantes en la iniciación y propagación del desgaste.
Este tipo de interacciones ocurren cuando se presenta (1) un encuentro elástico, (2) una
acumulación más allá de sitios de fractura plástica que pueden conducir a la generación
de partículas de desgaste (3) oxidación o desgaste corrosivo, (4) la transferencia
adhesiva, la cual puede llevar a un desbaste de la superficie [20].
Adhesión: Bajo esfuerzos normal y tangencial, la capa límite entre las superficies se
tensa hasta la ruptura, esto permite contacto metal-metal a una escala atómica dando
lugar a una fuerte adhesión o uniones soldadas. La formación y ruptura de las uniones
adhesivas se acompañan por un aumento de temperatura local, causando cambios en las
propiedades mecánicas del material. “El desgaste adhesivo” se presenta cuando ocurre
transferencia adhesiva de material o éste controla el mecanismo.
Pulido: Desgaste adhesivo en gran escala, el cual se presenta entre el elemento rodante
y las pistas, cuando el deslizamiento es substancial, acompañado por un incremento en
la fricción y la temperatura de contacto; se presenta como una avería gradual en la
interacción de asperezas lubricadas [21].
Desgaste corrosivo: Una parte significativa de desgaste involucra procesos de
reacciones “triboquímicas” con el medio circundante y la película lubricante. Las
reacciones triboquímicas, son consecuencia de interacciones tribológicas entre las
superficies en contacto, el cual es activado por la interacción mecánica de superficies en
contacto.
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El “desgaste triboquímico” involucra procesos de formación y retiro de capas en la
superficie; inducen limpieza, activación mecánica y térmica en la región cercana a la
superficie [22].
Las reacciones triboquímicas son asociadas con “desgaste suave” [23]. El “desgaste
corrosivo” es un término que se utiliza cuando el desgaste químico es mayor al desgaste
adhesivo [24].
Deformación Plástica y Desgaste Abrasivo : La deformación plástica ocurre cuando se
traspasan los límites de dureza de las partículas; en escala macroscópica la sobrecarga
bajo condiciones estáticas causa deformación en la pista. Una deformación plástica más
destructiva se presenta cuando se genera más calor del que es removido, lo que causa
flujo plástico y que los elementos del rodamiento se reblandezcan hasta ser destruido.
“El desgaste abrasivo” se presenta cuando la deformación plástica conduce material
removido y rebabas del desgaste. La interacción entre la dureza de los elementos
rodantes con los separadores de material blando, frecuentemente genera desgaste
abrasivo.
Fatiga : Repetidos esfuerzos en la superficie de contacto introducen un daño
permanente dentro del material; lo que comienza como una grieta, después de repetidos
ciclos de esfuerzos, la grieta se propaga y se pierde material en la superficie. La fatiga
se propaga en la región de la subsuperficie, resultando descascaros caracterizados por
cráteres relativamente largos. La fatiga puede también ser iniciada en la región cercana
a la superficie como resultado de pequeños esfuerzos en las asperezas y superficies
defectuosas [25].
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3.3.3 Lubricación
La lubricación reduce la fricción, el desgaste y el calentamiento de partes de máquina en
contacto con movimiento relativo entre sí. En un rodamiento, el principal movimiento
relativo es de rodadura, el cual necesita lubricación. De manera general; se clasifican 5
tipos de lubricación:
1. Hidrodinámica
2. Hidrostática
3. Elastohidrodinámica
4. De capa límite
5. De película sólida.
La lubricación elastohidrodinámica ocurre cuando se introduce un lubricante entre
superficies que están en contacto rodante, como los rodamientos.
Entre las investigaciones que se han realizado con respecto al tema de lubricación
elastohidrodinámica, se encuentran las de Martín [26], quien presentó una solución para
cilindros rodantes rígidos. Por otra parte en 1959, Osterle [27] realizó estudios
referentes a la lubricación hidrodinámica en el armazón de los rodamientos.
Basado en estudios realizados en diversas investigaciones [26 y 27] se obtuvieron
resultados los cuales son aplicables a rodamientos, engranes, motores, sistemas
hidráulicos en los cuales la viscosidad es un factor determinante.
La viscosidad es el índice físico más importante en los lubricantes, a causa de que esta
presente en las pérdidas por frotamiento, la generación de calor, el rendimiento
mecánico, la capacidad de carga, el espesor de la película lubricante, el consumo del
mismo y el desgaste. Si se considera que un rodillo de tamaño infinito en un plano
infinito, se lubrica por un fluido Newtoniano con una viscosidad η, se tiene que el
esfuerzo cortante τ en un punto, cumple la ecuación 3.5:
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⎟⎠⎞
⎜⎝⎛∂∂
=zuητ (3.5)
donde ∂u/∂z es el gradiente de velocidad local en la dirección z figura 3.8, en la cual se
observa que cuando z es máxima la velocidad del fluido es mayor, u = U y a una
distancia transversal z la velocidad estará en función z, u = u(z), y para una z = 0 la
velocidad u = 0. La transferencia de cantidad de movimiento es perpendicular a la
dirección de la fuerza aplicada y es de origen viscoso.
Figura 3.8 Gradiente de velocidad [27].
.
Existen varios métodos de medición de la viscosidad, basados en los viscosímetros
rotacionales para la viscosidad dinámica y los viscosímetros capilares para la viscosidad
cinemática.
La dimensión de la viscosidad dinámica se expresa en Poise (P), también se puede
expresar en unidades de viscosidad cinemática, que representa la viscosidad dinámica
de un fluido respecto a su densidad a la misma temperatura y a la presión atmosférica, la
ecuación 3.6 muestra este caso:
ρνη = (3.6)
Donde:
η Viscosidad dinámica, P.
ωu=U
u=u(z)
z
u=0
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ρ Densidad, g/cm3
ν Viscosidad cinemática, CSt(mm2/s)
Una área insuficiente de contacto, una disminución en la velocidad superficial móvil,
una reducción en la cantidad de lubricante, una intensificación de la carga del
rodamiento, o bien un incremento en la temperatura del lubricante, impide la formación
de la película de lubricante. Cuando esto ocurre, las asperezas de más altura quedan
separadas por películas de lubricante de espesor delgado. Esto se llama lubricación al
límite o escasa.
3.4 DESGASTE EN RODAMIENTOS
En los rodamientos, el proceso de desgaste en situaciones de deslizamiento se relaciona
con la formación y el crecimiento de uniones nucleadas por las asperezas que entran en
contacto. La interacción plástica también causa la resistencia a la fricción, a causa de
esto no se obtiene una correlación decisiva entre la fricción y el desgaste [28].
Estudios recientes [29], muestran que problemas relacionados con los procesos de
fricción y desgaste pueden analizarse a través del contacto. Básicamente existen 2 tipos
de contacto, que pueden existir en los rodamientos bajo condiciones sin carga.
1. Contacto en un punto, esto significa que el contacto ocurre en un solo
punto.
2. Contacto lineal, dos superficies se tocan a lo largo de una línea recta
o curva de ancho cero.
Al aplicar una carga aplicada el contacto entre dos cuerpos se expande. En el primer
caso a una elipse y en el segundo a un contacto lineal ideal, la figura 3.9 a y b
representan estos dos casos respectivamente.
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
(a) (a)
(b) (b)
Figura 3.9 Área de contacto en bolas [29].
Cuando un rodillo de longitud finita tiene contacto con una pista de mayor longitud, la
distribución de esfuerzos axiales a lo largo del rodillo se muestran de acuerdo a la figura
3.10. El material en las pistas y cerca de los extremos de los rodillos está en tensión a
causa de la concavidad de las orillas de las pistas, y el esfuerzo de compresión tiende a
ser más alto que en el centro de contacto.
Lundberg [30], menciona que este tipo de contacto, se puede modificar, cuando el eje
mayor de la elipse de contacto es de l a 1.5 l que la longitud efectiva del rodillo. Si 2a <
l, entonces existe un punto de contacto; si 2a > 1.5 l, entonces existe un contacto lineal
con carga en el extremo.
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
Figura 3.10 Área de contacto en rodillos [29]
Por otra parte, Poon en 1990 [28], realizó un estudio para analizar el contacto entre las
asperezas superficiales utilizando un método de contacto elastoplástico. Poon determinó
que el estado de contacto en las asperezas, ya sea predominantemente plástico,
predominantemente elástico, o casi totalmente elástico con huecos en la interfase de
contacto, depende de las propiedades del material, así como de sus características
topográficas superficiales como la altura y la longitud de onda de las asperezas.
Poon también determinó que el mecanismo de fricción y el daño superficial que
presentan los estados de contacto mencionados anteriormente son diferentes. Para el
contacto predominantemente plástico, la fricción y el desgaste usualmente son severos,
además la remoción de material se tiene principalmente en la cresta de las asperezas
debido a un flujo plástico. Para el contacto predominantemente elástico, la fricción y el
desgaste generalmente son ligeros. Mientras que para el contacto casi totalmente
elástico con huecos en la interfase de contacto, la fricción y el desgaste pueden ser muy
severos.
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
3.5 DISPOSITIVOS PARA EVALUAR EL DESGASTE
Las leyes del desgaste por adherencia y las de desgaste por abrasión muestran que entre
más duro sea un componente, más resistente será al desgaste. Una de las dificultades
con los materiales excesivamente duros es que fácilmente presentan fallas por fractura
y, para evitarlas, el componente debe ser tenaz, lo que es característico de los materiales
blandos y dúctiles; una manera de alcanzar un núcleo tenaz con una superficie dura sería
mediante tratamientos superficiales [31].
Se construyen máquinas que simulan condiciones reales de trabajo de un par de fricción
y los resultados de dichas pruebas pueden ayudar en el diseño de máquinas donde se
aplique un par idéntico.
La principal aplicación de estas máquinas es conocer características tribológicas de
elementos como: frenos, embragues, cojinetes etc. Las condiciones más importantes a
considerar para el diseño y construcción de estas máquinas son:
• Cinemática del movimiento de los elementos involucrados.
• Modo de aplicación de la carga en el par de fricción.
• Geometría de contacto de los elementos.
• Tipo de fricción tomando en cuenta si existe lubricación o enfriamiento.
• Dimensiones de los elementos involucrados.
Dependiendo del objetivo de la prueba, se clasifica la máquina en cualquiera de las
siguientes divisiones:
• Máquinas para pruebas de fricción y desgaste en condiciones variadas.
• Máquinas para pruebas de fricción y desgaste en condiciones casi reales.
• Máquinas universales para pruebas de fricción y desgaste en cualquier
condición.
Al momento de diseñar la máquina se determina el tipo de fricción, el movimiento
existente con sus velocidades y aceleraciones. El criterio de diseño para las máquinas
desde un punto de vista dinámico de la carga tiene que tomar en cuenta valores de
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presiones unitarias y el tipo de carga aplicada, que puede ser: constante, variable o de
impacto. La carga puede ser aplicada por medio de un sistema mecánico: resorte,
gravedad, hidráulico, neumático o magnético [32].
Las máquinas suelen dividirse en los siguientes grupos: las máquinas que reproducen un
determinado tipo de desgaste, las máquinas que reproducen una determinada
combinación de las condiciones de fricción, ejemplo de esto son: las máquinas de uso
universal MI, UMT-1, las máquinas SMC-2 para las pruebas en condiciones locales
[33].
La figura 3.11 muestra una máquina para pruebas de desgaste abrasivo. Sobre el eje
vertical 1 en el cono, se asentó un disco metálico rotatorio. La muestra cilíndrica con un
diámetro de 2mm, se aprieta en el mandril 3 del soporte 5, que se desplaza libremente
en las guías del cabezal del vástago.
Figura 3.11 Máquina para pruebas de desgaste abrasivo [33].
La carga 6 y el peso correspondiente del soporte conforma la carga sobre la muestra
El eje 1 se pone en movimiento por medio de la transmisión principal desde el eje 14
con la polea 13 en el extremo. El eje 14 con ayuda de otra transmisión principal pone en
movimiento el eje intermedio 12 y las ruedas dentadas 11 y 9.
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La rueda dentada 9 está asentada en la tuerca 10, mediante la rotación de la cual en ella
se enrosca la sección roscada 8 del pasador 7. De este modo, mediante la rotación del
disco del cabezal 4 del pasador, la muestra de porte realiza un desplazamiento radial.
Como resultado de los pruebas se determina la resistencia relativa al desgaste, en
relación con el material patrón, de los diferentes metales durante el tipo de desgaste
abrasivo.
La máquina universal UTM-1, que se muestra en la figura 3.12, tiene un medidor de
fuerza neumático. El límite de medición de la fuerza es de 4000 N, los rangos de
medición de fuerza son 200-1000; 1000 – 4000 N. El límite de medición de la velocidad
de rotación del husillo de transmisión es de 3000 rpm. En la máquina se instaló un
medidor de momento electromecánico, el límite de medición del momento de fuerza de
fricción es de 40 Nm.
Figura 3.12 Máquina universal UMT-1 [33].
Otra máquina de tipo universal es la máquina para el desgaste tipo MI, presentada en la
figura 3.13. En esta máquina se pueden realizar ensayos a la fricción por deslizamiento,
fricción por rodamiento, fricción por deslizamiento tanto en aceite como sin éste.
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Figura 3.13 Máquina universal para pruebas de fricción y desgaste [33].
Sobre los extremos de los ejes 2 y 11 están situadas las probetas 1 y 10 en forma de
arandelas; el eje inferior 11 descansa en tres cojinetes de bolas. El eje superior 2 está
situado en los cojinetes de bolas del marco 3, que puede girar alrededor del eje 17. el
resorte 15 crea una carga de 245 a 1962 N entre las probetas. El eje 11 se pone en
movimiento desde el motor a través de la transmisión planetaria por engranaje, que
permite con ayuda del péndulo 8 y las cargas 12, 13, 14 equilibrar el momento de
fricción, la magnitud del cual puede determinarse en la escala 7.
La máquina también presenta un equipo para el cálculo mecánico de los momentos
estáticos y los momentos de inercia, 5, 16, 6. Con ayuda de los accesorios 9 y 4, el
marco 3 después que transcurre el tiempo de una revolución de la muestra , puede
elevarse.
Al marco se le puede transmitir también el movimiento de avance y retroceso a lo largo
del eje de las muestras hasta ± 5 mm.
Las probetas para las pruebas aparecen representadas en la figura 3.14.
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La figura 3.14a se muestra un contacto que presenta rodadura simple, probeta superior
colocada libremente sobre el eje, y durante el rodamiento con deslizamiento, la probeta
superior gira con el eje, la figura 3.14b representa deslizamiento existente en dos piezas
en contacto, al igual que en la figura 3.14c.
(a) (b) (c)
Figura 3.14 Probetas para pruebas de desgaste en máquina universal [33].
Según [28], existen diferentes dispositivos para evaluación de la fricción y el desgaste
con diferentes principios de operación; tomando en cuenta las características físicas y
mecánicas del rodamiento que se someterá a pruebas de desgaste además del lugar
donde va montado, se diseñó el dispositivo de acuerdo al siguiente principio:
Figura 3.15 Dispositivo de espiga sobre buje [6].
la figura 3.15 muestra una espiga cilíndrica o hemisférica que rota sobre un buje o
cilindro, (1) barra de carga, provista con extensómetros en la sección delgada (2). La
deflexión de la barra de carga se mide por medio de transductores o calibradores de
deformación.
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En el siguiente capítulo se explica el funcionamiento del dispositivo para evaluar el
desgaste, así como para depositar diamante sintético en los rodamientos.
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REFERENCIAS
[1] IRD Mechanalysis:, “Tecnología Vibración I”, (Libro de texto, Columbus, Ohio,
© 1988) Cap. 6.
[2] Shigley J. E., 1999, “Diseño en Ingeniería Mecánica”, Mc. Graw Hill.
[3] E. Rabinowicz. “Friction and Wear of Materials”.(2nd rev. ed.; New York, NY:
John Wiley and Sons, ©1965) pp. 221-234.
[4] SKF, “Setting up an operating a cost effective Predictive maintenance program at
champion paper company”, SKF, www.Skfcm.com , 1997.
[5] F.P. Bowden and D. Tabor. “The Friction and Lubrication of Solids II”.(Oxford:
Physics and Chemistry of Solid Cavendish Laboratory, Cambridge, ©1963).
[6] A. D. Sarkar, 1990, “Desgaste de Metales”.(ed.; Limusa-Noriega editores,
©1999).
[7] EPRI, , “Condition – Monitoring Guidelines for Rolling Element Bearings”,
(Mechanical Technology Incorporated Latham, New York). Final Report November.
1991.
[8] American National Standard (ANSI/AFBMA), Std 7-1972, May 2, 1978, “Shaft
and Housing Fits for Metrics Radial Ball and Roller Bearing (Except Tapered Roller
Bearings) Conforming to Basic Boundary Plants”, R1978.
[9] Catalogo General 4000/II SP SKF, 1997.
[10] F. Martínez. “La Tribología: Ciencia y Técnica para el Mantenimiento”
(2nd rev. Ed. ; México, D.F.: Limusa ©1997).
[11] F.P. Bowden and D. Tabor. “The Friction and Lubrication of Solids I”.(Oxford:
Physics and Chemistry of Solid Cavendish Laboratory, Cambridge, ©1963).
[12] RAMÍREZ ANGULO BENJAMIN, 2001, “Evaluación de Resistencia al Desgaste
de Superficies Planas con Recubrimiento a Base de Fricción Seca”., (Maestría en
Ciencias en Ingeniería Mecánica, Cuernavaca Morelos,: Centro Nacional de
Investigación y Desarrollo Tecnológico, 2001).
[13] Rabinowicz E., “Influence of Surface Energy on Friction and Wear
Phenomena”, (En: Journal of Applied Physics, 32, (8),1961) pp 1449 - 1444.
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Cenidet
[14] Drutowski R., “Energy Losses of Balls Rolling on Plates”, (En: Friction and
Wear, Elservier Amsterdam, 1959) pp. 16-35.
[15] Brilliantov N. V. y Pöschel T, “Rolling Friction of a Viscous Sphere on a Hard
Plane”, 1998, Europhys Lett.
[16] Allan A.J. G., 1958, “Plastics as Solid Lubricants and Bearing”, (En:
Lubrication Engineering, 14,1958) pp 211-215.
[17]E. Rabinowicz. “Friction and Wear of Materials”.(2nd rev. ed.; New York, NY:
John Wiley and Sons, ©1965).
[18] Bayer R.G., Dekker M., “Mechanical Wear Prediction and Prevention” Inc.
[19] UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE CATALUNYA. “High Temperature
Contact Response of Cemented Carbides”. Elaborado por Alcalá J. (Barcelona.).
[20] Dorinson A. and Ludema K., “Mechanics and Chemistry in Lubrication”,(En
Tribology Series, 9, Elsevier 1985).
[21] Dyson A. and Wedeven L., “Assessment of Lubricated Contact- Mechanisms of
Scuffing and Scoring”, NASA TM-83074, 1983.
[22] Lancaster J., 1963 “The Formation of Surface Film at the Transitions between
Mild and Severe Metallic Wear”, Proc. Roy. Soc. A 273, 466-483.
[23] NASA, “NASA Interdiciplinary Collaboration I Tribology – A Review of Oxidation
Wear”, Elaborado por Quinn T. (Contractor Report 3686.)
[24] C. Rowe. 1980, “Lubricated Wear”, (Wear Control Handbook, ASME) pp 143-
160.
[25] American National Standard (ANSI/FBMA), STD. 9-1990, “Load Rating and
Fatigue Life for Ball Bearings”
[26] H. M Martín., “Lubrication of Gear Teeth”, Engineering 1916, pp 102, 199.
[27] Osterle J. F.., 1959, “On the Hydrodynamic Lubrication of Roller Bearing”, (En
Wear, 2, 1959) pp 195.
[28] RAMÍREZ ANGULO BENJAMIN, 2001, “Evaluación de Resistencia al Desgaste
de Superficies Planas con Recubrimiento a Base de Fricción Seca”., (Maestría en
Ciencias en Ingeniería Mecánica, Cuernavaca Morelos,: Centro Nacional de
Investigación y Desarrollo Tecnológico, 2001).
[29] T. A. Harris. “Rolling Bearing Analysis”. (3rd rev. ed.; John Wiley and Sons,
©1991).
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[30] THE INSTITUTE OF THEORY OF ELASTICITY AND STRENGTH OF
MATERIALS. “Stresses and Deformation in Elastic Contacts”. Publication Nº
4. Elaborado por Lundberg G. y Sjovall H. (Chalmers. University of Technology,
Gothenburg: 1958).
[31] A. D. Sarkar, 1990, “Desgaste de Metales”.(ed.; Limusa-Noriega editores,
©1999).
[32] Haduch S. Z. y Maldonado C. D., “Lucha contra la Fricción y el Desgaste”,
Universidad de Monterrey.
[33] F. Martínez. “La Tribología: Ciencia y Técnica para el Mantenimiento”
(2nd rev. Ed. ; México, D.F.: Limusa ©1997).
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CAPÍTULO IV DISPOSITIVO DE DEPOSICIÓN Y DESGASTE
4.1 INTRODUCCIÓN Para disminuir el desgaste en dispositivos mecánicos, se necesita mejorar la calidad
superficial de la pieza o mecanismo que entre en contacto con otro. La deposición por
fricción seca o triboadhesión, es una técnica que se pretende cumpla con tal objetivo, a
causa de que a través de esta se deposita un elemento con el propósito de reducir el
desgaste de la pieza recubierta; el desgaste, presente en todas las máquinas, causa un
deterioro de las piezas donde se genere un par mecánico disminuyendo su vida útil.
En la actualidad existen diferentes dispositivos de desgaste, los cuales aplican diferentes
técnicas para determinar la resistencia al desgaste. En este capítulo, se muestra el
dispositivo utilizado para recubrir superficies curvas; también se muestra el dispositivo
de desgaste que se diseño, además de los parámetros que se utilizaron para tal diseño.
4.2 DISPOSITIVO DE DEPOSICIÓN La deposición de diamante sintético en las pistas de rodamiento se llevó a cabo
mediante el uso del dispositivo diseñado por Robles J. [1]; los componentes principales
de este dispositivo son: disco de deposición, sistema de rotación del substrato, sistema
de rotación de la fresa, sistema de medición de la fuerza que se ejerce en el substrato y
el sistema de alimentación de material de aporte. La fotografía 4.1 muestra el diseño del
dispositivo.
El sistema de rotación de fresa, donde la transmisión de potencia es de un motor de 1
Hp, gira a una velocidad de 0-30000 rpm, (1) la fuerza en el substrato se transmite
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mediante un sistema de desplazamiento de tornillo sin fin de forma horizontal, (2) se
cuenta con un sensor para medir la carga aplicada, (3) una base donde se sujeta el sensor
de carga y la fresa al torno, y (4) el dispositivo donde se coloca la superficie a
recubrir.[1].
(1)
(2) (4)
(3)
Fotografía 4.1 Dispositivo para recubrir superficies curvas [1]
La fotografía 4.2 muestra el dosificador de polvo, el cual inyecta el polvo para recubrir
la pieza. Este dispositivo cuenta con ciertas características primordiales para lograr una
mejor deposición como son: porcentaje de alimentación preciso durante largos períodos
de tiempo, variación de la velocidad de salida de polvo, fácil mantenimiento, fácil
manejo de sus componentes etc.
El sistema dosificador de polvo, consiste en los siguientes elementos: Unidad
alimentadora: (1) contenedor de polvos, (2) gabinete de control, (3) motor vibrador y (4)
flecha de arrastre de polvos.
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Fotografía 4.2 Unidad dosificadora de polvo [1].
4.3 DISPOSITIVO DE DESGASTE
Con base a las descripciones, de los dispositivos más utilizados para pruebas de fricción
y desgaste, se diseña el dispositivo aplicando el principio de una espiga cilíndrica que
rota sobre un eje o buje, al cual se le aplica una determinada carga; también el
dispositivo debe ir montado en el mismo lugar donde se llevan acabo las pruebas de
recubrimiento de los rodamientos.
Para la prueba de desgaste que se llevó acabo, los rodamientos presenta un tiempo de
vida útil excesivo [2], si se toma en cuenta que las pruebas que se le realicen deben de
ser de corta duración, y de esta manera tener parámetros de su comportamiento.
De acuerdo con lo anterior, el dispositivo de desgaste para las pruebas de laboratorio,
deberá ser capaz de: (1) acelerar el desgaste en los rodamiento, (2) aplicar y mantener la
carga sobre el rodamiento durante la prueba, (3) utilizar el principio antes mencionado
(4) de fácil manejo, ensamble, colocación y mantenimiento, (5) de un costo accesible.
Uno de los objetivos principales de éste trabajo, consistió en diseñar un dispositivo de
desgaste, donde en una prueba de desgaste, se pueda medir la fuerza normal y la fuerza
cortante que actúan en las superficies en contacto, estas se relacionan por medio del
factor de fricción.
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4.3.1 Descripción del dispositivo de desgaste
La figura 4.1 muestra el esquema del dispositivo para la evaluación del desgaste; en el
se puede observar las diferentes partes que lo conforman. Aquí, la carga se aplica a
través de una prensa hidráulica de 12 toneladas, que contiene en su punta un transductor
de aluminio el cual manda la señal de carga (1). La carga se aplica directamente sobre la
pista exterior del rodamiento. El anillo interior se mueve a través del movimiento del
torno (2). El reductor de velocidad presenta una relación de velocidad de 0.5 (3). Dos
bandas en “V” transmiten movimiento a través de todo el mecanismo (4) y un motor
eléctrico de 5 Hp a 3600 rpm (5). La fuerza tangencial se evaluó con la corriente que
consume el motor eléctrico (6). La evaluación de la fuerza normal se obtiene cuando se
aplica la carga al sensor (7). Las señales de corriente y de fuerza del transductor de
carga se reciben en una tarjeta de adquisición de señales de National Instrument (8),
cuyas señales son finalmente almacenadas y procesadas en la computadora (9).
Figura 4.1 Dibujo esquemático del dispositivo
En la fotografía 4.3 se muestra el dispositivo de desgaste. Este consta de: (a) una prensa
hidráulica para banco modelo PH-12T marca “ERKCO”, la cual aplica la carga al
rodamiento. (b) El rodamiento esta montado en una base que puede girar mediante un
motor de 5 Hp a 3600 rpm colocado en la parte interna del torno. (c) Un multimétro
digital junto a un amplificador de voltaje detectan las señales de carga y corriente. (d) El
adquisidor de señales “National Instruments” y la PC, reciben las diferentes señales de
1
2 3
4 5
6
8 9
3
6
7
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carga y corriente, almacenan y despliegan en diferentes gráficas. (e) un manómetro
instalado en la parte alta de la prensa con una capacidad de 20 toneladas. La tabla 4.1
muestra las características de funcionamiento de la prensa [3].
Tabla 4.1 Características de funcionamiento de la prensa hidráulica.
Capacidad máxima de trabajo 12 Toneladas. 10886 Kg
Presión máxima de trabajo 4889 Lb/in2 344Kg/cm2
Avance del pistón 0.031”/ciclo 0.0007m
Cabezal móvil para acoplarse a cualquier posición
Resortes internos de retorno para ahorrar espacio
Peso aproximado 81.4 Lb 37 Kg
Fotografía 4.3 Partes principales del dispositivo
En la fotografía 4.4 se muestra la prensa hidráulica montada en el torno. El diseño del
dispositivo requería de que fuera desmontable sin la aplicación de métodos destructivos
y lo suficientemente fuerte para resistir cargas externas de tensión, de flexión o de
cortante. Para el montaje de la prensa se barrenaron tanto la base de la misma como el
torno. Los cuatro postes roscados, que sostiene a la prensa hidráulica, permiten ajustarla
a un altura que dependen del tamaño del rodamiento.
(a)
(b)
(c) (d)
(e)
(c)
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Fotografía 4.4 Montaje de la prensa
4.3.2 Sistema de medición de fuerza
Por otra parte en la fotografía 4.5 se muestra el sistema de medición de fuerza, con los
siguientes componentes: (a) transductor de fuerza, el cual fue diseñado de acuerdo a la
carga que se aplica; el material del transductor es aluminio 6061-T6, este tipo de
aluminio presenta un esfuerzo de fluencia de 248 MPa, apéndice “B”. (b) El
amplificador operacional DMD 465 donde se conectan las terminales del sensor de
carga, la salida de la señal se adaptó a un módulo atenuador de voltaje para conectarlo al
adquisidor. (c) El arreglo de los extensómetros para minimizar los efectos térmicos es
del tipo puente de Wheatstone completo. Para el caso de dilatación por efecto de
temperatura, ésta causará una deformación en el extensómetro, dicha deformación se
considera un error por variación de temperatura la cual se corrige al fabricar el alambre
conductor del extensómetro con coeficientes térmicos de igual valor pero de signo
contrario al del coeficiente de dilatación lineal del cuerpo sobre el que se pegan [4]. Los
extensómetros utilizados son del tipo NA-13-T00R-340, con un factor de galga a 24 ºC
2.12 y una resistencia 350 ±0.15% a 24 ºC.
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Fotografía 4.5 Sistema de medición de fuerza.
La fotografía 4.6 muestra (a) el transductor dentro de la prensa hidráulica, él cual se
sostiene por un opresor allen 6.35 X 6.35 UNC (mm). (b) el arreglo de extensómetros, y
(c) el rodamiento montado en el torno junto al transductor. Las variaciones de carga que
se aplicó al rodamiento durante las pruebas de desgaste se detectó a través del arreglo de
transductores variaciones de voltaje.
Cuando se aplicó la carga al rodamiento con la prensa hidráulica se originó una
deflexión en la flecha que sostiene el rodamiento lo que provocó un desbalanceo que
afectaba la medición de los parámetros; La fotografía 4.7 muestra el dispositivo para
evitar la deflexión del eje y eliminar el desbalanceo que se presentaba, el cual consta de
una base de ángulo de acero (a), donde van montados dos rodamientos (b) sobre dos
flechas de acero inoxidable macizas (c).
(a)
(b)(c)
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(a)
(b)
(c)
Fotografía 4.6 Transductor y rodamiento.
Fotografía 4.7 Soporte de flecha.
Después dela instalación y caracterización del transductor de carga, se procedió a la
realización de las pruebas las cuales se presentan en el siguiente capítulo.
(a)
(b) (c)
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REFERENCIAS
[1] ROBLES SOLIS JOSE MANUEL, “Diseño y Construcción de un Dispositivo para
el Recubrimiento de Superficies Curvas por Fricción Seca”., (Maestría en Ciencias en
Ingeniería Mecánica, Cuernavaca Morelos,: Centro Nacional de Investigación y
Desarrollo Tecnológico, 2000).
[2] Catalogo General 4000/II SP SKF, 1997.
[3] Manual de operación, Prensa Hidráulica para banco, Modelo PH-12T.
[4] SÁNCHEZ SALGADO JOSÉ ALBERTO,“Aplicación de la extensómetria eléctrica
en el diseño de dispositivos para la medición de fuerza y presión”,(Maestría en
Ciencias en Ingeniería Mecánica, Cuernavaca Morelos,: Centro Nacional de
Investigación y desarrollo Tecnológico, 1998).
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CAPÍTULO V DEPOSICIÓN Y PRUEBAS DE DESGASTE
5.1 INTRODUCCIÓN
Con base, en el método descrito en López M [1], se establecen los parámetros de
deposición de diamante sintético sobre las pistas internas de los rodamiento a través de
los cálculos teóricos del proceso de triboadhesión. Establecidos estos valores, se evaluó
la resistencia al desgaste en cada uno de los rodamientos. Por otro lado, en una prueba
de resistencia al desgaste, se tiene que medir la fuerza normal y la fuerza cortante que
actúan en la superficie en contacto, relacionadas por medio del coeficiente de fricción,
las gráficas que se presentan en dicho capítulo presentan esta relación [6].
5.2 SELECCIÓN DE LOS PARÁMETROS DE DEPOSICIÓN
5.2.1 Tipo de recubrimiento
Los recubrimientos han permitido que materiales convencionales como el acero puedan
ser utilizados de manera eficiente para incrementar el tiempo de vida útil de la pieza o
elemento mecánico recubierto. El tipo de recubrimiento depende en gran medida de las
propiedades superficiales que se deseen obtener, las cuales se proporcionan por el
material de aporte. Las propiedades deseada son dureza, resistencia al desgaste y
resistencia al ataque químico. En términos de su dureza, estos recubrimientos están
divididos en dos grupos: (1) recubrimientos duros, con una dureza menor que 40 GPa, y
(2) recubrimientos superduros. Entre estos se encuentran el nitruro de boro cúbico (c-
BN), muy escaso, y el diamante.
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5.2.2 Material base
Los rodamientos se fabrican de aceros templados y aceros cementados. Los aceros
templados contienen aproximadamente un 1% de carbono y un 1.5 % de cromo,
mientras los aceros cementados tienen un contenido de carbono de alrededor de 0.15 %.
Para el presente trabajo, el elemento a ser recubierto es un acero AISI 52100, a causa de
que este se utiliza para la construcción de rodamientos. Presenta un endurecimiento de
superficie de 58-65 HRC [2]. Sus propiedades físico-químicas se presentan en la tabla
5.1
Tabla 5.1 Propiedades físico-químicas del acero AISI 52100
5.2.3 Material de aporte
En el caso de rodamientos, el desgaste depende en gran medida del coeficiente de
fricción y la dureza; a causa de esto, el diamante es un material importante para este
propósito ya que ofrece las características requeridas para reducir la fricción e
incrementar la resistencia al desgaste. [3].
La síntesis de diamante comercial se realiza por medio de técnicas con presiones
mayores a 1e+5 atmósferas y temperaturas de 1000 ºC. En la mayoría de estás técnicas
se utiliza un líquido que contiene carbono y un metal como catalizador (Si, Ti, Nb, Ta,
W + Co) [3]. La tabla 5.2 muestra las principales propiedades del polvo de diamante.
De trabajos anteriores [4,5 y 6], se observó que con tamaños de partículas 1-15 micras,
la formación del recubrimiento se favorece; William F. Smith [7], mencionó que el
Material AISA 52100
Condición Endurecido
Densidad (Kg/ m3) 7810
Conductividad térmica (J /m s oK) 46.6
Capacidad calorífica (J / kg oK) 475
Módulo de Young (Gpa) 193.06
Resistencia a la fluencia (GPa) 286.9
Temperatura de fusión (oK) 1426.6
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tamaño atómico tiene efecto en el fenómeno de difusión en aleaciones metálicas, a
causa de eso se seleccionó un tamaño de partícula de 2 a 10 micras.
Tabla 5.2 Propiedades del diamante Número atómico 12.0111
Densidad (g/cm3) 2.26
Gravedad especifica (N/cm3) 3.52
Punto de ebullición (ºC) 870 deg. C
Conductividad Térmica (W/mºC) 0.057
Dureza Mohs a 20ºC 10
Coeficiente de fricción 0.05 – 0.1
Además de los factores económicos referidos a gasto del material de aporte, para aplicar
un recubrimiento en una pieza mecánica, existen otros que se consideran a causa de que
depende de ellos una buena aplicación técnica entre los cuales se encuentran:
• La función técnica del sistema y los valores de trabajo de las cargas, las
velocidades y la temperatura.
• El tipo o tipos de mecanismos de desgaste, que actúan sobre las superficies
límites de los pares de fricción.
5.2.4 Determinación teórica de los parámetros para la deposición.
En los procesos de recubrimiento, aplicando la técnica de triboadhesión a superficies
curvas, se presentan los siguientes parámetros: velocidad de rotación del substrato y de
la fresa, flujo másico de polvo, fuerza ejercida entre la fresa y el substrato, así como el
tiempo de contacto entre el substrato y la fresa. Los parámetros antes mencionados están
en función tanto del material base como del material de aporte [4].
La tabla 5.3 muestra la composición en elementos del acero AISI 52100. Es un material
que a causa de su contenido de carbono, favorece la adhesión del diamante.
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
Tabla 5.3 Composición del Acero AISI 52100 Elemento C Cr Fe Total
% Peso (W) 8.52 1.52 89.96 100
% Atómico (A) 27.06 1.30 71.64 100
En la tabla 5.4 se muestran los parámetros relacionados a la fresa de deposición [4].
Tabla 5.4 Propiedades de la fresa de algodón Material Algodón
Diámetro 7 cm
Conductividad térmica 0.06 W/mºC
Densidad 80 Kg/m3
Capacidad calorífica 1300 J/KgºC
Para la determinación de los parámetros se utilizan los siguientes datos, así como las
propiedades de el material base y la fresa de algodón
Carga nominal entre la fresa y el sustrato: 0.5 N [1].
Esfuerzo de corte en la interfase (Pa): se obtienen mediante la ecuación
S = ½ σy
Dureza de indentación del más suave (Pa):
H = 3 σy
Energía de adhesión (J/m2) = 0.501
Radio mínimo de contacto (m) = 4 x 10-6m
Radio máximo de contacto (m) = 13 x 10-6m
La tabla 5.5 muestra los parámetros teóricos para el calculo de la temperatura superficial
en la deposición sobre el material a recubrir:
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
Tabla 5.5 Parámetros de recubrimiento
5.2.5 Parámetros teóricos determinados para la deposición sobre rodamientos
La gráfica 1 muestra indica, que conforme el radio de unión disminuye el coeficiente de
fricción incrementa.
Gráfica 1 Coeficiente de fricción versus radio de unión
Este comportamiento de la gráfica se manifiesta de esa manera a causa de que se
consideró una superficie ideal, con rugosidades esféricas de radio de aspereza constante.
Carga 0.3 N
0.5 N
Conductividad térmica0.06 W/mºC*
46.6 W/mºC**
Densidad 80 Kg/m3*
7810 Kg/m3**
Capacidad calorífica 1300 J/KgºC*
475 J/KgºC**
Radio de la fresa 0.035 m
Velocidad del sustrato 0.075 m/s
* Fresa ** Sustrato
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
Los factores de carga y velocidad se seleccionan de tal manera que la carga no debe
generar contacto severo sobre la superficie y la velocidad no debe producir elevadas
temperaturas que generen desgaste de material.
En la gráfica 2 se observa que en el punto (1) a una velocidad de 21000 rpm y con un
coeficiente de fricción de 1.6735e-001 se alcanza una temperatura de superficie de
1545.6 ºC para el caso de transferencia de calor por conducción. En el punto (2) a una
velocidad de 21000 rpm y un coeficiente de fricción de 0.16735e-001 considerando la
función de partición de calor se alcanza una temperatura de 1834.3 ºC.
La tabla 5.6 muestra los resultados que se obtienen donde la primer columna de
izquierda a derecha es el coeficiente de fricción y la segunda es la temperatura que se
alcanza en la superficie del material:
5.6 Temperaturas generadas por fricción. 1.6735e-001 1.8343e+003 ºC
1.6735e-001 1.5456e+003 ºC
Gráfica 2 Temperatura de fricción versus coeficiente de fricción
(1)
(2)
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
5.3 PRUEBAS DE DESGASTE Se realizaron pruebas de desgaste a cuatro rodamientos: (1) rodamiento lubricado, (2)
rodamiento sin lubricante, (3) rodamiento recubierto con diamante sintético a una carga
de 0.35 N y (4) rodamiento recubierto con diamante sintético a una carga de 0.5 N. Los
parámetros de prueba en cada uno de los rodamientos se muestran en la tabla 5.7.
La tabla 5.7 muestra los parámetros aplicados a cada uno de los rodamientos en su
respectiva prueba de desgaste.
La prueba de desgaste al primer rodamiento se le reconoce con el nombre de
“lubricado”. Este rodamiento se sujetó a una fuerza normal constante de 9564 N,
durante un tiempo de prueba el cual duro 2 horas con 44 minutos, a una velocidad de
1000 rpm. En la gráfica 3 se muestra el comportamiento que presentó el rodamiento
durante la prueba hasta el punto de ruptura. De aquí en adelante se entiende por ruptura,
como el momento en el que el daño superficial en el rodamiento es tal, que evita que
este gire libremente.
Tabla 5.7 Parámetros de prueba
Prueba Características superficiales
Fuerza normal estimada en N
Velocidad de rotación del
rodamiento en rpm
Tiempo estimado de ruptura en
hrs. 1 Lubricado 9564 1000 2.44
2 Seco 10009 1000 1.55
3 Recubrimiento 0.35 N 9657
1000 5.16
4 Recubrimiento 0.5 N 9579 1000 6.31
En la gráfica 3 el eje de las ordenadas representa el tiempo de duración de la prueba en
minutos y el eje de las abscisas representa el factor de fricción. Debe recordarse que
para propósitos de este trabajo la relación de la fuerza tangencial, entre la fuerza normal
“FT/FN”, se determina factor de fricción.
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
La curva de comportamiento del factor de fricción “Ff” de esta primera prueba inicia
con un valor de 0.01255. Después de 11 minutos el “Ff”incrementa a 0.0153
aparentemente a causa de un daño inicial en las pistas del rodamiento. A partir de este
momento el factor de fricción se mantiene casi constante durante aproximadamente 1
hora hasta de nuevo sufrir otro pequeño incremento a un valor de 0.0156, para empezar
un ascenso con una pendiente pequeña. Aproximadamente después de 1 hora de trabajo
la gráfica presenta otro incremento a un valor de 0.0169. de aquí en adelante el factor de
fricción describe una pequeña curva con una pendiente pequeña. Un poco antes del
punto de ruptura el cual ocurre, como anteriormente se menciona, 2.44 horas de iniciada
la prueba, presenta una vibración que pueden deberse a pequeñas partículas que
comienzan a incrustarse en las pistas del rodamiento la cual inicia a los 110 minutos.
Gráfica 3 Rodamiento lubricado
La gráfica 4 muestra el comportamiento de la resistencia al desgaste en el rodamiento
sin lubricante, donde la carga es de 10009 N; a una velocidad de 1000 rpm. En esta
prueba el valor del factor de fricción inicia en 0.01318 para incrementar de manera
inmediata a 0.014. La prueba que duro 1.55 horas presenta en la mayoría de la misma
vibración excesiva. El comportamiento de la gráfica toma valores del “Ff” de 0.01289
hasta valores de 0.01516. Las vibraciones se pueden deber a dos causas: (1) la rugosidad
de las superficies al retirar el lubricante (2) el aumento del juego interno entre las bolas
y las pistas a falta de una capa delgada de lubricante. Los últimos 55 minutos de la
prueba se presentan con un comportamiento estable hasta el minuto 103 donde se
Prueba 1
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.05
5.18
10.3
2
15.4
5
20.5
8
25.7
1
30.8
4
35.9
7
41.1
0
46.2
3
51.3
7
56.5
0
61.6
3
66.7
6
71.8
9
77.0
2
82.1
5
87.2
9
92.4
2
97.5
5
102.
68
107.
81
112.
94
118.
07
123.
20
128.
34
133.
47
138.
60
143.
73
148.
86
153.
99
159.
12
Tiempo (min)
Fact
or d
e fr
icci
ón
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
observa que si la pendiente no aumenta como la prueba 1, si lo hace de manera gradual
y constante. Como resultado final se presenta un tiempo de prueba menor en un 57%.
Prueba 2
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
0.04
3.29
6.54 9.
8
13.1
16.3
19.6
22.8
26.1
29.3
32.6
35.8
39.1
42.3
45.6
48.8
52.1
55.3
58.6
61.8
65.1
68.4
71.6
74.9
78.1
81.4
84.6
87.9
91.1
94.4
97.6
101
104
107
111
114
Tiempo (min)
Fact
or d
e fr
icci
ón
Gráfica 4 Rodamiento sin lubricante
En la gráfica 5 se muestra la prueba de resistencia al desgaste del primer rodamiento
recubierto con diamante por fricción seca con una carga de 0.35 N. Los parámetros de
prueba fueron de 9657 N a una velocidad de 1000 rpm. Se observa en la gráfica que al
inicio de la prueba el “Ff” toma un valor de 0.01340. La gráfica 5 muestra una
pendiente de incremento suave que describe la curva durante casi toda la prueba, hasta
que se presenta el punto de ruptura; en ella se observan pequeños picos los cuales se
pueden deber a la rugosidad al contacto de las dos superficies. La curva presenta tres
puntos en los cuales el factor de fricción disminuye para continuar con el suave
incremento de la pendiente. El primer punto se presenta al minuto 2.29, más adelante en
el minuto 100 hay otra disminución y finalmente la tercera al minuto 175.3. El
rodamiento llega al punto de ruptura a los 310 minutos. Se observa de la gráfica que del
minuto 302 al final de la prueba la curva presenta un ascenso casi perpendicular al
comportamiento de casi toda la prueba. La prueba duro 5.16 horas y al comparar con la
primera prueba se presenta un mayor tiempo de prueba o mejor resistencia al desgaste
en un 111% y respecto al rodamiento con superficie sin lubricante de 232%.
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
Gráfica 5 Recubierto 0.35 N
La gráfica 6 muestra al segundo rodamiento recubierto por fricción seca con diamante
sintético, a este, se le aplicó una carga a la fresa al momento de recubrir el rodamiento
de 0.5 N.
Esta prueba se realizó con una fuerza normal de 9579 N, a una velocidad de 1000 rpm.
A diferencia de las gráficas anteriores, este rodamiento presenta el menor valor al inicio
de la prueba de desgaste del factor de fricción, el cual fue de 0.01085, la gráfica
mantiene una pendiente suave durante casi toda la prueba, se observa además como los
valores no son mayores a 0.0129. En el minuto 283 los valores crecen con una mayor
rapidez y la pendiente es más notoria, se supone que el desgaste se empieza a presentar
en las pistas; para el minuto 388 el punto de ruptura se presenta para finalizar la prueba
en el minuto 391 con un factor de fricción de 0.02873. Este rodamiento presenta un
tiempo de prueba de 158% mayor que el primer caso, un 307% mayor que el segundo y
un 22.2% mayor que el tercer caso.
Prueba 3
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.08
10.1
20.1
30.2
40.2
50.2
60.3
70.3
80.3
90.4
100
110
120
131
141
151
161
171
181
191
201
211
221
231
241
251
261
271
281
291
301
311
Tiempo (min)
Fact
or d
e fr
icci
ón
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
Prueba 4
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.0350.
09
11.9
5
23.8
2
35.6
9
47.5
6
59.4
2
71.2
9
83.1
6
95.0
3
106.
90
118.
76
130.
63
142.
50
154.
37
166.
23
178.
10
189.
97
201.
84
213.
71
225.
57
237.
44
249.
31
261.
18
273.
04
284.
91
296.
78
308.
65
320.
52
332.
38
344.
25
356.
12
367.
99
379.
85
Tiempo (min)
Fact
or d
e fr
icci
ón
Gráfica 6 Recubierto 0.5 N
La gráfica 6 muestra una estabilidad en toda la prueba, lo que se puede entender como
una resistencia al desgaste uniforme en toda la pista del rodamiento, para después
presentar un punto de ruptura casi inmediato y un aumento en el factor de fricción. Las
temperaturas que se determinan con la condición de transferencia de calor por
conducción, exceden la temperatura de fusión del material, de lo cual se concluye que:
las elevadas temperaturas son causadas por la carga, lo que se manifiesta en una
aplicación del diamante más uniforme y de mejor calidad que el rodamiento anterior [1].
El comportamiento del rodamiento recubierto con diamante sintético con una aplicación
de carga de la fresa de 0.35 N con respecto al recubierto con una carga de 0.5 N,
presenta un menor porcentaje en la duración de la prueba. De investigaciones
anteriores[1], se concluye que la causa puede ser, que la carga de la fresa en el primer
rodamiento no alcance las temperaturas optimas en la superficie del sustrato, generadas
por fricción, dando como resultado una capa de recubrimiento más delgada o menos
uniforme. Pero, comparando las dos gráficas con las gráficas de los rodamientos a los
que no se le aplico la técnica de recubrimiento, presentan un aumento en resistencia al
desgaste, conclusión a la que se llega a causa de una duración de prueba mayor.
Fricción Desgaste en Rodamientos
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Concluyendo con las pruebas experimentales, se observó que aunque se mejore la
resistencia al desgaste en más de tres veces, después de la ruptura de la capa de
deposición se genera un proceso severo de desgaste, a causa de que las partículas de
diamante poseen mayor dureza con respecto a la dureza del material.
En la tabla 5.8 se presentan la comparación de las cuatro pruebas. Tabla 5.8 Comparación de resultados
Lubricado Sin lubricante Recubierto 0.35 N Recubierto 0.5 N Lubricado X -57.4%* 111.47% 158%
Sin lubricante 57.4% X 232.9% 307% Recubierto 0.35 N -111.4%* -232.9%* X 22% Recubierto 0.5 N -158%* -307%* -22%* X Los valores positivos indican una duración mayor del rodamiento de la columna con respecto al que esta en el renglón. *Los valores negativos indican una duración menor del rodamiento de la columna con respecto al que esta en el renglón.
La tabla 5.8 muestra la comparación de los resultados de las pruebas de desgaste a
rodamientos. Se observa que, el rodamiento recubierto con una carga de 0.5 N es el que
mejor resistencia al desgaste presenta. Comparado con el rodamiento sin lubricante
presenta una resistencia de 307 % y con el rodamiento con lubricante una mejor
resistencia al desgaste en un porcentaje del 158%.
El rodamiento recubierto con una carga de 0.35 N, presenta una mejor resistencia al
desgaste en comparación tanto del rodamiento lubricado y al que se le retiro su
lubricante, pero en comparación con el otro rodamiento recubierto, presenta un
porcentaje de resistencia al desgaste menor en un 22%, se presenta en la tabla con un
numero negativo.
El rodamiento lubricado y el rodamiento sin lubricación, son los que presentan una
menor resistencia al desgaste comparados con los otros dos, aunque el lubricado
presente una duración del 57.4 % mayor del que no tiene lubricante.
Fricción Desgaste en Rodamientos
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REFERENCIAS
[1] LÓPEZ MORALES MARIO ISMAEL, “Determinación de los Parámetros para la
Deposición Uniforme de MoS2 y Fe-75Si, por el Proceso de Triboadhesión, en los
Aceros SAE 4140 y AISI 304” , (Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica,
Cuernavaca Morelos,: Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico,
2001).
[2] Catalogo General 4000/II SP SKF, 1997.
[3] Mangonon P. L., “Ciencia de los materiales”, Prentice Hall,2001.
[4] ROBLES SOLIS JOSE MANUEL, “Diseño y Construcción de un Dispositivo para
el Recubrimiento de Superficies Curvas por Fricción Seca”., (Maestría en Ciencias en
Ingeniería Mecánica, Cuernavaca Morelos,: Centro Nacional de Investigación y
Desarrollo Tecnológico, 2000).
[5] AGUILAR AGUILAR JORGE OVIDIO, “Diseño y Construcción de un Dispositivo
utilizado para Recubrir Superficies Metálicas con Óxidos Metálicos por Fricción
Seca”., (Maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica; Cuernavaca Morelos,: Centro
Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico, 1999).
[6] RAMÍREZ ANGULO BENJAMIN, 2001, “Evaluación de Resistencia al Desgaste
de Superficies Planas con Recubrimiento a Base de Fricción Seca”., (Maestría en
Ciencias en Ingeniería Mecánica, Cuernavaca Morelos,: Centro Nacional de
Investigación y Desarrollo Tecnológico, 2001).
[7] Smith W. F., , “Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de Materiales”, Mc Graw
Hill, 1993,España.
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CAPÍTULO VI
CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS.
6.1 CONCLUSIONES
• En el presente trabajo, se diseñó y construyó un dispositivo para realizar pruebas
de desgaste sobre rodamientos recubiertos con diamante por triboadhesión.
• Se depositó satisfactoriamente diamante sintético sobre las pistas de rodamientos
al aplicar la técnica de triboadhesión.
• De las pruebas de desgaste los resultados muestran que :
El rodamiento sin lubricante y sin recubrimiento, presento inestabilidad
durante casi toda la prueba y su punto de ruptura se presentó de manera
instantánea, a causa del desgaste de su superficie.
Las gráficas muestran que el rodamiento recubierto con una carga de 0.5
N presenta mayor resistencia al desgaste en un 307% con respecto al
rodamiento sin lubricante y sin recubrimiento, en un 158% con
referencia al lubricado y en 22% del recubierto con una carga de 0.35 N.
El rodamiento con una carga de recubrimiento de 0.35 N, presenta una
resistencia al desgaste mejor en un 111% con respecto al rodamiento
lubricado y en un 232% comparado con el rodamiento sin lubricante.
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• Se puede concluir, que el diamante sintético sobre las pistas de los rodamientos
aumenta la resistencia al desgaste en un rodamiento en un porcentaje
significativo. Estos resultados pueden considerar a la tecnología de
recubrimiento por triboadhesión como una tecnología útil para el incremento de
la resistencia al desgaste de elementos de máquina.
6.2 TRABAJOS FUTUROS
• Con la finalidad de conocer el comportamiento de otro tamaño de rodamiento
recubierto con diamante, diseñar un dispositivo para recubrir rodamientos de
diferentes dimensiones.
• Realizar recubrimientos con otros materiales para comparar la resistencia al
desgaste con diferentes recubrimientos.
• Se propone un estudio económico del impacto que puede tener el recubrimiento
de rodamientos con diamante sintético en la industria.
• Diseñar un dispositivo para el recubrimiento de las bolas de los rodamientos
para que se realicen pruebas de desgaste y se observe el comportamiento del
rodamiento.
• Rediseñar el sensor de carga del dispositivo de deposición de superficies curvas,
ya que resulto dañado.
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APÉNDICE A
A.1 Capacidad de carga y vida de los rodamientos SKF
Los rodamientos SKF presentan diferentes factores que deben ser determinados, antes
de utilizarlos en algún dispositivo mecánico [1].
El tamaño del rodamiento que va a ser utilizado para una determinada aplicación, se
selecciona inicialmente con su capacidad de carga.
Capacidad de carga estática: C0 es la carga estática a la que corresponde una fuerza de
tensión calculada en el centro de la superficie de contacto más cargada entre elementos
rodantes y caminos de rodadura de:
• 4600 MPa rodamientos de bola a rótula.
• 4200 MPa todos los demás rodamientos de bola.
• 4000 MPa todos los demás rodamientos de rodillos.
Esta tensión produce una deformación permanente total del elemento rodante y del
camino de rodadura que es aproximadamente igual a 0.0001 del diámetro del elemento
rodante.
Capacidad de carga dinámica: los valores están basados en los materiales y las técnicas
de fabricación estándar y son válidos para cargas constantes.
La vida en un rodamiento se define como el número de revoluciones (o de horas de
velocidad constantes determinadas).
El método más simple para calcular la duración de un rodamiento consiste en la
aplicación de la ecuación A.1:
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
pp
LPCó
PCL /1
1010 =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= (A.1)
L10 = vida nominal en millones de revoluciones.
C = Capacidad de carga dinámica en N.
P = Carga dinámica equivalente en N.
Cuando se calculan los componentes de las cargas de un rodamiento individual, el eje se
considera como una viga que descansa sobre soportes rígidos y no sometidos a
momentos.
Carga mínima requerida
Para que un rodamiento funcione de modo satisfactorio debe estar siempre sometido a
una carga mínima.
Una regla empírica general indica que sobre los rodamientos de rodillos se deben
imponer cargas correspondientes a 0.02 C y sobre las bolas, cargas correspondientes a
0.01 C. La importancia de someter los rodamientos se hace mayor cuando los
rodamientos están sometidos a grandes aceleraciones o cuando giran a velocidades
iguales o superiores al 75% de las velocidades nominales.
Carga rotativa constante.
Las deformaciones permanentes originadas en rodamientos puede dar lugar a
vibraciones en dichos rodamientos, así como funcionamiento ruidoso y un aumento del
rozamiento.
Carga estática equivalente.
Las cargas que tienen componente radial y axial, deben ser convertidas en una carga
estática equivalente. Esta se define como la carga (radial para rodamientos radiales y
axial para rodamientos axiales) que si se aplicase produciría la misma deformación
permanente que las cargas reales ecuación A.2.
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
ar FYFXP 000 += (A.2)
P0 = Carga estática equivalente en N.
Fr = Carga radial real en N.
Fa = Carga axial real en N.
X0 = Factor de carga radial del rodamiento.
Y0 = Factor de carga axial del rodamiento.
Carga dinámica equivalente : los rodamientos radiales con frecuencia se encuentran
sometidos a cargas radiales y axiales simultáneamente. Cuando la magnitud y la
dirección de la carga resultante son constantes, la carga dinámica equivalente se puede
obtener de la ecuación A.3.
ar YFXFP += (A.3)
P = Carga dinámica equivalente en N.
Fr = Carga radial real en N.
Fa = Carga axial real en N.
X0= Factor de carga radial del rodamiento.
Y0 = Factor de carga axial del rodamiento.
En muchos casos la carga en un rodamiento puede fluctuar, y para calcular la carga
equivalente debe determinarse una carga media constante Fm.
Cuando la carga fluctuante se compone de diferentes fuerzas constantes durante cierto
número de revoluciones, pero con magnitud diferente entre si, la carga fluctuante se
puede resolver en varias cargas individuales.
Rozamiento: es el factor determinante en lo concerniente a la generación de calor en el
rodamiento y por consiguiente, de el depende la temperatura de funcionamiento. El
rozamiento depende de la carga y de otros factores entre los cuales lo más importante
son el tipo y tamaño de rodamiento, la velocidad de rotación y la cantidad y propiedades
del lubricante.
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
En la resistencia total a la rotación de un rodamiento se compone del rozamiento
originado en la rodadura y en el deslizamiento en los propios contactos de rodadura, del
rozamiento en la áreas de contacto de elementos rodantes y de la jaula donde van los
elementos rodantes, y en la superficie de guiado para los elementos rodantes o la jaula.
Bajo ciertas condiciones de carga sobre el rodamiento, P ≈ 0.1 C, lubricación adecuada,
condiciones de funcionamiento normales, es posible calcular la resistencia de
rozamiento con suficiente aproximación, usando un cierto coeficiente de rozamiento en
la ecuación A.4.
FdM μ5.0= (A.4)
El par de rozamiento total de un rodamiento se obtiene sumando el par de rozamiento
M0 que es independiente de la carga aplicada sobre el rodamiento, con el par de
rozamiento M1 que sí depende de la carga, ecuación A.5.
10 MMM += (A.5)
El par de rozamiento M0 no depende de la carga aplicada sobre el rodamiento, sino de
las pérdidas hidrodinámicas originadas en el lubricante, la viscosidad y la cantidad de
lubricante usado, así como de la velocidad de rotación. Es el factor dominante en los
rodamientos que funcionan a altas velocidades con cargas ligeras y pueden calcularse
con la ecuación A.6
( ) 33/20
70 10 dmnfM η−= (A.6)
si ηn ≥ 2000, o por la ecuación A.7
M = Par de rozamiento en N*mm
μ = Coeficiente de rozamiento del rodamiento.
F = Carga aplicada sobre el rodamiento en N.
d = Diámetro del agujero del rodamiento en mm..
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
30
70 10160 dmfxM −= (A.7)
cuando ηn < 2000
M0 = Par independiente de la carga en N*mm.
dm = Diámetro medio del rodamiento, 0.5.(D + d) en mm
f0 = Coeficiente que depende del tipo de rodamiento y su lubricación.
n = Velocidad del rodamiento en rpm.
η = Viscosidad cinemática del aceite en mm2/s.
Par de rozamiento M1 que depende de la carga aplicada sobre el rodamiento, es el
predominante para bajas velocidades y elevadas cargas, y proviene de las deformaciones
elásticas y deslizamientos parciales en los contactos, el valor M1 se obtiene de la
ecuación A.8.
( ) ba dmPfM 111 = (A.8)
M1 = Par que depende de la carga en N*mm
f1 = Coeficiente que depende del tipo de rodamiento y la carga aplicada.
P1 = Carga sobre el rodamiento que determina el par de rozamiento en N.
dm = Diámetro medio del rodamiento 0.5 (D + d)
Fricción Desgaste en Rodamientos
Cenidet
REFERENCIAS
[1] Catalogo General 4000/II SP SKF, 1997.
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APÉNDICE B
B.1 Diseño y calibración de la celda de carga.
La necesidad de analizar pequeñas deformaciones que sufre el rodamiento al aplicar la
carga, deja la tarea de diseñar la celda de carga o transductor, a el cual desde ahora se
referirá a el con ese nombre, para observar los cambios que sufre el rodamiento
mientras es aplicada una carga normal durante su funcionamiento.
B.1.1 Características a considerar en el diseño
Protección de sobrecarga: como regla general tiene que ser diseñado para resistir un
mínimo de sobrecarga del 50% [1].
Geometría : se utilizara un sensor tipo viga, el cual ha llegado a ser uno de los más
usadas en transductores, esto se debe a que presenta una sección transversal simétrica.
Hay siempre dos superficies sujetas a deformación de valor numérico igual pero de
signo contrario, esto ofrece una medida conveniente para implementar un circuito de
puente completo instalando parejas de extensómetros en las caras opuestas.
Material: la forma física del elemento flexible se diseña para que en lugar donde se
adhieran los extensómetros, la deformación sea lo suficientemente alta
(aproximadamente entre 1000 y 1700 με) y a la vez uniforme; los niveles de esfuerzo y
deformación tienen que ser lo más bajo posibles en todo el elemento excepto en la
localización de los extensómetros. Las propiedades a considerar son mecánicas,
térmicas y consideraciones de manufactura.
El material a seleccionar esta directamente relacionado con la fuerza máxima que se
aplica, la cual es aproximadamente 10000 N. El diámetro del transductor se eligió de
acuerdo al tamaño de la pista del rodamiento a utilizarse para las pruebas [2],
aproximadamente 14.4 mm.
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Cuando dos cuerpos que tienen superficies plana y curva se presionan uno contra otro,
el contacto en un punto o línea se transforma en contacto de área [3], debido a esto
consideramos que la punta del transductor será plana para que este fenómeno se
presente.
De trabajos anteriores [4], es recomendable que no se utilice acero, a causa de que se
manejan corrientes eléctricas las cuales generan campos magnéticos que inducen ruido e
interfieren con una medición precisa, así de esta manera se utiliza un material que no
presente este tipo de problema, y uno de ellos podría ser el aluminio.
Se considera un aluminio 6061-T6, el cual cuenta con las siguientes propiedades de
acuerdo con la tabla B.1.
Tabla B.1 Propiedades del aluminio. Aluminio 6061-T6
E = 70 GPa
ν = 0.33
σflu = 248 MPa
σult = 279 MPa
B.1.2 Cálculo del transductor.
Considerando que debido a su longitud el transductor no sufrirá pandeo alguno, el grado
de alargamiento o reducción de área se le llama deformación, el cual se puede calcular
por la ecuación B.1
L/δε = (B.1)
la deformación total de una barra, cargada axialmente a tensión o a compresión estará
determinada por la ecuación B.2.
AEFL
=δ (B.2)
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considerando que σt = σc
donde σt es el esfuerzo de tensión y σc es el esfuerzo de compresión.
y sustituyendo B.2 en B.1 tenemos la ecuación B.3:
EF
AEF
LAEFL
2
41πφ
ε ==⎟⎠⎞
⎜⎝⎛⎟⎠⎞
⎜⎝⎛= (B.3)
considerando un factor de protección del 50%, como se menciono anteriormente y para
un diámetro φ = 14.4 mm y donde:
εσ Eflu = (B.4)
sustituyendo tenemos
))(())(4(
2φπσ pFf
flu = (B.5)
)0144.0)(1416.3()5.1)(26000)(4(2=fluσ
σflu = 239.469 MPa
se observa que este valor esta por abajo del valor de el σflu del aluminio y de esta
manera el material cumple con el principal requisito para el diseño del transductor.
La conexión entre los extensómetros se realiza en puente de Wheatstone completo
figura B.1.
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Figura B.1 Configuración de los extensómetros.
La relación entre la deformación y sensibilidad del transductor se da por la ecuación B.6
en donde los subíndices 1,2,3 y 4 indican el número de extensómetro.
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ Δ−
Δ+
Δ−
Δ=
Δ
4
4
3
3
2
2
1
1
41
RR
RR
RR
RR
VE (B.6)
Donde:
24
4
2
21
3
3
1
1 ; εε gg SRR
RRS
RR
RR
=Δ
=Δ
=Δ
=Δ (B.7)
el factor de extensómetria (Sg) se considera, para diseños teóricos de 2.
Sustituyendo B.7 en B.6 se obtienen los valores para la sensibilidad del transductor
( )212141 εεεε SgSgSgSg
VE
−+−=Δ (B.8)
Ve
C
CT
T
Vo
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( )21 2241 εε SgSg
VE
−=Δ (B.9)
ε1 es igual que ε2 pero de signo contrario.
310−=Δ xSVE
gε (B.10)
Donde ε esta dado en microdeformaciones.
La sensibilidad que se maneja fue de 4.6 mV/V
VmV
VE 6.4=
Δ (B.11)
de la ecuación B.10 se obtiene el valor de ε = 2300 μm/m
σflu = 236.49 MPa
φ = 14.44 mm
F = 10000 N
Se tiene la ecuación B.12
FL
32
3σπφ= (B.12)
Sustituyendo se tiene:
L = 6.99 x10-3 m
La cual es la longitud del transductor.
En la figura B.2 se muestra la conexión eléctrica de los extensómetros y en la parte
derecha se muestran ya instalados.
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Figura B.2 Conexión eléctrica de los extensómetros.
En la tabla B.2 se muestra que tipo de señal sale o entra de los extensómetros. J: Señal positiva de entrada
K: Excitación negativa
L: Excitación positiva
A: Señal negativa de entrada
B.1.3 Calibración del transductor.
Aplicándole pesos conocidos una vez que se han pegado los extensómetros, se lleva
acabo el método conocido como calibración estático, de esta manera se conocerá la
relación que existe entre el peso con la señal detectada.
La máquina universal para la aplicación de pesos conocidos que de acuerdo con la
norma ISA-S37.8, el estándar de calibración tiene que poseer una exactitud de al menos
LJ
C T
KA
C T
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0.1%, junto con el adquisidor de datos “National Instruments” se desarrollo la etapa de
calibración del transductor.
Tabla B.3 datos de calibración del transductor. AC DEC AC DEC AC DEC AC DEC AC DEC PROMEDIO 1000 N 0.13916 0.13916 0.13916 0.13916 0.13916 0.13916 0.13916 0.13916 0.13916 0.13916 0.139162000 N 0.14097 0.14648 0.14282 0.14526 0.14404 0.14404 0.14404 0.14282 0.14526 0.14160 0.14374 3000 N 0.15015 0.15381 0.14893 0.15381 0.15259 0.15259 0.15259 0.15259 0.15015 0.15009 0.15173 4000 N 0.16113 0.16113 0.15991 0.16113 0.15869 0.15869 0.15747 0.15869 0.15706 0.15763 0.15915 5000 N 0.16479 0.16846 0.16479 0.16846 0.16602 0.16724 0.16724 0.16602 0.16724 0.16602 0.16663 6000 N 0.17030 0.17578 0.17130 0.17578 0.17114 0.17456 0.17334 0.17456 0.17456 0.17212 0.17334 7000 N 0.17960 0.18311 0.18066 0.18188 0.18188 0.18188 0.18311 0.18188 0.18311 0.17951 0.18166 8000 N 0.18519 0.18677 0.18591 0.18645 0.18555 0.18555 0.18755 0.18433 0.18755 0.18433 0.18592 9000 N 0.19268 0.19531 0.19287 0.19409 0.19409 0.19409 0.19409 0.19343 0.19409 0.19343 0.19382
10000 N 0.20000 0.20386 0.20142 0.20386 0.20264 0.20264 0.20264 0.20264 0.20386 0.20264 0.20262 11000 N 0.20868 0.21118 0.20874 0.21118 0.20996 0.21118 0.20996 0.20996 0.20996 0.20996 0.21008 12000 N 0.21479 0.21851 0.21729 0.21851 0.21851 0.21729 0.21851 0.21729 0.21851 0.21729 0.21765 13000 N 0.22200 0.22583 0.22251 0.22583 0.22461 0.22461 0.22583 0.22251 0.22583 0.22251 0.22421 14000 N 0.23071 0.23315 0.23071 0.22949 0.23193 0.22949 0.23193 0.22827 0.23315 0.22827 0.23071 15000 N 0.23693 0.24048 0.23804 0.23926 0.23926 0.23926 0.24048 0.23804 0.24048 0.23560 0.23878 16000 N 0.24456 0.24780 0.24658 0.24658 0.24780 0.24658 0.24780 0.24456 0.24780 0.24456 0.24646 17000 N 0.24907 0.25391 0.25087 0.25146 0.25391 0.24989 0.25024 0.24907 0.25024 0.24907 0.25078 18000 N 0.25269 0.25391 0.25269 0.25391 0.25269 0.25391 0.25391 0.25391 0.25391 0.25269 0.25342 19000 N 0.26367 0.26733 0.26489 0.26733 0.26611 0.26611 0.26733 0.26611 0.26733 0.26611 0.26624 20000 N 0.27245 0.27588 0.27312 0.27588 0.27466 0.27312 0.27466 0.27312 0.27466 0.27312 0.27406 21000 N 0.27832 0.28320 0.28076 0.28320 0.28198 0.28198 0.28320 0.28076 0.28320 0.28076 0.28174 22000 N 0.28672 0.29175 0.28931 0.29053 0.29053 0.28931 0.29175 0.28461 0.29175 0.28461 0.28908 23000 N 0.29663 0.29785 0.29663 0.29785 0.29663 0.29785 0.29785 0.29663 0.29785 0.29663 0.29724 24000 N 0.30141 0.31128 0.30141 0.30518 0.30396 0.30396 0.30518 0.30396 0.30518 0.30141 0.30429 25000 N 0.30884 0.31128 0.31006 0.31128 0.31006 0.31128 0.31006 0.31006 0.31128 0.31006 0.31042 26000 N 0.31616 0.31860 0.31738 0.31860 0.31738 0.31860 0.31860 0.31738 0.31860 0.31616 0.31775 * AC = Ascendente **Dec = Descendente
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Transductor y = 0.0072x + 0.1371R2 = 0.9991
0.00000
0.05000
0.10000
0.15000
0.20000
0.25000
0.30000
0.35000
0.00000 5.00000 10.00000 15.00000 20.00000 25.00000 30.00000
Fuerza (N)
Volta
je (m
V)
PromedioLineal (Promedio)
Gráfica B.1 Curva de calibración del transductor.
La tabla B.3 muestra los datos finales de calibración que se obtuvieron y la gráfica B.1
muestra la linealidad que presento el transductor.
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REFERENCIAS
[1] Measurement Group, 1988, “Strain Gage Based Transducer Their Design and
Construction”, Raleigh, North Carolina, U.S.A., pp 8-15.
[2] Catalogo General 4000/II SP SKF, 1997.
[3] T. A. Harris. “Rolling Bearing Analysis”. (3rd rev. ed.; John Wiley and Sons,
©1991).
[4] SÁNCHEZ SALGADO JOSÉ ALBERTO,“Aplicación de la extensómetria eléctrica
en el diseño de dispositivos para la medición de fuerza y presión”,(Maestría en
Ciencias en Ingeniería Mecánica, Cuernavaca Morelos,: Centro Nacional de
Investigación y desarrollo Tecnológico, 1998).