desarrollo de un prototipo tribologico funcional …
TRANSCRIPT
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLOGICO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR
FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD
EN INGENIERÍA MECÁNICA
P R E S E N T A:
ING. MANUEL ALEJANDRO HERRERA GURRUTIA
DIRECTOR DR. MANUEL VITE TORRES
ii
DEDICATORIAS
A mi Madre Sra. Carmen Gurrutia Canales
Con todo mi amor y respeto a ella dedico este trabajo y cada uno de los momentos que viví
desde su concepción; por todas sus enseñanzas, apoyo y gran espíritu de lucha. Eres mi
ejemplo para la vida.
A mis Hermanos Carmen
Ignacio
Por el gran apoyo incondicional que de ellos recibí.
A mis Tíos Esther
Graciela
Braulio
Joaquín (q.e.p.d.)
Por su invaluable apoyo humano y material; y por permitirme compartir juntos momentos
de distracción y alegría.
A mis Primos Graciela
Lorena
Braulio
Por creer en mi y el apoyo moral que de ellos recibí.
A mi Novia Beatriz Zumarraga González
Mi eterna gratitud por sus palabras de aliento y el gran apoyo que me brindo, así como por
su constante preocupación durante la realización de mis estudios de Posgrado. Te amo.
iii
AGRADECIMIENTOS
A la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación del ESIME- IPN, por la formación
profesional que me brindo.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), por el apoyo brindado.
A mi Director de Tesis
Dr. Manuel Vite Torres
Por haber creído en mi y en la trascendencia de este trabajo, por su calidad humana, ética y
moral, por el invaluable apoyo que de el recibí.
Al Dr. Ricardo Dommarco
Por el apoyo y conocimientos brindados para la realización de este trabajo, por su
hospitalidad y sencillez, muchas gracias.
A todos mis maestros de la Sección de Graduados, por haber colaborado en mi formación
profesional. Por su amistad y confianza.
A mis compañeros de Posgrado. Gracias por su amistad y apoyo.
Gracias
iv
ÍNDICE IV
RESUMEN VIII
ABSTRACT IX
INTRODUCCIÓN XI
ANTECEDENTES XV
OBJETIVOS XVI
JUSTIFICACIÓN XVII
ÍNDICE DE FIGURAS XVIII
ÍNDICE DE TABLAS XXI
SIMBOLOGÍA XXII
GLOSARIO XXVI
CAPÍTULO I
FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA.
1.1 IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA
1.2 DESARROLLO HISTÓRICO DE LA TRIBOLOGÍA.
1.3 APLICACIÓN DE LA TRIBOLOGÍA
1.4 LA TRIBOLOGÍA EN LA INDUSTRIA
1.4.1. RODAMIENTOS EN LA INDUSTRIA
1.5 EL DISEÑADOR DE EQUIPO TRIBOLÓGICO
1.5.1 EL USUARIO DEL EQUIPO
2
5
11
12
13
14
17
CAPÍTULO II
2. FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE.
2.1 CONTACTO MECÁNICO
2.1.1 TENSIONES DE CONTACTO DE HERTZ
2.1.2 SUPERFICIES DE CONTACTO
2.1.2.1 SUPERFICIES CONFÓRMALES
2.1.2.2 SUPERFICIES NO CONFÓRMALES
2.1.3 TIPOS DE CONTACTO
21
21
21
21
22
23
v
2.1.3.1 CONTACTO IDEAL
2.1.3.2 CONTACTO NO IDEAL
2.2 FRICCIÓN
2.2.1 DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO DE FRICCIÓN
2.2.1.1 FRICCIÓN ABRASIVA
2.3 DESGASTE
2.3.1 MECANISMOS DE DESGASTE
2.3.2 DESGASTE POR FATIGA
2.3.2.1 DESGASTE POR FATIGA DE LOS RODAMIENTOS
23
29
31
31
33
36
36
38
40
CAPÍTULO III
3. LUBRICACIÓN.
3.1 LUBRICACIÓN
3.1.1 LUBRICANTES
3.1.2 LUBRICANTES LÍQUIDOS
3.1.3 LUBRICANTES SÓLIDOS
3.1.4 ACEITES DE ORIGEN VEGETAL Y ANIMAL.
3.1.5 GRASAS
3.1.6 LUBRICACIÓN DE EQUIPO ESPECÍFICO
3.2 REGÍMENES DE LUBRICACIÓN
3.2.1 LUBRICACIÓN HIDROSTÁTICA
3.2.2 LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA
3.2.3 LUBRICACIÓN ELASTOHIDRODINÁMICA
3.2.3.1 EFECTOS QUE CONTRIBUYEN A LA GENERACIÓN DE PELÍCULAS -
ELASTOHIDRODINÁMICA
3.2.3.2 ESPESOR DE LA PELÍCULA ELASTOHIDRODINÁMICA
43
43
44
45
46
46
47
49
51
52
54
56
59
CAPÍTULO IV
4. DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE
ENSAYO. 4.1 MECANISMOS DE FALLA EN FATIGA DE CONTACTO POR RODADURA.
4.1.1 MODOS DE FALLA EN FATIGA DE CONTACTO POR RODADURA
4.2 FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA A LA FCR
64
65
68
vi
4.2.1 RUGOSIDAD.
4.2.2 ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL
4.2.3 RESISTENCIA EN LA SUPERFICIE.
4.3 PREDICCIÓN DE LA VIDA Y EL MODO DE FALLA EN FCR
4.4 FALLA EN ELEMENTOS SOMETIDOS A FCR
4.5 DEFERENTES MÉTODOS DE ENSAYO DE FCR
4.6 MÁQUINAS DE ENSAYOS.
4.6.1 MÁQUINA DE ENSAYO DE CINCO-BOLAS DESARROLLADA EN LA
NASA
4.6.2 ENSAYOS EN UN PLANO SUMERGIDOS EN UN BAÑO DE ACEITE
4.6.3 APARATO PARA ENSAYOS DE MATERIALES NO METÁLICOS
4.6.4 MÁQUINA DE ENSAYOS PARA RODADURA DE CONTACTO
4.6.5 APARATO DE TRES BOLAS RODANDO DESARROLLADO POR
FEDERAL-MOGUL
4.6.6 APARATO DE ENSAYOS DE CILINDRO Y ESFERA
4.6.7 MÁQUINA DE ENSAYOS DE CILINDRO-A-CILINDRO
4.6.8 MÁQUINA DE ENSAYOS DE ANILLO CONTRA ANILLO
4.6.9 APARATO DE ENSAYO DE RODAMIENTOS MÚLTIPLE
4.6.10 MÁQUINA DE ENSAYOS DE CUATRO-BOLAS RODANDO
4.6.11 MÁQUINA DE ENSAYOS DE BOLAS EN DISCO INCLINADO
68
70
71
72
75
76
80
80
81
81
82
83
84
84
86
87
87
88
CAPÍTULO V
5. DISEÑO DEL PROTOTIPO PARA EVALUAR FATIGA POR CONTACTO DE
RODADURA.
5.1 METODOLOGÍA DE DISEÑO QFD
5.1.2 IDENTIFICACIÓN DEL CLIENTE
5.1.3 DETERMINACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS Y EXPECTATIVAS DEL
CLIENTE.
5.1.4 PONDERACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE.
5.1.5 ESTUDIO COMPARATIVO CON LOS PRODUCTOS DE LA COMPETENCIA.
5.1.6 TRADUCIR LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE EN TÉRMINOS
MENSURABLES DE INGENIERÍA.
5.1.6.1 TRADUCCIÓN DE REQUERIMIENTOS QUE SE DERIVAN DE AQUELLOS
QUE NO SON DIRECTAMENTE MENSURABLES.
91
92
93
95
96
98
99
vii
5.1.7 ESTABLECER LAS METAS DE DISEÑO.
5.2 DISEÑO CONCEPTUAL
5.2.1 METODOLOGÍA DEL DISEÑO CONCEPTUAL.
5.3 DESARROLLO DE LA MÁQUINA.
5.3.1 REDISEÑO DE LA MÁQUINA ADQUIRIDA
5.3.2 LUBRICACIÓN DEL SISTEMA
5.3.2.1 LUBRICACIÓN POR BAÑO DE ACEITE O POR INMERSIÓN
5.3.2.2 SELECCIÓN DEL ACEITE
5.3.3 MECANISMOS AUXILIARES
5.4 TABLERO DE MANIOBRA Y CONTROL
100
102
103
118
120
125
127
128
129
131
CAPÍTULO VI
6. PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES.
6.1 PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO
6.1.1 DESCRIPCIÓN DE SUS COMPONENTES
6.2 PRUEBAS PREELIMINARES
6.2.1 CÁLCULO DE NÚMERO DE CICLOS DE CARGA
6.2.2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
6.2.2.1 CONTROLES PREVIOS AL ENSAYO
6.2.2.2 PROCEDIMIENTO
6.2.2.3 LLENADO DE LA HOJA DE REGISTROS
6.2.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS.
134
134
139
139
142
146
146
147
148
CONCLUSIONES 157
RECOMENDACIONES 158
TRABAJOS FUTUROS 159
REFERENCIAS 160
ANEXOS 164
viii
RESUMEN En el presente trabajo, se presenta el diseño, la fabricación y la validación
experimental de un prototipo funcional para evaluar la resistencia a la fatiga
por contacto de rodadura, el cual funciona a una velocidad aproximada de
1500 R.P.M. y con una máxima carga de 250 N.
Este prototipo fue desarrollado dentro de la línea de Investigación de
Tribología en Ingeniería Mecánica de la Sección de Estudios de Graduados e
Investigación de la ESIME-Zacatenco- IPN, con la finalidad de autoequipar
un laboratorio en esta área de investigación.
La metodología utilizada para el diseño fue la conocida como Extracción de
Tecnología junto con la de Despliegue de Funciones de Calidad (QFD), la
cual consiste en la identificación del cliente, determinar los requerimientos y
expectativas del cliente, así como la importancia relativa de los mismos,
traducir los requerimientos y expectativas en términos mensurables de
ingeniería y establecer metas de diseño.
La fabricación del equipo se realizo de la siguiente manera: a partir de la
generación de conceptos, se eligió la configuración optima para el prototipo
tribológico, y así realizar los dibujos de detalle y de conjunto para la
manufactura, considerando los materiales óptimos para cada pieza, tolerancias
geométricas y la utilización de maquinas universales para su construcción.
Para las pruebas experimentales se utilizo un sistema de sensor de vibraciones,
desarrollado en la ESIME- Zacatenco- IPN. Las probetas utilizadas fueron de
ix
60 mm de diámetro, con un espesor de 15 mm y rosca en el centro de W 5/8”,
fabricadas de acero AISI 4140 y AISI 1045 templadas.
Las ventajas y desventajas de este prototipo con respecto a uno comercial son
las siguientes:
Entre las ventajas podemos señalar el bajo costo de fabricación, de
aproximadamente $8000 pesos y tanto su manufactura como refacciones,
están estandarizadas y disponibles en el mercado mexicano.
Entre sus desventajas, esta él limite de velocidad de la maquina que es de
3200 R.P.M., así como, solo permite analizar rodamientos de tipo axial.
ABSTRACT
In the present work is presented the design, the production and the
experimental validation of a functional prototype to evaluate the resistance to
the fatigue for rolling contact (FCR), which works to high speed,
approximately 1500 r.p.m. and with a maxim load up to 250N.
this prototype was developed inside the line of Investigation of Tribology in
Mechanical Engineering of the section of Studies of Graduate and
Investigation of the ESIME-ZAC - IPN, with the purpose of self equipment a
laboratory in this investigation area.
The methodology used for the design was the acquaintance as Extraction of
Technology together with Unfolding of Functions of Quality (QFD), which
x
consists on the client identification, to determine the requirements and the
client's expectations, as well as the relative importance of the same ones, to
translate the requirements and expectations in measurable terms of
engineering and to establish design goals.
The production of the prototype carries out in the following way: starting
from the generation of concepts, the good configuration was chosen for the
tribologic prototype , and this way to carry out the detail and group drawings
for the manufacture, considering the good materials for each piece, geometric
tolerances and the use of you universal machines for its construction.
For the experimental tests, it uses a system of sensor of vibrations, developed
in the ESIME - Zacatenco - IPN. The used test tubes were of 60 mm of
diameter, with a thickness of 15 mm and it threads in the center of W 5/8",
manufactured of steel AISI 4140 and temperate AISI 1045.
The advantages and disadvantages of this prototype with regard to one
commercial they are the following ones:
Among the advantages we can point out the low cost of production, of
approximately $8000 pesos and as much their manufacture as refections, they
are standardized and available in the Mexican market.
Among their disadvantages, the limits of speed of it schemes it that it is of
3200 R.P.M., as well as, alone it allows to analyze bearings of axial type..
xi
INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo, se desarrolló un equipo para evaluar la resistencia a la
Fatiga por Contacto de Rodadura (FCR), que presenta una elevada velocidad
de ensayo, facilidad de montaje, bajo costo de ensayo, confiabilidad en la
detección de la falla, consistencia en los resultados y facilidad de operación.
Numerosos elementos mecánicos, tales como: engranajes, levas, pistas de
rodamientos en ejes o alojamientos y guías, están sometidos a este tipo de
desgaste.
El desgaste por fatiga de contacto de rodadura (FCR) se presenta entre cuerpos
que tienen entre si un movimiento de rodadura con o sin deslizamiento. Esto
produce, sobre un punto cualquiera del camino de rodadura, la aplicación de
cargas variables en el tiempo que conducen a la nucleación y propagación por
fatiga de pequeñas fisuras.
En general la falla por fatiga de contacto de rodadura FCR, se presenta en
forma repentina y resulta muy dificil localizarla durante la etapa de nucleación
o crecimiento. Se manifiesta una vez que el proceso ha avanzado,
produciendo el desprendimiento de material y dejando microcavidades en la
superficie de rodadura conocidas como picaduras o astillamientos (pits o
spalls).
A su vez, el fenómeno de desgaste por FCR presenta aspectos pocos claros en
los mecanismos de falla involucrados. El avance tecnológico producido en las
ultimas décadas, tanto en la fabricación de aceros, como en la solicitación
xii
impuesta a los equipos mecánicos, modifico el modo de falla, pasando a de ser
preferentemente sub-superficial a preferentemente superficial. Por lo tanto, los
conocimientos adquiridos previamente en la prevención de la falla, ya no son
aplicables y resulta necesario un exhaustivo estudio del mecanismo de falla
actuante a fin de trabajar sobre sus causas.
Las autoridades en la materia no han llegado a un completo acuerdo en lo que
respecta al mecanismo exacto de esta falla. Sin embargo, todos convienen en
que los esfuerzos de contacto de Hertz, el número de ciclos de carga, el
acabado superficial, dureza, la lubricación y la temperatura, influyen
significativamente en la resistencia.
Cuando dos superficies presionan una contra otra, se desarrolla un esfuerzo
cortante máximo por debajo de la superficie de contacto. La mayoría de los
autores convienen en postular que este esfuerzo origina una falla por fatiga en
la superficie, para luego propagarse rápidamente a toda ella. Por la presión, el
lubricante entra después en la fisura que se ha formado y, finalmente llega a
desprender partículas flojas, actuando con efecto de cuña. La fisura, se
desarrolla en un punto de discontinuidad del material. Una vez que se inicia, el
efecto de concentración del esfuerzo se hace mayor, extendiéndose más
rápido. Como el área esforzada disminuye de tamaño, el esfuerzo aumenta en
magnitud, hasta que el área restante, finalmente falla de repente.
Con frecuencia se deben resolver problemas en los que dos elementos de
máquina trabajan en contacto entre sí por rodamiento, deslizamiento o una
combinación de contacto rodante y deslizante sujetos a cargas cíclicas,
xiii
produciéndose entre los mismos desgaste por FCR, la misma es causa
frecuente de falla en elementos tales como:
• dientes de engranaje
• contacto rueda/riel
• sistema leva/seguidor
En el primer capítulo, se presenta una recopilación del desarrollo de la
tribología, desde sus primeros inicios, hasta la época actual. Se menciona
también la importancia de esta ciencia en la industria y los efectos de ésta en
los rodamientos.
En el capítulo dos, se presenta un desglose de los fenómenos tribológicos de la
fricción y el desgaste, estudiando el comportamiento y la naturaleza de los
mismos.
En el capítulo tres, se explica detalladamente el concepto y comportamiento
de un lubricante, así como los diferentes tipos de lubricantes que existen en el
mercado, los regímenes de lubricación a los que pueden someterse, así como
las principales ecuaciones que establecen su comportamiento de fluidez y
análisis de películas lubricantes.
En el capítulo cuatro, se detalla el comportamiento y la naturaleza del
fenómeno de desgaste por fatiga por contacto de rodadura, así como los
diferentes equipos que existen para evaluar dicho fenómeno.
xiv
En el capitulo cinco, se explica la metodología de diseño empleada en el
desarrollo del prototipo. Para ello, se utilizó las técnicas de extracción de
tecnología y (QFD); éstas, abarcan desde el planteamiento del problema, el
diseño conceptual, el diseño de detalle hasta los dibujos de taller.
En el capitulo seis, se presenta el prototipo tribológico que se construyó para
medir FCR que se construyo, así como los resultados de las pruebas
preeliminares que se realizaron en probetas metálicas.
xv
ANTECEDENTES Hoy, cada día es más factible calcular el desgaste y los procesos para lograrlos
se tornan más económicos y fáciles, por lo que en la actualidad es una
exigencia para las máquinas y sus elementos, incrementar los métodos de
control y las medidas preventivas. El desgaste, su control y diagnóstico
forman parte de los sistemas de calidad.
Es tarea de los tribólogos garantizar la efectividad y fiabilidad del trabajo de
las máquinas, las cuales cada día tienen una mayor exigencia.
El nuevo equipo de ensayo de FCR desarrollado en el presente trabajo
permitirá realizar estudios relativos al modo de falla de dicho fenómeno,
especialmente enfocado hacia el modo superficial temprano.
Asimismo, el diseño apunta a la posibilidad de evaluar la resistencia a la FCR
de diferentes materiales con y sin tratamientos superficiales, y no de un
elemento de máquina en particular. De esta manera el nuevo equipo presenta,
para el uso planeado, importantes ventajas en lo que respecta a utilidad,
sencillez, facilidad de operación, análisis de muestra y la capacidad de
funcionar automáticamente y sin atención sobre una base de 24-h, 7 días a la
semana.
xvi
OBJETIVOS
• Diseñar y fabricar un prototipo tribológico para medir el desgaste por
fatiga por contacto de rodadura, que sea fácil de construir y a la vez
economico.
• Evaluar diferentes alternativas de diseño, así como seleccionar su
opción más apropiada; para construir, posteriormente un prototipo de
ensayo destinado a evaluar la resistencia al desgaste por el mecanismo
de Fatiga de Contacto por Rodadura.
• Seleccionar los materiales apropiados en función de sus propiedades
tribologicas para la construcción de la máquina.
• Definir y comparar los aspectos teóricos-experimentales que provocan
el desgaste por fatiga por contacto de rodadura.
• Fabricar el prototipo tribológico, utilizando procesos sencillos y
económicos.
• Calibrar el prototipo tribológico destinado a evaluar la resistencia a la
fatiga de contacto por rodadura.
xvii
JUSTIFICACIÓN El estudio de los fenómenos de fricción y desgaste pueden ser considerados
como un nuevo capítulo en el estudio de los cuerpos sólidos; estos fenómenos
son originados por el contacto de dichos cuerpos que se encuentran en
movimiento relativo, y sometidos a la acción de una carga, ocasionando la
ruptura de las capas superficiales de los mismos.
Los métodos mas comunes para mediciones de las propiedades ingenieriles de
materiales han sido establecidas por organizaciones industriales o
gubernamentales. Sin embargo, para la medición del desgaste por fatiga por
contacto de rodadura de materiales, no tiene normas establecidas. Por lo tanto,
debido a que no se cuenta con algunas que sirvan de referencia, es importante
reportar los datos obtenidos por este mecanismo tribológico, definir todos los
parámetros que intervienen en las pruebas, para que otros investigadores
puedan comparar en detalle los valores obtenidos de la experiencia de sus
ensayos. El propósito de este trabajo es diseñar y construir un prototipo para
medir la FCR económico e igual de efectivo que los equipos de medición
comerciales, que representan costos más elevados y tecnologías más
complejas.
xviii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1-1 Ciencias que apoyan a la tribología.
Figura 1-2 Tribosistema.
Figura 1-3 Equipos diseñados por Leonardo de Vinci, para medir la fuerza de
fricción.(Fuente: Leonardo de Vinci an Artrabas Book).
Figura 1.4. tribómetro.
Figura 1.5. La Tribología en la Industria.
Figura 1.6. Comportamiento Tribológico de un equipo.
Figura 2-1. Geometrías Confórmales y No Confórmales.
Figura 2-2.Geometría del contacto entre dos esferas de radios RA y RB, bajo un
esfuerzo P , generando un área de contacto circular de centro en o y radio a.
Figura 2-3. Esquema de dos esferas de radio R1 y R2 en contacto. Se observan
el área de contacto de radio a, la distribución de tensión normal al área de
contacto y la máxima tensión hertziana p0 (Ref. Johnson, 1985).
Figura 2-4. Distribución de las tensiones normales σXX, σYY ,σZZ y la tensión
de corte pulsante unidireccional τZX, debajo del punto central del área de
contacto. La tensión τZX, presenta el máximo a la distancia a/2 por debajo de
centro del área de contacto. (Ref. Johnson, 1985).
Figura 2-5. Distribución de tensiones para los casos de: rodadura pura,
deslizamiento puro y la combinación rodadura+deslizamiento (Johnson,
1985).
Figura 2-6. Modelo de deformación en la fricción abrasiva.
Figura 2-7. Aspecto característico de la falla. DR, dirección de rodadura; CR,
camino de rodadura.
xix
Figura 3-1. La variación en resistencia friccional ( expresada como el
coeficiente de fricción µ ) con el WU /η (características del rodamiento) para
un rodamiento lubricado: la curva de Stribeck.
Figura 3-2. Esquema con los 4 parámetros principales que determinan la
operación de un rodamiento hidrostático, donde Ps, presión de suministro; Pr,
presión del hueco; h0, espesor de la película; b, diámetro del orificio del
rodamiento; l, espesor del rodamiento. [ASM Handbook, Vol. 18].
Figura 3-3. Rodamientos con geometrías conformes bajo condiciones de
lubricación hidrodinámica. a) Planos opuestos, b) Rodamiento sencillo de
muñón.
Figura 4-1. Acabado superficial utilizando diferentes procedimientos
mecánicos.
Figura 4-2. Tensiones residuales introducidas por el proceso de acabado
mecánico.
Figura 4-3. Esquema de dos esferas de radio R1 y R2 en contacto. Se observan
el área de contacto de radio a, la distribución de tensión normal al área de
contacto y la máxima tensión hertziana p0 (Ref. Johnson, 1985).
Figura 4-4. Coeficiente de espesor de película lubricante y su relación con la
vida a la FCR La guía de diseño de ASME recomienda ajustar la vida de
catálogo de los rodamientos de acuerdo al factor λ esperado. La curva ASME
es el promedio de las curvas de Skurka y Tallian (Ref. Rowe, 1981).
Figura 4-5. Distintos arreglos de máquinas para ensayos de FCR.
Figura 4-6. Esquema máquina de ensayo utilizada por la NASA.
xx
Figura 4-7. Esquema máquina de Ensayos de Contactos Rodantes
Figura 4-8. Esquema máquina de Ensayos de Tres Bolas Rodando
Desarrollado por Federal Mogul.
Figura 4-9. Esquema máquina de Ensayos de Cilindros y Bolas.
Figura 4-10. Esquema máquina de Ensayos de Cilindro a Cilindro.
Figura 4-11. Esquema máquina de Ensayos de Anillo contra Anillo.
Figura 4-12. Esquema máquina de ensayo de cuatro bolas rodando.
Figura 4-13. Esquema máquina de Ensayos de Bolas en Disco Inclinado.
Figura 5-1. Metodología del diseño conceptual.
Figura 5-2. Esquema del entorno y los limites del sistema
Figura 5-3. Diagrama de funciones para producir el desgaste por fatiga de
contacto de rodadura.
Figura 5-4 (a),(b),(c),(d),(e),(f),(g). Funciones complementarias.
Figura 5-5. Probeta utilizada para los ensayos
Figura 5-6. Fotografía de un defecto artificial HRC (DA HRC) observándose
la forma de casquete esférico.
Figura 5-7. Fotografía de un equipo FCR.
Figura 6.1 Dibujo de concepto de máquina de FCR
Figura 6-2. Componentes de la máquina de FCR.
Figura 6-3. Conjunto Probeta- Rodamiento.
Figura 6-4. Tablero de control.
Figura 6-5. Equipo esquemático para el calculo de la velocidad de rotación.
Figura 6-6. Esquema parcial de la máquina de ensayo.
Figura 6-7. Representación del rodamiento y la probeta en contacto.
Figura 6-8. Probetas antes y después de cada ensayo de FCR.
xxi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3-1. Clasificación de viscosidades de aceites industriales ISO 3448-
1975 (E).
Tabla 5-1. Ponderación de los requerimientos deseables del cliente.
Tabla 5-2. Traducción de los requerimientos del cliente en términos
mensurables.
Tabla 5-4. Generación de conceptos.
Tabla 5-5. Evaluación por factibilidad de conceptos.
Tabla 5-6. Evaluación por Disponibilidad Tecnológica
Tabla 5-7. Resultados de la evaluación de conceptos.
Tabla 5-8. Cantidad de bolas vs. Tensión Hertziana máxima
Tabla 5-9. Valores típicos de análisis
Tabla 6-1. Características de los aceros usados en las pruebas.
Tabla 6-2. Resultados de las pruebas.
xxii
SIMBOLOGÍA
RA,B = radio de esferas
µ = coeficiente de fricción
op = máxima tensión hertziana
zxτ = tensión de corte unidireccional
altτ = tensión de corte ortogonal alternativa
P = carga aplicada
kk = limite elástico cinemático del material
yxz ,,σ = tensión normal
F = fuerza aplicada
W = carga normal
τ = esfuerzo tangencial de cada unión
θ = pendiente de la aspereza.
H = dureza de indentación.
P = componente del rayado.
τo = resistencia cortante superficial de la unión molecular, cuando la
presión normal es cero.
Pr = presión de contacto, en una superficie en movimiento.
αh = coeficiente de histéresis de pérdida de fricción.
β = coeficiente de la unión molecular reforzada.
ht = altura de la aspereza.
r = radio de la aspereza.
xxiii
K´ = Parámetro de la fricción.
h = espesor de la capa desgastada
L = camino de la fricción
Aa = área nominal (aparente) de contacto.
V = volumen de desgaste
Ar = área real de contacto
CR = camino de rodadura
DR = dirección de rodadura
CSt = centiStokes
°C = grados Centígrados
°F = grados Fahrenheit
Ps = presión de suministro
Pr = presión del hueco
h0 = espesor de la película
b = diámetro del orificio del rodamiento
l = espesor del rodamiento.
h = perfil de película.
hf = es constante [m].
he = es la deformación elástica combinada de los sólidos [m].
hg = es la separación debido a la geometría de los sólidos no
deformados [m].
ηp = es la viscosidad del lubricante a una presión ' p ' y a una
temperatura ' θ ' [Pa].
xxiv
η0 = es la viscosidad a la presión atmosférica y a una temperatura ' θ '
[Pa].
α = es el coeficiente de presión-viscosidad [m2/N].
Pa = pascal (kg/cm2)
HRC = dureza Rockwell
RPM = revoluciones por minuto
Hmin = espesor de película mínimo adimensional
hmin = espesor mínimo de película, [m]
rax, rbx = radio de curvatura del cuerpo a y el cuerpo b en el punto de
contacto en el plano y=0, [m]
U = parámetro de velocidad adimensional
η0 = viscosidad atmosférica, [Ns/m2]
u = velocidad superficial en la dirección x, [m/s]
ua = velocidad superficial del cuerpo a en la dirección x, [m/s]
ub = velocidad superficial del cuerpo b en la dirección x, [m/s]
E' = módulo elástico efectivo, [N/m2]
E = módulo elástico, [N/m2]
V = coeficiente de Poisson
G = parámetro de materiales adimensional
Α = coeficiente presión-viscosidad, [m2/N]
K = parámetro de elipticidad
Ra = rugosidad
λ = coeficiente de espesor de película lubricante.
1σ = rugosidad de la muestra.
2σ = rugosidad de la bola
xxv
η = viscosidad dinámica
ν = viscosidad cinemática
ρ = densidad
xxvi
GLOSARIO
Tribología. Ciencia y tecnología que estudia los sólidos que se
encuentran en contacto y movimiento relativo, así como los fenómenos
de la fricción, el desgaste, y la lubricación.
Tribosistema. Características y condiciones en que se llevan a cabo las
interacciones de las superficies de los pares mecánicos.
Contacto de Hertz. Cuando dos cuerpos que tienen superficies curvas
se presionan uno contra otro, el contacto en punto o línea se
transforma en contacto de área y la tensión desarrollada en ambos
cuerpos es tridimensional
Superficies Conformales. Son aquellas superficies cuyos centros de
curvatura están en el mismo lado de la interfase
Superficies No Conformales. Son aquellas superficies donde los
centros de curvatura están en lados opuestos de la interfase, como en
los elementos rodantes de un balero o los dientes de un engrane
Fricción Abrasiva. Es la fricción por el rayado de partículas duras a
una superficie de un material blando
Lubricación Hidrostática. Ocurre cuando la velocidad de las
superficies son insuficientes para generar una capa gruesa como ocurre
en la lubricación hidrodinámica.
Lubricación Hidrodinámica. Se presenta cuando las superficies en
deslizamiento son separadas por una película de aceite lubricante
relativamente gruesa y la carga normal es también soportada por la
xxvii
presión interna de ésta; misma que se genera hidrodinámicamente por
la acción de la velocidad de las superficies en cuestión.
Lubricación Elastohidrodinámica. Se refiere al aceite lubricante que
separa las superficies contrarias de un contacto concentrado. Se
presenta en mecanismos cuyas superficies de fricción trabajan siempre
entrelazadas y nunca llegan a separarse a la velocidad nominal de
operación.
Rugosidad. La rugosidad se encuentra generalmente representada por
el valor Ra, o rugosidad media aritmética; es la terminación de las
superficies.
QFD. Metodología empleada en el diseño del prototipo conocida como
Despliegue de Funciones de Calidad (Quality Functions Deployment).
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
1
CAPÍTULO I
FUNDAMENTOS DE
TRIBOLOGÍA
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
2
FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
1.1 IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA
La palabra tribología, se deriva del griego tribos (τριβοσ) cuyo
significado es rozamiento o fricción y logos (λογοσ) estudio o tratado.
Por ello, desde el punto de vista etimológico, se define como el estudio
o tratado de los fenómenos de la frotación o fricción. Sin embargo, a un
grupo de Científicos del Ministerio Británico de Ciencia y Educación,
encabezado por el Prof. Peter Jost, en 1966, la definieron como: “La
ciencia y tecnología que estudia los sólidos que se encuentran en
contacto y movimiento relativo, así como los fenómenos que de ello se
derivan”. En consecuencia, la fricción, el desgaste, y la lubricación son
áreas importantes en dicha ciencia [1].
Para el estudio de la tribología, ésta se ve apoyada por otras ciencias,
como se muestra en la figura 1-1.
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
3
Física
Química
Ingeniería
Ciencia de materiales(incluye la metalurgia)
Mecánica Fig. 1-1 Ciencias que apoyan a la tribología.
De esta manera, se puede apreciar la importancia que tiene cada una
de ellas, donde la ingeniería mecánica, juega un papel primordial en el
diseño y construcción de dispositivos mecánicos que simulan los
efectos ocasionados por los fenómenos antes mencionados. Por ello, la
importancia de que se difunda esta ciencia en nuestro país y sobre todo
en los centros de educación medio superior y superior, de igual forma
y quizás la más importante en el Postgrado de Ingeniería Mecánica [2].
Es necesario, estudiar tanto las características como las condiciones en
que se llevan a cabo las interacciones de las superficies de los pares
mecánicos, a este entorno, se le conoce como tribosistema, cuyos
elementos se presentan en la figura 1-2.
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
4
Pérdida de material(Tasa de desgaste)
intermedia
Cambios en la superficie(Inicio del desgaste)
Sustancia
Medio ambiente
Desgaste característico
Base
Contracuerpo
Factores combinados carga/fatigaEstructura
Fig. 1-2 Tribosistema.
1. Base: Cuerpo primario de fricción, en condición de desgaste.
2. Contracuerpo: Cuerpo secundario de fricción bajo condiciones de
desgaste.
3. Sustancia intermedia: Aceite lubricante, polvo, fibras, granos, agua,
vapor, gases, etc.
4. Medio ambiente: Es el entorno donde se encuentra el sistema; puede
estar constituido por gases y/o líquidos en diferentes condiciones
de presión; ya sean muy elevadas o al vacío; a temperaturas
extremas, etc.
Involucrando cualquier posible combinación de triboelementos, que incluyen al medio ambiente.
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
5
1.2 DESARROLLO HISTÓRICO DE LA TRIBOLOGÍA.
Desde la época de los egipcios ya se tenía un antecedente de la
tribología, ya que ellos, utilizaron trineos o bases de madera que se
deslizaban sobre rodillos cubiertos de grasa de origen animal.
Otra anécdota importante durante esa época, fueron los estudios
realizados a un carruaje, que se encontraba en una tumba egipcia,
donde se observó, que en los ejes de sus ruedas, contenía un lubricante;
pegajoso y ligeramente aceitoso, con un punto de fusión cercano a los
49.5 °C. Posteriormente, los resultados obtenidos de un nuevo análisis,
determinan que la grasa utilizada para dicho eje era de carnero [3]. Al
paso del tiempo, el hombre ha convivido con los fenómenos de fricción
desgaste y lubricación. Adoptando como ejemplo, una de las primeras
aplicaciones durante el periodo paleolítico, la fabricación de
herramientas rudimentarias, como fueron los taladros hechos con
piedra, cuerno o hueso, utilizados para producir fuego o barrenar. Las
tablas halladas en Sumeria, con una antigüedad de aproximadamente
3500 a. C., donde documentan el uso de la rueda en vehículos,
apareciendo con ello, las primeras chumaceras. Asimismo, se han
encontrado instrumentos, como los tornos de alfareros, que se
remontan del año 2000 a. C., en los que se emplearon cojinetes de
piedra pulida. Todo esto indica, que la aplicación de la tribología se
desarrolló a la par con las primeras culturas de la humanidad. [ 4 ].
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
6
A medida que fue evolucionando la civilización, varios personajes
como Leonardo de Vinci, Amontons, Desaguliers, Coulomb y Morin,
entre otros, realizaron los primeros estudios sobre el fenómeno de la
fricción que fueron los fundamentos científicos para la tribología.
Leonardo de Vinci (1452 - 1519), no tuvo predecesores en sus
investigaciones sobre la tribología; calculó el coeficiente de fricción
para muchos materiales, obteniendo como resultado que éste,
dependía de la naturaleza de los cuerpos interactuantes. Los trabajos
realizados por de Vinci dieron inicio a investigaciones de las causas de
la fricción así como la concepción de “ventaja mecánica”. Esta última,
fue introducida en la ciencia de máquinas [3], que comenzó a ejercer
gran importancia en la economía de los sistemas mecánicos modernos.
Basándose en sus experimentos, Leonardo concibió los siguientes
principios:
1. La fuerza de fricción depende de la naturaleza de los materiales
en contacto.
2. La fuerza de fricción depende del grado de “pulimento o
terminado” en las superficies de contacto.
3. La fuerza de fricción, depende de la posible presencia de un
fluido u otro material interpuesto entre las superficies.
4. La fuerza de fricción aumenta con la presión que un cuerpo
ejerce sobre otro. Además, la fuerza de fricción es independiente
del área de las superficies en contacto.
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
7
En los cálculos hechos por Leonardo de Vinci, asumía un valor
uniforme de un ¼, para el coeficiente de fricción, válido sólo en el caso
de superficies suaves y planas, como lo afirma en su trabajo
“Atlanticus”. “La experiencia demuestra que un objeto con superficie
pulida colocado sobre un plano liso, se resiste a ser deslizado con una
fuerza igual a la cuarta parte de su peso”.
Las máquinas tribológicas diseñadas por Leonardo para medir la
fricción se muestran en la figura 1-3 [5].
Fig. 1-3 Equipos diseñados por Leonardo de Vinci, para medir la fuerza de
fricción.(Fuente: Leonardo de Vinci an Artrabas Book).
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
8
Guillaume Amontons, casi tres centurias después, publicó en
diciembre de 1699 su trabajo referente al fenómeno de la fricción,
titulado “De la resistance causee dans les machines” siendo la primera
investigación científica sobre el tema, desde el trabajo de Leonardo de
Vinci. [6]
Su contribución a la tribología, consiste en la presentación de las leyes de la fricción: 1. La fricción es independiente del área aparente de contacto entre los dos cuerpos. 2. La fuerza de fricción es proporcional a la carga normal entre las superficies en contacto. Posteriormente, John Theopilus Desaguliers, en su trabajo titulado
“Some experiments concerning the question of lead”, publicado en
1725, reconoció el posible papel de la cohesión o adherencia en el
proceso de fricción. Otro aspecto, igualmente, importante es la
discusión sobre el grado de impacto del “pegamento o fricción”, en el
funcionamiento de las máquinas donde sostuvo que, “debemos ser lo
suficientemente cuidadosos para que las deducciones obtenidas de los
cálculos concernientes a una máquina, tenga validez matemática”. No
obstante, estos estudios no tuvieron una amplia difusión. [6]
El trabajo de Desaguliers, fue retomado, por Coulomb en el año de
1779. [7] Esto sucedió cuando este personaje viajaba en el carruaje, que
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
9
lo condujo a Rochefort y le surge la idea de analizar el problema del
rozamiento “de rodadura” motivado por el rozamiento de las ruedas
del vehículo. Tema que lo obliga a realizar una serie de experimentos
sobre la fricción.
Analizó, los motivos ¿del por qué? el
carruaje no podía desplazarse más
rápidamente, incluyendo el
rozamiento de dos superficies planas,
las cuales, se encuentran en contacto,
por ello tuvo que diseñar y construir
un aparato para medirlo y evaluar la
fricción. A éste le dio el nombre de
Tribómetro, cuyo esquema aparece en
la figura 1.4. Este, consiste en una
especie de mesa en la que se coloca
una caja, atada a un hilo y lleva en su
otro extremo un platillo el cual pasa
por una polea, colocada en el borde de la mesa. Las superficies de roce
son la mesa y la caja, la presión se hace variar, a través de las pesas en
la caja y las variaciones de las carga, que debe ser colocada en el
platillo, para provocar el movimiento de la caja.
De esta forma, Coulomb propuso las siguientes tres leyes para el frotamiento o fricción.
Figura 1.4. tribómetro
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
10
1ª El frotamiento es proporcional a la presión. 2ª El frotamiento es independiente de la superficie. 3ª El frotamiento es independiente de la velocidad de deslizamiento.
Medio siglo después, de que Coulomb abordara el campo de la
tribología, Arthur Jules Morin realizó notables estudios sobre la
naturaleza del fenómeno de la fricción, iniciándolos en Metz, (antes de
ser nombrado Jefe de Mecánica Aplicada en la ciudad de París). Esta
brillante investigación, sirvió para llamar la atención de las
autoridades del “Conservatorie des Arts et Meteries”. Ambos
respondieron a los intereses militares de su país. Por ejemplo, el primer
trabajo de Morin; titulado “Memorie concernant de nouvelles
experiences sur le frottement faites a Metz en 1831”, fue financiado por
el ministerio de guerra.
Una de las tareas de Morin fue la determinación, registro y utilidad de
los coeficientes de fricción, obtenidos en experimentos que emplean
movimientos de deslizamiento y rodamiento; conocimientos técnicos
imprescindibles para los ingenieros mecánicos en la construcción de
máquinas. Los coeficientes propuestos por Morin, se les conoce con
este nombre, los cuales son más reconocidos que los de Coulomb.
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
11
1.3 APLICACIÓN DE LA TRIBOLOGÍA
La Tribología está presente en prácticamente todos los aspectos de la maquinaría, motores y componentes de la industria en general. Los componentes tribológicos más comunes son:
Rodamientos Embragues
Sellos Frenos
Anillos de pistones Engranes
Cepillos Levas
Las aplicaciones más comunes de los conocimientos tribológicos, aunque en la práctica no se nombren como tales, son:
Motores eléctricos y de combustión (componentes y funcionamiento)
Turbinas
Extrusión
Rolado
Fundición
Forja Procesos de corte (herramientas y fluidos)
Elementos de almacenamiento magnético
Prótesis articulares (cuerpo humano)
La aplicación de los conocimientos de la Tribología en estas prácticas deriva en:
Ahorro de materias primas Aumento en la vida útil de las herramientas y la maquinaría Ahorro de recursos naturales Ahorro de energía Protección al medio ambiente Ahorro económico
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
12
1.4 LA TRIBOLOGÍA EN LA INDUSTRIA
La tribología es crucial para la maquinaría moderna que utiliza
superficies rodantes y/o deslizantes.
De acuerdo a algunos estimados, las pérdidas resultantes de la ignorancia
en tribología en los Estados Unidos representan aproximadamente el 6% del
total del producto interno bruto ($200 billones de dólares por año en 1966), y
aproximadamente un tercio de los recursos energéticos existentes se
pierden en forma de fricción. Por ésto, la importancia de la reducción
de la fricción y el desgaste para un ahorro de dinero y una
confiabilidad a largo plazo de la maquinaria. Según Jost (1966,1976), el
Reino Unido podría ahorrar aproximadamente 500 millones de libras al año, y
los Estados Unidos llegarían a ahorrar hasta 16 billones de dólares al año
utilizando mejores prácticas tribológicas. Este ahorro es significativo y
puede obtenerse sin hacer una gran inversión de capital
Figura 1.5. La Tribología en la Industria
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
13
1.4.1 RODAMIENTOS EN LA INDUSTRIA
La experiencia y la historia nos muestran que menos del 10% de todos
los reemplazos de rodamientos en el campo pueden ser atribuidos a la
clásica fatiga de contacto por rodadura. El restante 90% es debido a
razones y condiciones lejanas a la fatiga de rodadura pura. Debido a
que el número de fallas por fatiga clásica son estadísticamente
insignificantes al consumidor final, las siguientes observaciones se
deben hacer:
1. La industria de rodamientos ha desarrollado en la producción,
rodamientos de la calidad y diseños necesarios.
2. La industria de rodamientos busca continuamente el
mejoramiento del “estado del arte” de la tecnología de
rodamientos.
3. Como el diseño, instalación y sistemas de lubricación se ha
mejorado, los elementos de rodamientos fallan a lo ultimo
debido a la fatiga después de un extenso servicio.
Es bien sabido y documentado que la vida de FCR en los
rodamientos es dependiente de muchos factores interactuantes, tales
como materiales de los rodamientos, técnicas de fundición, variables
en el procesamiento de materiales, sistemas de lubricantes (para
control de temperatura), espesor de la película Elastohidrodinámica,
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
14
niveles de esfuerzo de contacto, y otros efectos ambientales y
operacionales (tales como desalineamiento). Los factores de ajuste de
vida de diseño recomendados por ASME, división Lubricación,
provee los medios de modificación de “aproximaciones ingenieriles”,
los cuales se dan en muchos catálogos de fabricantes de rodamientos y
esto permite mejores estimaciones de predecir la vida de rodamientos
bajo condiciones específicas.
Así como los factores de ajuste de vida de ASME pueden ser aplicados
a la mayoría de las aplicaciones de rodamientos, cierta precaución es
recomendada para casos de extremas condiciones ambientales. La
influencia combinada de importantes factores ambientales y
operacionales requiere pruebas de laboratorio, para conducir estas bajo
condiciones que simulen lo más cercano posible en ambiente de
servicio esperado y que un número suficiente de pruebas se realicen
para evaluar la fatiga. [8]
1.5 EL DISEÑADOR DE EQUIPO TRIBOLÓGICO
El proceso tribológico para el diseñador del equipo consta de los
siguientes pasos:
• Estudio de la fricción o deslizamiento entre las piezas
componentes del equipo. Lo realiza el diseñador basándose en los
materiales, procesos de fabricación, acabados superficiales,
tratamientos superficiales, velocidades relativas entre las piezas,
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
15
esfuerzos superficiales que se generan, temperaturas de trabajo de la
máquina y otros factores propios de cada equipo.
• Estudio del desgaste que se puede presentar en los elementos
(adhesivo, abrasivo, corrosivo, por fatiga, por erosión y cavitación)
para tomar medidas de prevención adecuadas.
• Estudio del tipo de movimiento relativo que se presenta entre los
elementos. Puede ser: rodadura pura, deslizamiento o una
combinación de ambos. El tipo de movimiento tiene una incidencia
directa en la formación o no de una buena película de lubricante
entre las superficies.
• Adopción de una solución tribológica. Consiste en definir el tipo
de conexión entre los elementos y puede ser: uniones cinemáticas
deslizantes no lubricadas o uniones lubricadas. Para las primeras
pueden utilizarse materiales poliméricos, materiales cerámicos, o
capas superficiales para contacto seco. En las uniones lubricadas se
pueden aplicar lubricantes sólidos, líquidos (aceites minerales o
sintéticos), semisólidos (grasas minerales o sintéticas) y gaseosos.
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
16
• Una vez definido el tipo de lubricante a utilizar, se estudia el tipo
de película lubricante con que van a trabajar los elementos de
acuerdo a las condiciones cinemáticas presentes en el equipo
(lubricación límite, hidrodinámica o elastohidrodinámica).
• La tribología brinda herramientas matemáticas y gráficas que
permiten seleccionar las características que debe poseer el lubricante
para proteger en forma adecuada el equipo. Se selecciona la marca
del mismo, teniendo en cuenta el servicio de asesoría que pueda
brindar el fabricante y la facilidad de suministro para todos los
equipos de la empresa.
• Definir la cantidad de lubricante a aplicar y las frecuencias de
cambio tanto en la etapa de asentamiento o de despegue del equipo,
como en su posterior etapa productiva. Una herramienta muy valiosa
para esta definición es el análisis del aceite usado.
• Suministro y aplicación del lubricante al equipo. Aquí vale la
pena insistir en la limpieza del proceso para evitar que el aceite se
contamine (mezclándose con otros) o que entran impurezas al
sistema.
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
17
Un último paso en este proceso es el control y seguimiento al
lubricante para verificar que está cumpliendo efectivamente su función
de protección y conservación del equipo. Cuando el lubricante llega a
su límite de vida es necesario tomar decisiones respecto al destino de
ese lubricante usado y contaminado, teniendo en cuenta que todas las
empresas deben tener en su horizonte el logro de un desarrollo
sostenible.
Un proceso como éstos, es el que siguen, por ejemplo, los fabricantes
de motores de combustión interna para decirle al usuario de un
vehículo qué tipo de aceite debe aplicar.
1.5.1 EL USUARIO DEL EQUIPO
El proceso tribológico para el usuario del equipo es algo diferente, ya
que debe tener en cuenta algunos factores diferentes a los que se
analizaron para el diseñador. Para explicar este punto, como primer
paso lo ideal sería introducir todos los equipos del sistema productivo
en un proceso tribológico; sin embargo, para probar sus bondades
puede hacerse una prueba piloto en un grupo de equipos en una línea
de producción o en un proceso determinado y luego extenderlo a toda
la planta.
Un equipo está en un proceso tribológico cuando al menos el 90% de
sus elementos alcanza la vida a la fatiga o vida útil calculada. El
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
18
fabricante del equipo debe suministrar las curvas tribológicas o curvas
de desgaste de los elementos, (en caso contrario se pueden construir).
En el gráfico se muestran 3 curvas tribológicas que corresponden a
situaciones diferentes.
Figura 1.6. Comportamiento Tribológico de un equipo.
La curva A representa un comportamiento tribológico normal del
equipo en donde se alcanza la vida útil del diseño que entrega el
fabricante, (en este caso 80.000 horas), la curva B indica un proceso
tribológico negativo, donde no se alcanza esa vida (sólo llega a 40.000
horas), obsérvese que los niveles de desgaste durante las primeras
COMPORTAMIENTO TRIBOLÓGICO DE UN EQUIPO
CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
19
6.000 horas de trabajo son más altos que en la curva A; la curva C
corresponde a un proceso tribológico positivo, donde se excede la vida
del diseño o vida útil del equipo (se alcanzan 100.000 horas). En este
caso durante las primeras 6.000 horas de trabajo los niveles de desgaste
son más bajos [9].
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 20
CAPÍTULO II
FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y
DESGASTE
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 21
CAPÍTULO II
2.1 CONTACTO MECÁNICO
2.1.1 TENSIONES DE CONTACTO DE HERTZ Cuando dos cuerpos que tienen superficies curvas se presionan uno
contra otro, el contacto en punto o línea se transforma en contacto de
área y la tensión desarrollada en ambos cuerpos es tridimensional.
Una teoría de contacto se requiere para predecir la forma de esta área
de contacto y cómo ésta crece en tamaño con el aumento de la carga: la
magnitud y distribución de las tracciones superficiales, normales y
posiblemente tangenciales, transmitidas a través de la interfase, como
se presenta en este trabajo, donde 2 superficies no conformales (el balín
y la pista de rodamiento) están en contacto.
La distribución de tensiones en el contacto ideal, descrita por Hertz, en
1882, posee una fuerte componente hidrostática, y la solicitación más
severa se produce debajo de la superficie. Se conocen en general como
tensiones de contacto de Hertz.
2.1.2 SUPERFICIES DE CONTACTO
2.1.2.1 SUPERFICIES CONFORMALES
Son aquellas superficies cuyos centros de curvatura están en el mismo
lado de la interfase. Nota: en una prueba de desgaste, este término es
usado en el caso donde la curvatura de ambos especímenes
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 22
concuerdan, por lo que el área de contacto nominal durante la prueba
permanece constante.
2.1.2.2 SUPERFICIES NO CONFORMALES
Son aquellas superficies donde los centros de curvatura están en lados
opuestos de la interfase, como en los elementos rodantes de un balero
o los dientes de un engrane. En pruebas de desgaste, una configuración
geométrica en la cual un “punto” o “línea” de contacto es inicialmente
establecida entre los especímenes antes de comenzar la prueba. Nota:
ejemplos de contactos no conformales son las geometrías bola- en –
anillo y superficie plana- en- anillo (tangentes a la superficie
circunferencial). Cuando el desgaste ocurre, el área nominal de
contacto tiende a incrementarse [10].
Figura 2-1. Geometrías Conformales y No Conformales
GEOMETRÍA NO- CONFORMAL
GEOMETRÍA CONFORMAL
CARGA
CARGA
CARGA
CARGA
CARGA
BLOQUE PLANO- EN -ANILLO
ZAPATA DOBLE DE HULE
BOLA- EN -ANILLO
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 23
2.1.3 TIPOS DE CONTACTO
2.1.3.1 CONTACTO IDEAL
La distribución de tensiones en el contacto de cuerpos no-conformales
fue descrita por Hertz, quien a fines del siglo XIX desarrolló la teoría
que con sus hipótesis simplificativas está vigente en la actualidad.
El contacto entre las superficies, posee una geometría particular, que
depende de la forma de los cuerpos en contacto. El mismo puede ser
un punto o una línea, para el contacto entre esferas o cilindros
infinitamente rígidos, respectivamente. Debido a la presencia
beneficiosa de las deformaciones elásticas, los contactos puntuales o
lineales generan áreas de contacto finitas circulares o rectangulares;
respectivamente, haciendo que las tensiones de contacto disminuyan a
niveles tolerables por el material. Por ejemplo, el contacto entre una
bola y una superficie plana es puntual, mientras que el contacto entre
un par de engranajes de dientes rectos es lineal. En el caso más general
el área de contacto es una elipse.
La figura 2-2, muestra el contacto en un punto o, entre dos esferas de
radios RA y RB. Si existe entre ellas una carga P, entonces se produce en
ellas, una deformación elástica, generando un área de contacto circular
de radio a; basándose en el principio de la elasticidad, para obtener su
solución, Hertz consideró las siguientes idealizaciones:
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 24
Eje XX Dir. Rod. - DR
Cuerpo A
Cuerpo B
RA
RB
Eje YY Dir.Eje - DE
Eje ZZ Dir. Normal - DZP
P
Area de Contacto
a
YY
XX O
a) Las superficies son continuas y no-conformales.
b) Las deformaciones son pequeñas.
c) Cada cuerpo puede considerarse como un semi-espacio elástico.
d) No existe fricción entre las superficies: µx = µy = 0
Figura 2-2. Geometría del contacto entre dos esferas de radios RA y RB, bajo un esfuerzo P , generando un área de contacto circular de centro en o y radio
a.
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 25
La deformación elástica, en el área de contacto, es máxima en el centro
y mínima hacia los bordes. Ésto, a la vez, produce una distribución de
la tensión normal al área de contacto, como la observada en la figura
2-3, donde el valor máximo se conoce como máxima tensión hertziana,
p0. La figura 2-4, muestra la distribución de tensiones según las
direcciones XX, YY y ZZ, en el contacto puntual de la Fig. 2-1, en
función de la profundidad por debajo del centro del área de contacto.
Las mismas, producen una tensión de corte pulsante unidireccional
(τZX), con una distribución en función de la profundidad, que presenta
un máximo a una profundidad de ~0.5a. También se genera, pero por
el efecto de traslación del elemento rodante, una tensión de corte
ortogonal alternativa (τalt), que tiene sus máximos más cerca de la
superficie (~0.4a) y por delante y por detrás del punto de contacto, con
respecto a la Dirección de Rodadura (DR).
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 26
Figura 2-3. Esquema de dos esferas de radio R1 y R2 en contacto. Se observan el área de contacto de radio a, la distribución de tensión normal al área de contacto y la
máxima tensión hertziana p0 (Ref. Johnson, 1985) Hoy en día, se conoce que el mecanismo de degradación de la
microestructura y nucleación de la falla en fatiga de contacto por
rodadura, tiene que ver con la ubicación de ambas tensiones de corte.
Ha sido demostrado que existe un valor p0 umbral, por debajo del cual,
no existe daño en FCR. La tensión p0 contribuye en gran medida, a
generar un estado hidrostático de tensiones por debajo del área de
R1
R2
Carga P
Máx. TensiónHertziana p0
Carga P
DR = XX
DZ = ZZ
a a
Distrib. tensiónnormal al área de
contacto
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 27
contacto, sólo una parte de él, al ocasionar un desviador de tensiones,
es el responsable de la micro-plasticidad asociada a la FCR. Por lo
tanto, dependiendo de la geometría del área de contacto, para producir
la degradación del material, p0 debe ser mayor a cuatro veces el valor
del límite elástico cinemático del material, kk [11].
La distribución de tensiones presenta el estado más desfavorable por
debajo de la superficie, en la región donde actúan los máximos de las
tensiones de corte τZX y τalt. La tensión equivalente o de Von Mises,
también es máxima por debajo de la superficie, a una profundidad que,
como se mencionó, está relacionada con la semi-amplitud de la elipse
de contacto, medida en la dirección de rodadura.
Si bien la tensión hertziana máxima po ; en numerosos mecanismos
supera el límite elástico del material, las tensiones generadas en el
contacto poseen una componente hidrostática importante, como se
observa en la figura 2-3. Aún con tensiones de contacto p0 elevadas, si
el desviador de tensiones aplicado, se encuentra por debajo del límite
elástico del material, no se producirá microplasticidad. Por lo tanto,
tampoco se observan signos de fatiga, aún para un número infinito de
ciclos de carga.
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 28
Figura 2-4. Distribución de las tensiones normales σXX, σYY ,σZZ y la tensión de
corte pulsante unidireccional τZX, debajo del punto central del área de contacto. La
tensión τZX, presenta el máximo a la distancia a/2 por debajo de centro del área de
contacto. (Ref. Johnson, 1985).
Existe un valor de carga umbral a partir del cual se produce la
degradación progresiva del material. El valor umbral, se expresa
frecuentemente como la relación p0/kk, donde p0 es la máxima tensión
0 -0.5 -1.0 -1.5
z/a
1 2 3
σXX = σYY
σZZ
τZX = τZY
Profundidad
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 29
en el contacto hertziano ideal y kk es el límite elástico cinemático. El
valor kk, se obtiene a partir de ensayos con carga dinámica de fatiga de
bajos ciclos en tracción o torsión.
En contactos sin fricción, el valor umbral para producir la degradación
del material por microplasticidad es p0/kk=4 y p0/kk=4.7, para
contactos puntuales entre esferas y lineales entre cilindros [12],
respectivamente. Hoy en día, se conoce que el mecanismo de
degradación de la microestructura y nucleación de la falla en FCR,
tiene que ver con la presencia, ubicación y magnitud de las tensiones
de corte.
2.1.3.2 CONTACTO NO IDEAL
En general, el contacto real entre elementos rodantes, está acompañado
por algún grado de fricción o deslizamiento entre las superficies. Esto,
afecta la distribución de tensiones en el contacto, haciendo que los
máximos de las tensiones de corte se aproximen a la superficie, como
se observa en forma esquemática en la Figura 2-5 [11].
El apartamiento de las condiciones ideales, genera una distribución de
tensiones muy diferente de la ideal. Esto ocurre por ejemplo cuando las
condiciones operativas producen la disminución del espesor de la
película lubricante y la aparición del contacto entre las micro-asperezas
superficiales.
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 30
Figura 2-5. Distribución de tensiones para los casos de: rodadura pura, deslizamiento puro y la combinación rodadura+deslizamiento (Johnson, 1985).
El contacto entre las micro-asperezas de una superficie mecanizada,
genera una micro-área de contacto, donde las superficies están
separadas por la película de aceite formada en la lubricación micro-
elasto-hidrodinámica.
Las tensiones de corte máximas producidas, se localizan a
profundidades, que en este caso, están relacionadas con la semi-
amplitud de las micro-áreas de contacto, comúnmente entre 0-50 µm
de la superficie.
El contacto de los elementos rodantes sobre defectos naturales, tales
como rayas o indentaciones, produce un efecto similar, acercando a la
Distancia debajo de la superficie
Deslizam. puro
Esfuerzo combinado rodadura y deslizamiento
Rodadura pura
Tensión de corte
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 31
superficie la posición y multiplicando los valores de los máximos de
las tensiones de corte τZX y τalt. El análisis por elementos finitos,
muestra que discontinuidades de sólo 5µm de profundidad, pueden
producir picos de tensión que duplican la máxima tensión hertziana
[11].
El contacto entre micro-asperezas o defectos superficiales, genera una
micro-área de contacto, sujeta a valores de tensión normal hasta 5
veces mayor que el p0 del macro-contacto.
2.2 FRICCIÓN
2.2.1 DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO DE FRICCIÓN.
La palabra fricción deriva del vocablo latino “Fricare”, que significa
rozamiento o frotamiento, se aplica para describir la pérdida gradual
de energía cinética en situaciones donde dos cuerpos o sustancias, se
encuentran en contacto y movimiento relativo. Por ello, se le ha
definido como la resistencia que presentan a dicho movimiento. No
debe confundirse la fricción con el desgaste. La diferencia
fundamental, estriba en que en las áreas de contacto real, se generan
las fuerzas de fricción, las cuales varían de acuerdo a los distintos
parámetros del sistema. Posteriormente, dichas fuerzas ocasionan el
desprendimiento o desgarre de material de la superficie, lo que se
conoce como desgaste [13].
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 32
La fuerza requerida para vencer la fricción no hace ninguna
contribución útil al funcionamiento global del mecanismo, puesto que
finalmente se disipa en forma de calor. Por consiguiente, en la mayoría
de los diseños mecánicos, se busca reducir al máximo su participación.
Sin embargo, no se debe omitir que existen numerosas aplicaciones
para los coeficientes de fricción que son muy grandes, como lo
requieren los reguladores de velocidad por fricción, los sistemas de
frenado, los sistemas de transmisión, los neumáticos de un automóvil,
las bandas transportadoras, etc. En herramientas tan sencillas como el
martillo de carpintero, donde es necesario enormes coeficientes de
fricción, ya que al sacar un clavo de la madera se mantiene en su sitio
por la fricción, que se presenta a lo largo de sus orejas; si la interacción
friccional fuera substancialmente reducida, la cuña se movería hacia
afuera y no sería posible la extracción del clavo. De manera semejante,
sucede en el asimiento entre una tuerca y un tornillo, la unión de
ambos depende de la fricción adecuada entre ellos. En cualquier tipo
de tejido, sea textil, un cable de acero o una cuerda, la unión de los
hilos depende básicamente de la fricción que existe entre sus fibras, ya
que no hay ningún pegamento o adhesivo que los mantenga unidos.
Por esta razón sería casi imposible anudar dos cordones si sus
materiales tuvieran coeficientes de fricción muy pequeños [14].
En un motor de combustión interna moderno, quizás el 15 o 20% de la
potencia producida se gasta en vencer las fuerzas de fricción que hay
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 33
entre sus pares mecánicos. En un artefacto aéreo, el porcentaje de
pérdidas de potencia por fricción pueden ser muy pequeñas; no
obstante, todavía representan una componente significante del
combustible que consume. En muchas situaciones, este fenómeno
puede ser de menor importancia; sin embargo, el daño por desgaste en
los elementos mecánicos representa un problema mucho más grave.
Dada una fricción elevada, significa invariablemente, una mayor
generación de temperatura en las capas superficiales de los materiales
aumentando las proporciones del daño.
2.2.1.1 FRICCIÓN ABRASIVA.
La fricción, es la fuerza de resistencia tangencial en la interfase de dos
cuerpos, que están sometidos a la acción de una fuerza, uno de ellos se
mueve o tiende a moverse relativamente deslizante o rodante sobre la
superficie del otro [10][15].
Como el coeficiente de fricción no es una propiedad simple, algunos de
los factores que lo afectan son [16]:
• Cinemática de las superficies en contacto
• Cargas y/o desplazamientos externos.
• Condiciones del medio.
• Topografía superficial.
• Propiedades de los materiales.
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 34
Entre la fuerza de fricción y la carga normal, existe una relación
constante de proporcionalidad conocida como coeficiente de fricción,
denotada por:
µ= F/W (2.1)
Donde:
µ = Coeficiente de fricción.
F= Fuerza Aplicada.
W= Carga Normal.
El coeficiente de fricción en rodamientos con cargas muy ligeras varía
desde 0.001 hasta 10 para metales muy limpios y en condiciones de alto
vacío. Para la mayoría de los materiales en deslizamiento al aire, los
valores típicos del coeficiente son de 0.1 a 1 [13].
En el pasado, para todos los materiales, la fricción se explicó en
términos del modelo de adhesión. El valor obtenido es mucho menor a
los valores típicos observados. Otro intento para explicar la fricción fue
por medio de la rugosidad (fuerza requerida para subir la pendiente de
la aspereza) [13] [15] [16] [17].
La fricción por el rayado de partículas duras a una superficie de un
material blando se presenta en la figura 2-6, se analiza por medio de la
deformación de la aspereza [13] [15]:
µ def = cot α (2.2)
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 35
Fig. 2-6 Modelo de deformación en la fricción abrasiva.
Shaw y Macks en 1949, expresaron la fricción como la suma de la s
componentes de adhesión, rugosidad y rayado, ecuación 2.3.
µtotal = PH
++ θτ tan (2.3)
Kragelskii en 1980, la expresó en función del rayado y adhesión,
ecuación 2.4 [16].
µtotal = rh
h tK αβτ ′++rPo
(2.4)
Donde:
τ = Es el esfuerzo tangencial de cada unión
θ = Pendiente de la aspereza.
H = Dureza de Indentación.
P = Componente del rayado.
τo = Resistencia cortante superficial de la unión molecular, cuando la
presión normal es cero.
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 36
Pr = Presión de contacto, en una superficie en movimiento.
αh = Coeficiente de histéresis de pérdida de fricción.
β = Coeficiente de la unión molecular reforzada.
ht = Altura de la aspereza.
r = Radio de la aspereza.
K´ = Parámetro de la fricción.
El coeficiente de fricción µtotal, como lo expresan la ecuaciones (2.3) y
(2.4), se debe a la combinación de varios efectos, la adhesión entre las
superficies planas, µa, la deformación de la aspereza, µd; y el rayado
por partículas de desgaste y asperezas duras de la superficie, µp. Por lo
tanto:
µtotal = µa + µd + µp (2.5)
2.3 DESGASTE
2.3.1 MECANISMOS DE DESGASTE El desgaste generalmente se inicia según alguno de los mecanismos
básicos, para que posteriormente cambie hacia uno combinado o
complejo, que provoca el deterioro de las partes. En función de la
amplia variedad de criterios, que existen para definir los mecanismos
básicos de desgaste, se emplea en el presente trabajo la clasificación
más aceptada, la cual se divide en los siguientes mecanismos:
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 37
desgaste por adhesión
desgaste por abrasión
desgaste por fatiga
desgaste por corrosión
Desgaste por adhesión.
Este mecanismo de desgaste, se genera por la atracción entre los
átomos de las estructuras de dos cuerpos en contacto, depende del
grado de compatibilidad microestructural entre superficies. La
adhesión se debe al contacto íntimo a la que llegan dos superficies por
las altas presiones específicas en la zona de contacto real.
Desgaste por abrasión.
Este mecanismo de daño se presenta cuando las asperezas de un
cuerpo se ponen en contacto e indentan la superficie de un segundo
cuerpo más blando, removiendo material al microsurcar y
microfracturar creando por ello una raya.
Desgaste por fatiga .
Este mecanismo de desgaste es observado en caso de rodadura, y/o
deslizamiento, de una superficie respecto de otra. Esto produce sobre
un punto cualquiera del camino de rodadura la aplicación de cargas
variables en el tiempo que inducen tensiones capaces de nuclear y
propagar fisuras por fatiga pequeñas fisuras superficiales y/o sub-
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 38
superficiales. Este tipo de desgaste se detallará ampliamente en el
punto 2.3.2.
Desgaste por corrosión.
Este mecanismo, se presenta cuando el movimiento relativo entre
superficies actúa inmerso en un medio corrosivo, en donde el daño
superficial es debido a la suma de los factores. No debe confundirse
con procesos de degradación superficial sin presencia de movimiento
relativo entre superficies, en donde el daño será por corrosión estática. 2.3.2 DESGASTE POR FATIGA
El término de fatiga es aceptado generalmente como el tipo especial de
daño causado por la acción repetida de esfuerzos cíclicos con una
amplitud que alcanza valores por debajo del límite elástico del
material. El fenómeno de la ruptura de los materiales sujetos a
esfuerzos cíclicos por encima del límite elástico que se ha observado en
los últimos años, se le llama "fatiga de pocos ciclos" y se extiende
conceptualmente al término "daño por fatiga" [18].
El desgaste por fatiga generalmente se considera debido a la acción de
las tensiones o esfuerzos superficiales, sin medir necesariamente a
otras interacciones físicas entre las superficies de los cuerpos sólidos.
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 39
El desgaste por fatiga superficial es la forma más frecuente de desgaste
en los pares de las máquinas, razonablemente protegidos de la acción
de contaminantes abrasivos.
Al ponerse en contacto dos cuerpos sólidos con superficies rugosas, se
produce la penetración de las irregularidades más rígidas en el contra
el cuerpo menos rígidos. El movimiento relativo de las micro
irregularidades provoca una intensa deformación de las capas
superficiales.
Cálculo Del Desgaste Por Fatiga En su forma original y desarrollo posterior más completo, la teoría del
desgaste por fatiga se debe al soviético Kragelskii y sus colaboradores
[18]. A continuación se presenta un resumen de los resultados más
importantes incluyendo algunas fórmulas para el cálculo de la
Intensidad del Desgaste (Ih).
Ih=h/L (2.6)
Donde:
h: espesor de la capa desgastada
L: camino de la fricción
La intensidad lineal del desgaste se relaciona con el desgaste
volumétrico por la relación:
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 40
Ih= V/LAa (2.7)
Donde:
Aa = área nominal (aparente) de contacto.
V = volumen de desgaste
La intensidad del desgaste es un indicador macroscópico (integral) del
desgaste. Para caracterizar el desgaste a nivel microscópico, en los
puntos de contacto real, se define la intensidad específica del desgaste
lineal como:
hr
aEh I
AAI =
(2.8)
donde: Ar : área real de contacto.
2.3.2.1 DESGASTE POR FATIGA DE LOS RODAMIENTOS
Las superficies de los rodamientos están sujetas a fallos por fatiga
como resultado de los esfuerzos repetitivos causados por las partículas
atrapadas entre ellas.
Al principio, las superficies se mellan y se inicia la formación de
grietas, que se extienden por la aparición de nuevas partículas que
provocan nuevos esfuerzos. Finalmente la superficie falla,
produciéndose una hendidura.
CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 41
El desgaste superficial en los rodamientos es la formación de grietas
superficiales o sub-superficiales y propagación de la grieta por fatiga,
es el resultado de aplicar cargas cíclicas en una superficie, figura 2-7.
Fig. 2-7.Aspecto característico de la falla. DR, dirección de rodadura; CR,
camino de rodadura.
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 42
CAPÍTULO III
LUBRICACIÓN
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 43
3.1 LUBRICACIÓN
La lubricación, se refiere a la modificación de las características
relativas a la fricción y a la reducción del daño y el desgaste en la
superficie de los sólidos, al moverse uno en relación con el otro.
Cualquier cosa que se introduzca entre 2 superficies de ese tipo para
realizar lo antes mencionado se llama lubricante.
3.1.1 LUBRICANTES
Tipos y propiedades.
Aunque las sustancias de uso más frecuente como lubricantes han sido
aceites o grasas, pueden ser adecuados muchos otros materiales de
naturaleza muy diferente. Los sólidos y los fluidos (líquidos, aire y
otros gases) se emplean como lubricantes. Asimismo, el lubricante
desempeña, con frecuencia, funciones múltiples: puede ser un medio
de transferencia de calor, protector contra la herrumbre y la corrosión,
sellador o para arrastrar los contaminantes [19].
La aplicación particular, en múltiples aspectos, determina la selección
de lubricante. Los lubricantes se fabrican a fin de que tengan ciertas
características específicas, que se pueden definir en términos de
propiedades físicas o químicas, o por su comportamiento.
El concepto del lubricante, como parte de las consideraciones en el
diseño, ha ayudado a establecer la gran importancia que tienen los
aspectos de la lubricación en el funcionamiento de los mecanismos,
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 44
permitiendo un rendimiento más satisfactorio. Los fabricantes y
proveedores de equipo, seleccionan cuidadosamente los lubricantes
aptos para las condiciones de operación, que se espera coadyuven a
que sus equipos funcionen adecuadamente.
3.1.2 LUBRICANTES LÍQUIDOS Aunque hay muchos líquidos; incluso el agua, que se pueden usar
como lubricantes; los de uso más frecuente, son los que se basan en
fracciones de petróleo refinado o en fluidos sintéticos. Los lubricantes
líquidos, obtenidos del petróleo, son los de uso más extenso, debido a
su adaptabilidad general a la mayoría de los equipos existentes o por
su disponibilidad a un costo moderado, o por ambos aspectos. Este
tipo de lubricantes, se preparan mediante muchos procesos disponibles
para refinación a partir de hidrocarburos naturales. Los tipos
principales de lubricantes de petróleo crudo son: parafínico y
nafteínico, términos que se refieren a la estructura molecular de los
componentes preponderantes. El petróleo parafínico ccontiene una
base predominante de hidrocarburos de la serie parafínica. También
hay petróleos aromáticos y sulfurosos; el nafteínico contiene una base
predominante de hidrocarburos de la serie cicloparafínica. Se suele
preferir utilizar petróleos parafínicos para la fabricación de
lubricantes, aún cuando los nafteínicos conservan un lugar importante
en ciertas aplicaciones.
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 45
3.1.3 LUBRICANTES SÓLIDOS
- Un lubricante sólido es una película delgada constituida por un
sólido o una combinación de sólidos introducida entre dos superficies
en rozamiento con el fin de modificar la fricción y el desgaste. El
funcionamiento de mecanismos sometidos a temperaturas, presiones y
ambientes severos, en los cuales los fluidos orgánicos no son
adecuados, ha promovido el perfeccionamiento de lubricantes sólidos.
Los lubricantes de película sólida incluyen numerosas variedades y
tipos de materiales que pueden tener diferentes propiedades, límites
(rangos) de operación y métodos de aplicación o adherencia a las
superficies que se van a lubricar.
Existen varias maneras de clasificar los lubricantes sólidos; una se
relaciona con la manera de fijarse al material de asiento. La
preparación de la superficie es importante en extremo para lograr la
acción del lubricante sólido; estos son:
- Los lubricantes sólidos no ligados, el tipo más sencillo, son
granulares o pulverizados. Se adhieren en cierto grado a la superficie
por acción mecánica o molecular, aunque no hay enlace químico o
físico intencional. Los materiales más comunes en esta clase son el
grafito, el disulfuro de molibdeno, el politetrafluoroetileno y otros
polímeros, talco, metales, óxidos metálicos y sales.
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 46
- Lubricantes sólidos ligados. La durabilidad de las películas sólidas,
es decir, su capacidad para sostener y mantener una lubricación
adecuada durante largo tiempo, ha sido un factor un tanto limitativo.
Se ha logrado mayor duración útil del lubricante con el uso de
adhesivos, de los cuales hay varios tipos adecuados para diferentes
condiciones de operación y aplicaciones.
3.1.4 ACEITES DE ORIGEN VEGETAL Y ANIMAL.
Los aceites grasos se obtienen de la extracción de los aceites de muchas
fuentes vegetales (semilla de algodón, palmeras, semilla de ricino, etc.)
o bien de la grasa de animales domésticos (manteca, sebo) y también
del pescado. Estos aceites, tienen composiciones y propiedades físicas
diferentes que dependen de su fuente, pero su característica común se
basa en su estructura química glicérida, en oposición a la estructura de
hidrocarburos común a los aceites del petróleo. Aún cuando son
lubricantes excelentes, en la actualidad raramente se utilizan en forma
pura, a causa de su tendencia a oxidarse con rapidez, lo que conduce a
la formación de lodo, laca, y ácidos potencialmente corrosivos. 3.1.5 GRASAS
Las grasas lubricantes, se forman al dispersar un agente espesador en
un lubricante líquido. Pueden utilizarse ingredientes adicionales con el
fin de lograr propiedades especiales. Los jabones son los espesadores
más comunes. Y también se emplean jabones complejos, pigmentos,
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 47
arcillas modificadas, productos químicos (como la poliurea) y
polímeros, solos o en combinación.
3.1.6 LUBRICACIÓN DE EQUIPO ESPECÍFICO
Cojinetes de contacto por rodadura.
Éstos incluyen los cojinetes de bolas de diversas configuraciones, así
como los cojinetes de rodillos de las diversas variedades de cilíndricos,
esféricos y ahusados, y los cojinetes de agujas. Pueden variar en
tamaño desde unos cuantos milímetros hasta varios metros. Se diseñan
básicamente para soportar cargas en condiciones de LEH (Lubricación
Elasto Hidrodinámica, como se verá en el punto 3.2), pero puede
existir un movimiento considerable de deslizamiento, así como el de
rodadura, en los puntos de contacto entre los elementos rodantes y las
pistas. Además se tiene deslizamiento entre los elementos rodantes y
separadores y , en los cojinetes de rodillos, entre los extremos de éstos
y los patines de las pistas. En muchos casos, resulta conveniente
incorporar aditivos contra el desgaste para hacer frente a estas
condiciones.
Con frecuencia puede elegirse entre aceite y grasa. En aquellos casos en
los que el lubricante debe eliminar calor de los cojinetes, es obvio que
debe seleccionarse aceite, en especial si pueden circularse con facilidad
grandes cantidades. También se prefiere el aceite si es difícil evitar la
contaminación por agua y sólidos, siempre que se suministre un
sistema adecuado de purificación. Si no resulta práctica la circulación,
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 48
entonces es posible que sea mejor inclinarse por la grasa. También
puede ser que lo indicado sea la grasa cuando sea limitado el acceso a
los engranes. Otros casos en los que es preferible la grasa, son en los
que las fugas de lubricante podrían ser un problema.
Los aceites adecuados por lo general contienen inhibidores de la
herrumbre y la oxidación, junto con aditivos contra el desgaste. La
viscosidad se selecciona con base a las consideraciones LEH o en las
recomendaciones de los constructores del equipo en particular, y
pueden situarse en cualquier valor dentro de los límites de los ISO VG
32 a 460. a menudo el aceite preferido es el ISO VG 68, tabla 3-1.
Tabla 3-1. Clasificación de viscosidades de aceites industriales ISO 3448-1975 (E).
Graduación de
viscosidad I.S.O.
Viscosidad en cSt a 40° C
Graduación de viscosidad
I.S.O.
Viscosidad en cSt a 40° C
I.S.O. VG 2 1. 98- 2. 42 I.S.O. VG 68 61. 2- 74. 8 I.S.O. VG 3 2. 88- 3. 52 I.S.O. VG 100 90. 0- 110 I.S.O. VG 5 4. 14- 5. 06 I.S.O. VG 150 135- 165 I.S.O. VG 7 6. 12- 7. 48 I.S.O. VG 220 198- 210 I.S.O. VG 10 9. 00- 11. 0 I.S.O. VG 320 288- 352 I.S.O. VG 15 13. 5- 16. 5 I.S.O. VG 460 414- 506 I.S.O. VG 22 19. 8- 24. 2 I.S.O. VG 680 612- 748 I.S.O. VG 32 28. 8- 35. 2 I.S.O. VG 1000 900- 1100 I.S.O. VG 46 41. 4-50. 6 I.S.O. VG 1500 1350- 1650 Si se emplea grasa, la elección del tipo será regida por las condiciones
de operación, con inclusión de la temperatura, carga, velocidad,
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 49
posibilidad de contaminación por agua y la frecuencia y método de
aplicación. La grasa 12- hidroxiestearato de litio se usa mucho, en
particular la del grado de consistencia Num. 2. Si el equipo se lubrica
de por vida en el momento de su fabricación, como es el caso de los
motores eléctricos para aparatos domésticos, con frecuencia se
seleccionan grasas de poliurea. 3.2 REGÍMENES DE LUBRICACIÓN
La fricción y el desgaste de dos superficies que están en contacto una
con otra pueden reducirse si se introduce un lubricante entre las
interfases de ambas. Esto, con el fin de separar total o parcialmente las
asperezas, las cuales demandan enormes fuerzas tangenciales para su
rompimiento.
La lubricación puede presentarse en diversas formas, dependiendo del
contacto relativo que guarda el lubricante con las superficies,
separando las asperezas, reduciendo la fuerza de fricción y facilitando
el deslizamiento[10]. Al uso de gases o líquidos como lubricante se le
denomina lubricación por película de fluido.
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 50
Fig. 3-1. La variación en resistencia friccional ( expresada como el coeficiente de fricción µ ) con el WU /η (características del rodamiento) para un rodamiento
lubricado: la curva de Stribeck
La lubricación entre 2 superficies deslizantes puede cambiar de uno a
otro de los tres regímenes, película gruesa, película delgada y
lubricación límite a otra, dependiendo de la carga, velocidad,
viscosidad del lubricante, geometría de contacto y rugosidad de ambas
superficies. Esta dependencia fue reconocida en 1902 por Stribeck . la
figura 3-1 muestra una curva típica de Stribeck. En la parte derecha,
donde la fricción se incrementa suavemente con el parámetro de
lubricación, la lubricación está en el régimen de película gruesa; a la
izquierda, donde la fricción es casi constante, la lubricación está en el
Lubricación Hidrodinámica
Lubricación Elasto-Hidrodinámica
Lubricación Límite
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 51
límite. A la mitad, la lubricación está en el modo mixto, o régimen de
película delgada. Los límites de estos regímenes se moverán a la
derecha si las superficies se vuelven duras y a la izquierda si estas se
vuelven suaves. [10] 3.2.1 LUBRICACIÓN HIDROSTÁTICA
En este régimen de lubricación se requiere de una gran fuente externa
para presurizar, sobre todo en cuerpos que se mueven lentamente.
Ocurre cuando la velocidad de las superficies son insuficientes para
generar una capa gruesa como ocurre en la lubricación hidrodinámica.
A este régimen de lubricación se le denomina hidrostática y su
efectividad depende directamente de la velocidad relativa de las
superficies, así como de la viscosidad del lubricante [10].
Su aplicación puede ser a baja velocidad en rodamientos hidrostáticos,
rieles guía en máquinas-herramientas de baja velocidad y rodamientos
de soporte de radiotelescopios. En este tipo de rodamientos se puede
presentar desgaste corrosivo, por los agentes químicos presentes en la
interacción del lubricante con la interfase de los materiales. En la figura
3-2, se muestra la configuración de un rodamiento hidrostático [5].
El espesor de la película y la presión del flujo del lubricante en la parte
interna del rodamiento se modifican si la carga se incrementa; en
consecuencia, la película del lubricante es muy delgada.
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 52
La presión interna nunca debe ser mayor a la presión de alimentación
de la fuente externa; en caso contrario, la presión disminuye y el flujo
aumenta.
Figura 3-2. Esquema con los 4 parámetros principales que determinan la operación de un rodamiento hidrostático, donde Ps, presión de suministro; Pr, presión del
hueco; h0, espesor de la película; b, diámetro del orificio del rodamiento; l, espesor del rodamiento. [ASM Handbook, Vol. 18]
La operación de este tipo de orificio restrictor queda definido con las
variaciones de carga, flujo y rigidez.
3.2.2 LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA
El régimen de lubricación hidrodinámica, se presenta cuando las
superficies en deslizamiento son separadas por una película de aceite
lubricante relativamente gruesa y la carga normal es también
soportada por la presión interna de ésta; misma que se genera
hidrodinámicamente por la acción de la velocidad de las superficies en
cuestión. Se requiere que las superficies de los pares que se lubrican, se
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 53
adapten dimensional y geométricamente, dejando tolerancias o huecos
entre ambas, para permitir que se forme la película del fluido
lubricante, que puede ser aceite, grasa, aire, agua, otro líquido o gas
[10].
Las superficies opuestas en la lubricación hidrodinámica deben ser
conformes, ésto significa que deben estar alojadas en pares cerrados,
separados por un pequeño espacio y en un área relativamente grande.
La presión de las fuerzas viscosas en el interior del lubricante son
quienes soportan la carga normal en la lubricación hidrodinámica, la
figura 3-3, muestra que la geometría debe ser convergente para este
régimen de lubricación. Para fines de claridad, la convergencia se
exagera.
Figura 3-3. Rodamientos con geometrías conformes bajo condiciones de
lubricación hidrodinámica. a) Planos opuestos, b) Rodamiento sencillo de muñón. [Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials, I.M.
Hutchings, 1992]
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 54
De hecho, en la realidad, la separación de las superficies y los ángulos
de convergencia son muy pequeños. Por ejemplo, el espesor de aceite
de la película principal en el claro de un rodamiento mide
aproximadamente una milésima del diámetro de la pista del muñón,
mientras que el máximo y mínimo espesor llega a diferir por un factor
de cuatro o cinco.
3.2.3 LUBRICACIÓN ELASTOHIDRODINÁMICA (EHL)
El término películas de lubricación elastohidrodinámica se refiere al
aceite lubricante que separa las superficies contrarias de un contacto
concentrado. Las propiedades de esta diminuta cantidad de aceite,
típicamente 1 µm de espesor y una extensión de 400 µm para un
contacto puntual, y la cual está sujeta a presiones y cortes extremos,
determina la eficiencia del mecanismo de lubricación sometida a
Contacto por Rodadura.
La lubricación EHL se presenta en mecanismos cuyas superficies de
fricción trabajan siempre entrelazadas y nunca llegan a separarse a la
velocidad nominal de operación, en este caso las crestas de las
rugosidades permanentemente se están deformando elásticamente y el
control del desgaste adhesivo y el consumo de energía depende de las
características de la película adherida a las rugosidades y de la forma
geométrica que tengan éstas. La película lubricante que se forma, se le
puede denominar como sólida ó de capa límite, pero con
características de soporte de carga y de resistencia al desgaste adhesivo
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 55
mucho más resistentes de aquella que se forma para el caso de la
lubricación hidrodinámica. Asimismo, las condiciones de dicha
película, para el primer caso, son constantes, es decir no hay diferencia
sustancial entre la puesta en marcha y la velocidad de régimen del
mecanismo correspondiente.
La lubricación Elasto-hidrodinámica se divide en dos conceptos
fundamentales, el primero de ellos, Elasto significa elasticidad, ó sea
que las crestas de la rugosidad de una de las superficies del mecanismo
en el momento de la interacción con las de la otra superficie se
deforman elásticamente sin llegar al punto de fluencia del material en
condiciones determinadas de carga y temperatura; luego una vez que
termina de actuar la carga regresan a su posición original. En tanto que
el concepto Hidrodinámico, significa que a pesar de que la velocidad de
funcionamiento del mecanismo no es la óptima para que se desarrolle
una película hidrodinámica, no obstante, ésta se forma a un nivel más
microscópico. Debido a que el aceite que queda atrapado entre las dos
crestas deformadas elásticamente, ejerce una presión hidráulica entre
ellas formando una película fluida de un espesor mucho menor del que
tendría de aquella que se forma en un mecanismo, que funciona en
condiciones de lubricación fluida. El aumento de la viscosidad del
aceite ocasionado por la presión y la deformación elástica de las
superficies se combinan para atraparlo en el momento en que éste
penetra en la zona de contacto; la viscosidad del aceite puede llegar a
ser hasta cinco veces mayor del valor que tiene a la entrada de las
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 56
rugosidades. En consecuencia, la película lubricante puede desarrollar
presiones hasta de 24,608.5 kgf/cm2 (350,000 psi) [20].
La lubricación elastohidrodinámica (EHD) es el fenómeno que ocurre
cuando se introduce un lubricante entre superficies que están
sometidas a elevadas tensiones de contacto como es el caso de FCR en
este trabajo, y cuyo sistema de lubricación y selección de aceite se
verán en el capitulo V. IO 24 DE 2002
MEDELLÍN-COLOMBIA 3.2.3.1 EFECTOS QUE CONTRIBUYEN A LA GENERACIÓN DE
PELÍCULAS ELASTOHIDRODINÁMICAS
Los tres efectos que juegan un mayor papel en la formación de
películas en el régimen de lubricación elastohidrodinámico son:
• la formación de la película hidrodinámica,
• la modificación de la geometría de la película por deformación elástica,
• la transformación de la viscosidad y reología del lubricante
sometido a presión.
Éstos, actúan simultáneamente y causan la generación de películas
mencionadas.
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 57
• Formación de la Película hidrodinámica
La geometría de las superficies interactuantes en los contactos
Hertzianos contienen cuñas convergentes y divergentes para que
alguna forma de lubricación hidrodinámica ocurra.
En la hidrodinámica clásica, la geometría del contacto y la viscosidad
del lubricante son una función de la presión hidrodinámica. Es por
consiguiente imposible especificar una geometría de la película y
viscosidad precisamente antes de proceder a resolver la ecuación de
Reynolds.
• Modificación de la Geometría de la Película por Deformación
Elástica
Para todos los materiales cualquiera sea su módulo de elasticidad, las
superficies en un contacto Hertziano, deforman elásticamente. Su
efecto principal de deformación elástica en el perfil de película de
lubricante, es interponer una región central de superficies cuasi-
paralelas entre las cuñas de entrada y de salida.
El perfil de la película en la dirección ' x´ se da por:
gef hhhh ++= (3.1)
donde:
h = perfil de película;
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 58
hf : es constante [m];
he : es la deformación elástica combinada de los sólidos [m]
hg : es la separación debido a la geometría de los sólidos no
deformados [m]
• Transformación de la viscosidad del lubricante y reología bajo
presión
La geometría no-conforme de las superficies en contacto, causa una
concentración intensa de carga sobre de una área muy pequeña para
todos los contactos Hertzianos de uso práctico. Cuando un líquido
separa dos superficies, las presiones extremas muchas veces son más
grandes que aquellas encontradas en lubricación hidrodinámica, y son
inevitables. Presiones del lubricante de 1 a 4 [GPa] son encontradas en
elementos mecánicos típicos como engranajes. La viscosidad del aceite
y muchos otros lubricantes aumenta dramáticamente con la presión.
Este fenómeno es conocido como piezoviscosidad. La relación
viscosidad-presión es usualmente descrita por una conveniente pero
aproximada ecuación matemática conocida como la Ley de Barus [
13]:
pp e ∗∗= αηη 0 (3.2)
donde:
ηp : es la viscosidad del lubricante a una presión ' p ' y a una
temperatura ' θ ' [Pa];
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 59
η0 : es la viscosidad a la presión atmosférica y a una temperatura ' θ '
[Pa];
α : es el coeficiente de presión-viscosidad [m2/N]
Como un ejemplo del efecto radical de la presión en la viscosidad, se
ha informado que presiones de contacto de aproximadamente 1
[GPa], la viscosidad de un aceite mineral puede aumentar por un factor
de 1 millón (106) de su valor original a la presión atmosférica.
Para superficies suficientemente duras en el contacto, la presión del
lubricante puede elevarse a niveles aún más grandes, y la pregunta ¿de
que si hay un límite en el aumento de la viscosidad?, se vuelve
pertinente. La respuesta es que efectivamente hay una constricción,
donde el lubricante deja su carácter líquido para convertirse en semi-
sólido.
3.2.3.2 ESPESOR DE LA PELÍCULA ELASTOHIDRODINÁMICA
Ecuación de Hamrock-Dowson
Sobre la base del análisis numérico, Hamrock y Dowson han
establecido la siguiente ecuación en 1977, para calcular el espesor de la
película de lubricante mínimo para un contacto hidrodinámico,
completamente sumergido [21].
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 60
Una solución aproximada para el espesor de película
elastohidrodinámica como una función de la carga, velocidad de
rodadura y otras variables controladas es expuesta a continuación. La
expresión de Hamrock y Dowson para el espesor de la película es
relativamente exacta. Por estas razones, la ecuación de Grubin se
deriva en esta sección, para ilustrar los principios de cómo el espesor
de película elastohidrodinámica es determinado en función de ciertos
factores relevantes.
Hmin = 3.63 U0.68 G0.49 W-0.073 (1-e-068k) (3.3)
donde:
Hmin espesor de película mínimo adimensional
Hmin=hmin/Rx (3.4)
hmin espesor mínimo de película, [m]
Rx=(1/rax)+(1/rbx) (3.5)
rax, rbx radio de curvatura del cuerpo a y el cuerpo b en el punto de
contacto en el plano y=0, [m]
U parámetro de velocidad adimensional
U=(η0u)/(E'Rx) (3.6)
η0 viscosidad atmosférica, [Ns/m2]
u velocidad superficial en la dirección x, [m/s]
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 61
u=(ua+ub)/2 (3.7)
ua velocidad superficial del cuerpo a en la dirección x, [m/s]
ub velocidad superficial del cuerpo b en la dirección x, [m/s]
E' módulo elástico efectivo, [N/m2]
E'=E/(1-ν2) (3.8)
E módulo elástico, [N/m2]
V coeficiente de Poisson
G parámetro de materiales adimensional
G= αE' (3.9)
Α coeficiente presión-viscosidad, [m2/N]
W parámetro de carga adimensional
W=P/(E'Rx2) (3.10)
P carga normal, [N]
K parámetro de elipticidad
k=a/b (3.11)
una buena aproximación para calcular k es dada por Brewe y Hamrock
como [21]:
k=1.0339 (Ry/Rx)0.636 (3.12)
CAPÍTULO III LUBRICACIÓN
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 62
Ry-1=(1/ray)+(1/rby) (3.13)
ray, rby- radios de curvatura del cuerpo a y el cuerpo b en el punto de
contacto en el plano x=0, [m]
Hamrock y Dowson, han podido demostrar con la expresión anterior
que las películas de aceite con espesor suficiente para separar
superficies de ingeniería típicas existen en contactos puntuales
concentrados. Los valores de espesor de la película proporcionados por
esta fórmula aproximada, son sorprendentemente exactos. Los efectos
relativos de carga, velocidad rodadura y dependencia de presión-
viscosidad son mostrados en términos de índices que corresponde
estrechamente a los análisis más exactos. Asimismo, han asumido que
el contacto es ' totalmente sumergido', es decir los elementos rodantes
se mueven en un baño de aceite.
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 63
CAPÍTULO IV
DESGASTE POR FATIGA DE
CONTACTO DE RODADURA Y
TIPOS DE ENSAYO
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 64
4.1 MECANISMOS DE FALLA EN FATIGA DE CONTACTO POR
RODADURA.
Debido a la acción de cargas cíclicas, a las que son sometidos los
materiales, las fisuras pueden iniciarse como resultado de deformación
plástica del mismo. Aún si las tensiones nominales son bastante
menores que el límite elástico del material, localmente las tensiones
pueden ser superiores a la de fluencia debido a concentraciones de
tensiones en inclusiones o fallas mecánicas. Consecuentemente, la
deformación plástica ocurre localmente en una microescala, pero
insuficiente para mostrar en términos ingenieriles.
En consecuencia, el proceso de FCR puede resumirse en los siguientes
pasos:
1. Apilamiento de dislocaciones sobre inclusiones, provocado por
tensiones repetitivas. Apilamiento de dislocaciones en la superficie
(intrusiones y extrusiones).
2. Nucleación de huecos o micro-fisuras.
3. Propagación de fisuras.
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 65
4. Unión de fisuras sub-superficiales y cambio en la dirección de
propagación hacia la superficie.
5. Creación de escamas, huecos o astillas (pits o spalls).
6. Avance del daño hacia porciones adyacentes de la superficie.
7. Iniciación de macro fisuras por fatiga a partir del defecto superficial
producido por el astillamiento.
4.1.1 MODOS DE FALLA EN FATIGA DE CONTACTO POR
RODADURA
De acuerdo a la calidad metalúrgica del material empleado y a los
parámetros operativos de los elementos mecánicos sometidos a FCR, se
observan tres modos de falla [22] :
Modo Sub-superficial Temprano. Tiene lugar cuando se utilizan
materiales de baja calidad metalúrgica en los que existen inclusiones
metálicas y no metálicas en condiciones tales que las partes son
totalmente separadas por la película lubricante. Debido a que las
superficies no entran en contacto, sino a través de dicha película, las
tensiones de corte que actúan por debajo de la superficie juegan un
papel muy importante, actuando sobre las discontinuidades
metalúrgicas. Varios estudios han demostrado el efecto pernicioso que
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 66
tienen las inclusiones mencionadas para la nucleación de fisuras, en
aceros sometidos a FCR.
Modo Sub-superficial Tardío. Tiende a reemplazar al modo de falla
anterior, debido a la aparición de las técnicas modernas para la
fabricación de aceros que permiten obtener un material prácticamente
libre de inclusiones. El deterioro se produce por el aumento del
número de ciclos de aproximadamente >108 de carga, lo que conduce a
la descomposición o degradación gradual del material por efecto de las
tensiones aplicadas. Estas, entregan la cantidad de energía necesaria
para ocasionar cambios microestructurales:
• Efectos de ataque químico, definidos como “regiones oscuras al
ataque”, “bandas de ataque blancas” (a 30 y luego a 80 grados de
inclinación) [23]
• Desarrollo de textura [24]
• Modificación de las tensiones residuales en todas las direcciones y
con preferencia en la región subsuperficial
• Transformación de la austenita retenida
Modo Superficial Temprano. Aparece, cuando el aumento de la
solicitación mecánica hace que la película de aceite lubricante sea de
menor espesor y entonces más frecuente su colapso. Por lo tanto, las
superficies trabajan más próximas una de otra, hasta cierto nivel de
carga aplicada, produciéndose el contacto metálico. No sólo las micro-
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 67
asperezas entran en contacto, sino también las partículas de desgaste
incorporadas al aceite pueden quedar atrapadas por el huelgo entre las
superficies, incrustándose, rayando o indentando a las mismas. El
contacto de los elementos rodantes sobre las zonas dañadas, está sujeto
a valores de tensión que duplican o triplican la tensión hertziana del
macro-contacto. Las fisuras nucleadas en la superficie, permiten el
ingreso del aceite, generándose una presión hidrostática que tiende a
abrir la punta de la fisura en modo I. La rodadura repetida sobre los
defectos superficiales produce la acumulación de micro-plasticidad
localizada y posterior nucleación de una astilla, dando origen a una
falla. Aquí pueden incluirse también, a los elementos que trabajan en
condiciones marginales, debido a una lubricación incorrecta, lubricante
contaminado (con partículas de desgaste, agua o combustible), elevada
fricción (temperatura) o alta carga.
Ésta es una síntesis de varios modelos propuestos en la literatura y que
pueden dar una apreciación del mecanismo de nucleación de fisura por
FCR, todos ellos suficientes para un estudio de los principios de la
mecánica de fractura lineal elástica; es decir, un método para
determinar la vida remanente de una probeta después de que se
descubre una fisura [22].
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 68
4.2 FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA A LA FCR
4.2.1 RUGOSIDAD
Figura 4-1. Acabado superficial utilizando diferentes procedimientos mecánicos.
Se ha mencionado con anterioridad que un elemento particularmente
importante, en la resistencia a la FCR de rodamientos, es la
terminación de las superficies de rodadura. Los elementos rodantes se
calculan a partir de lo que se llama “área aparente de contacto”, pero
debido a las micro-asperezas generadas en la operación de rectificado,
existe un “área real de contacto”. Ésta es mucho menor que el área
aparente, lo que hace aumentar la tensión de contacto. Por lo tanto, el
picado se produce a menudo en aquellas zonas donde por efecto de
Superacabado
Pulido
Rectificado fino
Ra
Ra
Ra
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 69
una mala terminación superficial, la superficie real, no es la calculada
en el diseño.
Figura 4-2. Tensiones residuales introducidas por el proceso de acabado mecánico.
La rugosidad se encuentra generalmente representada por el valor Ra,
o rugosidad media aritmética, pero este valor no tiene en cuenta otras
características geométricas importantes de la superficie. Una de ellas es
la superficie portante o superficie real de contacto. La figura 4-1,
muestra diversas superficies, con valores Ra similares, pero con
diferentes superficies portantes. Debe recordarse que tampoco resulta
eficiente una superficie extremadamente lisa, ya que el lubricante
escurre entre los cuerpos en contacto sometidos a presión, existiendo la
posibilidad del contacto metal-metal. Una rugosidad superficial
Profundidad
Profundidad
Superacabado
Pulido
Rectificado fino
Tracción
Comp.
Tracción
Comp.
Tracción
Comp.
Profundidad
Profundidad
Profundidad
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 70
adecuada actúa como receptáculo para el aceite y a la vez produce un
efecto hidrodinámico.
Las características superficiales dependen directamente del proceso
final de mecanizado. Un aspecto muy importante a considerar en el
proceso de fabricación, es la introducción de tensiones residuales
superficiales. La figura 4-2 muestra en forma cualitativa, los perfiles de
distribución para la tensión residual, introducidos por diferentes
procesos mecánicos de acabado superficial. Dichas tensiones, al
superponerse a los esfuerzos de tracción impuestos por la solicitación
en servicio, hacen disminuir la tensión neta aplicada.
4.2.2 ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL
El endurecimiento superficial de los elementos sometidos a FCR, es
una herramienta muy eficaz para combatir la falla. Las técnicas más
empleadas hoy en día son: cementado, nitrurado, carbonitrurado, etc.,
las que además de aumentar la resistencia (kk) de las capas
superficiales, generan tensiones residuales de compresión.
Al describir la distribución de las tensiones en la región próxima al
área de contacto, se observó, que la zona más desfavorable es aquélla
donde se localizan las máximas tensiones de corte, es decir, la que se
encuentra por debajo de la superficie a una distancia aproximada de
a/2, como se observa en la figura 2-3 (capitulo II). Por lo tanto, será
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 71
necesario que el tratamiento superficial utilizado, sea de una
profundidad superior a la que aparece el estado tensional más
desfavorable. Este tipo de prácticas puede resultar perjudicial, si no se
alcanza la profundidad de tratamiento adecuada. Además es
importante la dureza del corazón, para que la resistencia resultante sea
superior a la tensión aplicada en todo el volumen de la pieza.
Los materiales comúnmente utilizados en la actualidad, poseen una
elevada calidad metalúrgica y resistencia mecánica, haciendo que el
corazón de los componentes sea capaz de resistir los esfuerzos
aplicados en la región de los esfuerzos de corte máximos. La aparición
en los últimos tiempos, de fallas según el modo superficial temprano, ha
derivado en la experimentación con tratamientos superficiales
delgados. Estos, tienen un espesor delgado <<a/2, tienen como
finalidad aumentar la resistencia a la nucleación y propagación de la
falla en la región superficial. De esta forma se aumenta la resistencia a
la nucleación de la falla, debida a la interacción entre micro-asperezas
o partículas de desgaste en el aceite en contactos altamente solicitados.
4.2.3 RESISTENCIA EN LA SUPERFICIE
El desgaste por Fatiga de Contacto por Rodadura se manifiesta por el
desprendimiento de material, que produce cavidades o micro-
cavidades en la superficie de rodadura, conocidas como pits o spalls.
Se debe tener en cuenta que la FCR presenta los siguientes síntomas:
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 72
• ruido progresivo
• calentamiento progresivo
• aumento de la vibración
• incremento de partículas de desgaste en el aceite
• defectos periódicos en productos laminados, etc.
Estas, involucran magnitudes medibles, consecuentemente ha
posibilitado el desarrollo de una máquina para ensayos de tribología
que permita estudiar el comportamiento de ciertos materiales frente a
dicho fenómeno.
4.3 PREDICCIÓN DE LA VIDA Y EL MODO DE FALLA EN FCR
El modo de falla en FCR, puede predecirse mediante el uso del
“coeficiente de espesor de película lubricante” (λ). Este, se obtiene de la
razón entre el espesor de película lubricante, h0 y la rugosidad
compuesta de las superficies en contacto, σ1 y σ2; Ec. 4.1.
donde:
h0 = espesor mínimo de la película lubricante.
1σ = rugosidad de la muestra.
2σ = rugosidad de la bola
22
21
0
σσλ
+=
h (4.1)
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 73
El coeficiente λ, es una medida de la probabilidad de interacción de las
micro-asperezas. Valores λ>3, indican que no se producirá contacto
entre las superficies, por lo tanto son completamente separadas por el
lubricante. Debe recordarse que en estas condiciones es aplicable la
teoría de Hertz, por ello, la falla se debe ya sea por el modo sub-
superficial temprano, o según el modo sub-superficial tardío. Valores λ<2,
predicen un aumento en la probabilidad de interacción de las micro
asperezas, la cual se vuelve más severa en la medida que λ disminuye.
En estas condiciones la nucleación de la falla si ocasiona el modo
superficial temprano [22] .
En la figura 4-4, se observa la variación del coeficiente λ y su relación
con la vida a la FCR. La guía de diseño de ASME recomienda ajustar la
vida de catálogo de los rodamientos de acuerdo a su coeficiente λ
esperado. La curva ASME, surge del promedio de las curvas de Skurka
y Tallian. Ensayos de FCR realizados para evaluar la influencia de la
rugosidad, muestran que la variación de la vida para valores λ<1, se
ajusta más a la curva propuesta por Tallian. Es decir, una importante
reducción de la vida, para una disminución pequeña del factor λ [25].
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 74
Figura 4-4. Coeficiente de espesor de película lubricante y su relación con la vida a la FCR La guía de diseño de ASME recomienda ajustar la vida de catálogo de los
rodamientos de acuerdo al factor λ esperado. La curva ASME es el promedio de las curvas de Skurka y Tallian (Ref. Rowe, 1981).
El cálculo de λ, parece ser una forma sencilla de verificación, pero debe
tenerse cuidado en la selección de los métodos utilizados para la
medición de las variables involucradas. Aunque existen diversas
aproximaciones relativamente sencillas, la fórmula de Hamrock y
Dowson es la más difundida en la actualidad para calcular h0 en
contactos lubricados por el mecanismo elasto-hidrodinámico. En lo que
respecta a medición de la rugosidad, debe tenerse en cuenta como
requisito básico la dirección de rodadura y las dimensiones del área de
contacto.
Curva ASME Recomendada
Skurka
Tallian (SKF)
1.0 2.0 4 6 8 10Coef. de Película Lubricante - λ
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0
Vida
Relativa
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 75
4.4 FALLA EN ELEMENTOS SOMETIDOS A FCR En general las condiciones de operación se apartan de aquellas supuestas en el diseño, resultando en la aplicación de tensiones que el material no es capaz de soportar. Las siguientes son causa de sobretensiones [26]:
1. La carga real excede el valor esperado. • La condición de operación no fue correctamente evaluada en el
diseño. • Sobrecargas desconocidas debido a vibraciones o impacto en la
maquinaria adjunta. • Incremento de la carga dinámica debida a errores en los dientes (o
de forma en rodamientos o levas).
2. La carga real fue bien calculada pero no está uniformemente repartida.
• Error en los perfiles de dientes (o de forma). • Error de alineación, o por deflexiones del eje. • Ubicación incorrecta del eje en engranajes cónicos o tornillo sin-fín. • Deformación de elementos con insuficiente ajuste por interferencia.
3. Introducción de tensiones residuales. • Apriete excesivo en ajustes por interferencia. • Tensiones residuales de tracción en tratamientos superficiales
incorrectos. 4. La tensión nominal se ve incrementada debido a discontinuidades
geométricas. • Pobre terminación superficial.
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 76
• Indentaciones producidas por partículas de desgaste. • Fisuras por rectificado. • Identificaciones estampadas en los extremos.
5. El material no es capaz de resistir las tensiones aplicadas. • utilización accidental de material inadecuado. • material por debajo de la especificación o con tratamiento térmico
incorrecto. • Discontinuidades internas del material. • Descarburizado. • Inadecuada dureza o profundidad del tratamiento superficial. • Cambios en la resistencia debido a temperaturas excesivas. • El lubricante no cumple adecuadamente su función. 6. Daño producido por descuidos en el montaje, instalación u
operación. • Alineación incorrecta de máquinas interactuantes. • Problemas de lubricación, viscosidad, filtro, contaminantes. • Elementos olvidados o que ingresaron en el cárter de la máquina
(arena, tornillos, tuercas, fibras, etc.). 4.5 DIEFERENTES MÉTODOS DE ENSAYO DE FCR
Debido a que la FCR es un proceso primario para la producción de
desgaste, numerosas máquinas de ensayo, métodos, y formas de
procesar los datos correspondientes han sido desarrollados; sin
embargo, los ensayos no están normalizados por ningún estándar
internacional, por lo que no está disponible ninguna metodología
general sobre la cual regirse, y dado que lo que se busca es reflejar en el
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 77
laboratorio las condiciones operativas reales, cada configuración
aporta una solución distinta al respecto, pero siguiendo ciertos
lineamientos.
La influencia combinada de importantes factores operacionales y
ambientales requiere que los ensayos de laboratorio sean conducidos
por las condiciones que simulen tanto como sea posible el ambiente de
servicio esperado y que un suficiente número de ensayos sean
desarrollados para evaluar la dispersión de la vida a la fatiga.
Lo más importante en ensayos de laboratorio, donde el desarrollo de la
tecnología de cojinetes, es aspirar a su desempeño óptimo, por ello,
son adecuados equipos, procedimientos de ensayo y análisis de datos
de los resultados proporcionados por ellos.
Conceptos de Diseño
Las máquinas de ensayo de resistencia, deben ser capaces de someter a
los cojinetes de ensayo a condiciones de operación realistas. Donde se
deben incluir la magnitud y tipo de carga, la velocidad, el modo de
lubricación, y la temperatura. En conjunción con las condiciones de
ensayo, el tipo y tamaño del cojinete determina el tamaño total del
equipo de ensayo y sistema de mando.
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 78
Para que la evaluación de FCR sea efectiva las siguientes tres
condiciones son necesarias:
1. Debe ser empleado el equipamiento adecuado.
2. Apropiadas condiciones y procedimientos de ensayo son necesarios
para ser implementados y controlados.
3. Los resultados de los ensayos necesitan ser apropiadamente
analizados para realizar evaluaciones genuinas y significativas.
Los arreglos básicos empleados en la mayoría de los equipos de ensayo
estándard incluyen una estructura estacionaria, una estructura de
alojamiento móvil, un eje de ensayo simple sobre el cual los cojinetes
de ensayo son montados. La figura 4-5 ilustra los distintos arreglos
usados para las diferentes condiciones de carga como sigue: (a) un
arreglo de cuatro cojinetes para carga radial solamente, (b) un diseño
de tres cojinetes para carga combinada, y (c) un equipo de dos cojinetes
para carga de empuje solamente.
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 79
Figura 4-5. Distintos arreglos de máquinas para ensayos de FCR
Sobre un período de tiempo, ha habido al menos 20 diferentes equipos
de ensayo de elementos a FCR. Algunos de estos diseños son muy
similares unos a otros. Generalmente, estos equipos entran dentro de
una de las siguientes categorías:
1. Dos superficies cilíndricas rodando una contra otra bajo carga, o
rodillos o esferas que funcionan contra una superficie cilíndrica o
plana.
2. Una esfera o rodillo o un espécimen de pequeño diámetro es
cargado entre dos discos de mucho mayor diámetro. En algunos
equipos el cilindro de ensayo es girado; en otros uno o ambos discos
son girados.
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 80
3. Una esfera o espécimen cónico es rodado bajo contacto angular
contra tres o cuatro bolas rodando en una pista.
4.6 MÁQUINAS DE ENSAYOS
Existen diferentes configuraciones de equipos para ensayos de FCR.
Cada una de estas configuraciones corresponden a una manera
diferente de simular el desgaste ocasionado. A continuación se detallan
someramente las más relevantes y que sirvieron para determinar los
lineamientos de este proyecto [ 10].
4.6.1 MÁQUINA DE ENSAYO DE CINCO-BOLAS DESARROLLADA EN LA “NASA“ Consta de cuatro bolas rodando libremente separadas 90°, sostenidas
por un separador. La probeta es también una bola apoyada sobre las
cuatro bolas antes mencionadas. Simulan la cinemática de un rulemán
de empuje. El ángulo del contacto, entre la bolas, puede variarse. La
misma consta de un sensor de vibraciones para determinar el estado de
desgaste de la probeta. Este mismo es el encargado de finalizar el
ensayo una vez que el nivel de vibraciones alcanza el valor
determinado a priori. Se puede utilizar tanto para bajas (criogenia)
como para altas temperaturas (a 1000° C).
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 81
Figura 4-6. Esquema máquina de ensayo utilizada por la NASA 4.6.2 ENSAYOS EN UN PLANO SUMERGIDOS EN UN BAÑO DE ACEITE El mismo está compuesto por 16 bolas retenidas, las cuales ruedan en
un círculo con un diámetro externo de 75 mm, 50 mm diámetro interno
y 6.4 mm de espesor. El dispositivo está sumergido en un baño de
aceite. La tensión del contacto es de 4.17 GPa (aprox. 41700 Kg/cm2).
Gira a 1500 rev/min. El sistema entrega lubricante filtrado de
impurezas. El sensor del piezo-eléctrico evalúa el nivel de vibración
que se produce a medida que se realiza el ensayo.
4.6.3 APARATO PARA ENSAYOS DE MATERIALES NO METÁLICOS La probeta es un cilindro. Este se encuentra cargado en su generatriz
por bolas, las cuales se encuentran cargadas por casquillos. La carga se
Bola superior
Bolas inferiores (4)
Separador de bolas
Bola superior
Bolas inferiores (4)
Separador de bolas
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 82
aplica sobre el casquillo superior. La tensión de contacto es de
aproximadamente 4.5 GPa (45000 Kg/cm2). Gira a 1500 rev/min. El
sistema de alimentación de lubricante es por goteo. El sistema de
detección de falla es por vibración. Las termopares sensan la
temperatura, típicamente de 50-60 ºC.
4.6.4 MÁQUINA DE ENSAYOS PARA RODADURA DE CONTACTO Está compuesta de dos rodillos de forma toroidal que se cargan contra
una barra redonda, la cual es la probeta del material a ensayar. La
proporción de diámetro es de 40:1 . La tensión de carga es de 2.7-5.5
GPa (27000-55000 Kg/cm2). La velocidad de giro de la probeta es de
12,500 rev/min; El sistema de alimentación de lubricante es por goteo.
El sensor de velocidad-vibración evalúa ambos parámetros.
Figura 4-7. Esquema máquina de Ensayos de Contactos Rodantes
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 83
4.6.5 APARATO DE TRES BOLAS RODANDO DESARROLLADO POR “FEDERAL-MOGUL” Consta de tres bolas. La probeta es un superficie cilíndrica esbelta. Las
bolas son cargadas por resortes contra la generatriz de la probeta.
Marcando anillos sobre su superficie. La velocidad de giro es de 3600
rev/min. El acelerómetro se encuentra acoplado con un dispositivo de
corte, esté funciona cuando la magnitud medida alcanza el valor para
el que fue ajustado al comenzar el ensayo. El sistema de alimentación
de lubricante es por goteo. La tensión es típicamente 6 GPa (60000
Kg/cm2).
Figura 4-8. Esquema máquina de Ensayos de Tres Bolas Rodando
Desarrollado por Federal Mogul
Resorte de cargaResorte de carga
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 84
4.6.6 APARATO DE ENSAYOS DE CILINDRO Y ESFERA Este sistema está compuesto de un arreglo simétrico de dos bolas que
ruedan llevando consigo a un cilindro cautivo. En el que se encuentra
el material a ensayar. Se puede variar la carga por medio de una
palanca multiplicadora. El cilindro pequeño gira a 22,677 rev/min
sobre el otro cilindro. La lubricación es por salpicadura. La tensión de
contacto máxima es de 5.8 GPa (58000 Kg/cm2).
4.6.7 MÁQUINA DE ENSAYOS DE CILINDRO-A-CILINDRO Esta configuración consta de un arreglo simétrico de dos cilindros, en
dos cilindros cautivos. Un resorte aplica la carga necesaria para realizar
el ensayo; la carga del resorte enrollado se realiza a través de una
palanca. La probeta es un cilindro pequeño, la que se encuentra
cargada por dos cilindros a lo largo de sus generatrices. La lubricación
es por salpicadura. La tensión de contacto es del orden de 4.4 GPa
(44000 Kg/cm2). Consta de un sensor de vibración.
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 85
Figura 4-9. Esquema máquina de Ensayos de Cilindros y Bolas
Figura 4-10. Esquema máquina de Ensayos de Cilindro a Cilindro
Rodillo giratorio
Especimen
Bola 19 mm
Rodillo guía
Rodillo guía
Rodillo giratorio
Especimen
Bola 19 mm
Rodillo guía
Rodillo guía
Rodillo superior
Especimen
Rodillo soporte
Cilindro
Rodillo inferior
Rodillo giratorio
Suministro de aceite
Rodillo superior
Especimen
Rodillo soporte
Cilindro
Rodillo inferior
Rodillo giratorio
Suministro de aceite
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 86
4.6.8 MÁQUINA DE ENSAYOS DE ANILLO CONTRA ANILLO En este sistema un par de anillos conforman el ensayo. Los anillos
ruedan y el contacto es periférico. Los diámetros de los anillos son de
50 y 53 mm. La configuración debe proveer una condición de rodadura
pura. Se obtienen diferentes grados de rodadura cambiando los
diámetros de los anillos. Giran típicamente a 2000 rev/min. La
proporción del contacto entre los anillos es medida por la resistencia
eléctrica entre ambos. El rango de tensión de contacto es típicamente
entre 0.98-3.9 GPa (9800-39000 Kg/cm2).
Figura 4-11. Esquema máquina de Ensayos de Anillo contra Anillo
Maximo diametro de salida, 40 mmRadio de curvatura, 50 mm
Especimén
Medidor de torque Tacometro
Contacto de mercurio
Tacometro
Contacto de mercurio
Maximo diametro de salida, 40 mmRadio de curvatura, 50 mm
Especimén
Medidor de torque Tacometro
Contacto de mercurio
Tacometro
Contacto de mercurio
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 87
4.6.9 APARATO DE ENSAYO DE RODAMIENTOS MÚLTIPLE
Consta de un eje el que gira típicamente a 3000 rev/min. Sobre este eje
se pueden colocar cuatro rulemanes, y proceder a ensayarlos a la vez.
Este ensayo a diferencia de los demás se destina sobre las líneas de
producción y con un uso específico. En cambio, las maquinas restantes
sirven para probar la resistencia al FCR de distintos materiales con
diferentes condiciones. La máxima tensión es de 2.9 GPa (29000
Kg/cm2). Los acelerómetros monitorean la falla sobre la carcasa
exterior del rulemán.
4.6.10 MÁQUINA DE ENSAYOS DE CUATRO-BOLAS RODANDO Se compone de un arreglo tetragonal de cuatro bolas. La bola de arriba
maneja tres bolas que se encuentran más abajo, éstas son libres para
rodar en el alojamiento. En tanto la carga se aplica verticalmente sobre
la bola superior. La velocidad de la bola superior es de 1500 rev/min.
Todas ellas tienen un diámetro de 12.5 mm; la carga aplicada
verticalmente es de 5.9 kN (1 325 lbf).
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 88
Figura 4-12. Esquema máquina de ensayo de cuatro bolas rodando
4.6.11 MÁQUINA DE ENSAYOS DE BOLAS EN DISCO INCLINADO
Figura 4-13. Esquema máquina de Ensayos de Bolas en Disco Inclinado
Cubierta
Chuck (colocado en el eje giratorio)
Lubricante a analizar
Pista de rodamiento
Carga
Rodamiento Espaciador
Cubierta
Chuck (colocado en el eje giratorio)
Lubricante a analizar
Pista de rodamiento
Carga
Rodamiento Espaciador
Bola especimén
Disco especimén
Bola especimén
Disco especimén
CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 89
La probeta es un disco y una bola las cuales giran una sobre otra. La
bola gira sobre un disco a una velocidad de 7200 rev/min,
encontrándose a una temperatura de 800 ºC (1470 ºF). En tanto el disco
se desplaza con una velocidad de 3600 rev/min; las proporciones del
deslizamiento/rodadura son inconstantes; diseñado para materiales
cerámicos.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
90
CAPÍTULO V
DISEÑO DEL PROTOTIPO
PARA MEDIR FCR
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
91
5.1 METODOLOGÍA DE DISEÑO QFD En este capitulo, se desarrolla la metodología QFD (Quality Function
Deployment), para el diseño de un equipo destinado a evaluar la
resistencia la fatiga de contacto por rodadura. El equipo de ensayos
permitirá alcanzar, objetivos tales como: alta velocidad de ensayo, bajo
costo de fabricación de muestras y reposición de contramuestras,
facilidad de montaje y detección de la falla a través de la medición de
vibraciones.
Para llevar a cabo la realización de esta tarea, se acudirá a diferentes
fuentes bibliográficas las cuales serán de vital importancia para este
trabajo, así como a la experiencia previa que se tiene en la construcción
de otros prototipos utilizados en el laboratorio de tribología de la SEPI-
ESIME y en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Mar
del Plata.
El desarrollo de la máquina para ensayo tribológico para evaluar la
fatiga de contacto por rodadura se justifica por las siguientes razones:
• Es un problema de ingeniería que requiere de diseño. • Es necesario tener la máquina para continuar con el estudio y la
investigación que concierne a la tribología. • La SEPI-ESIME tiene el compromiso de estar a la vanguardia con
la tecnología de punta en lo relacionado con el estudio de la fatiga de contacto por rodadura.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
92
5.1.2 IDENTIFICACIÓN DEL CLIENTE La primera tarea del equipo de diseño, al aplicar la metodología QFD,
es la identificación del cliente. Si los requerimientos y expectativas son
los datos de entrada para la aplicación de dicho método, es natural que
debe definirse primero quién o quienes se deben considerar como
clientes [27].
Algunos productos pueden diseñarse en base a los requerimientos de
un solo cliente. Sin embargo, lo más común es que existan varios de
ellos, cuyos requerimientos deben identificarse para dirigir los
esfuerzos de diseño tomándolos como ejes directores.
Lo importante es que los integrantes del equipo de diseño no suponga
cuales son los requerimientos y expectativas de los clientes. La
percepción que estos puedan tener sobre el problema, no corresponda
a los deseos reales de los clientes.
A continuación, se presenta los requerimientos para la identificación
del cliente:
Cliente que adquiere el producto: Laboratorio de tribología, SEPI, ESIME Unidad IPN ZACATENCO. Ubicada en: IPN S/N Col. Lindavista, Del. Gustavo A. Madero, México D.F.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
93
Cliente externo: Usuario: Alumnos, maestros e investigadores de nivel licenciatura y postgrado. Comprador: Laboratorio de tribología. Transporte: no existe problema de transporte, se puede transportar fácilmente en una camioneta pick-up. Cliente interno: Responsable del laboratorio de tribología de la SEPI-ESIME: Dr. Manuel Vite Torres. Patrocinadores: IPN. Producción: Taller de máquinas herramientas de ESIME Zacatenco,
maquinado externo. Ensamble: Laboratorio de Tribología. Servicio: Pruebas en el laboratorio de tribología. 5.1.3 DETERMINACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS Y EXPECTATIVAS DEL CLIENTE. Los requerimientos del cliente se catalogan en dos grupos [28]:
1. Requerimientos obligatorios. 2. Requerimientos deseables.
Requerimientos obligatorios: Se entiende como requerimientos obligatorios, aquellos, cuyo
cumplimiento es indispensable; sin ellos, el producto no podrá
considerarse satisfactorio en ningún grado. Para este trabajo se
mencionan los siguientes:
A) Alta velocidad de ensayo.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
94
B) Sencillez.
C) Confiabilidad.
D) Bajo costo de construcción.
E) Diferentes cargas de ensayo.
F) Seguridad del equipo durante su funcionamiento.
G) Facilidad de operación.
H) Evitar vibraciones entre la muestra y la contramuestra durante el ensayo.
I) Que tenga repetibilidad.
Requerimientos deseables:
Los requerimientos deseables son aquellos que admiten cierta
flexibilidad, de manera que su cumplimiento pueda ser parcial, en
caso, de que no se cumpla en su totalidad, el producto puede
considerarse aún como satisfactorio.
Entre los requerimientos deseables del prototipo se pueden mencionar
los siguientes:
a) Bajo costo de fabricación de muestras. b) Bajo costo de reposición de contramuestras.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
95
c) Bajo costo de mantenimiento. d) El maquinado sea con máquinas convencionales.
e) Sea fácil de transportar.
f) Que la vida útil de los componentes principales mecánicos sea de
3 años mínimo. 5.1.4 PONDERACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE.
Para determinar la importancia y expectativas del cliente, el primer
paso consiste en separar los requerimientos obligatorios de los
deseables. A los primeros, se les asigna el mismo grado de prioridad,
es decir todos ellos tienen el mismo grado de importancia, por ende,
debe asegurarse su cumplimiento total. La verdadera ponderación se
aplica a los requerimientos deseables. Para ellos, se recomienda la
aplicación de la comparación por pares. El procedimiento, consiste en
comparación de cada uno de los requerimientos con el resto. Esta, debe
hacerse sobre la base de que al requerimiento más importante, se le
antepone el signo (+), en caso de que sea menos importante, el signo
(-). En consecuencia, dos requerimientos no pueden tener el mismo
grado de importancia. A continuación, en la tabla 5-1, se muestran los
resultados de la evaluación efectuada al prototipo desarrollado.
El valor de la importancia relativa (Ir) se calcula por: Ir=(Σ/Σtotal)x100
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
96
Tabla 5-1 Ponderación de los requerimientos deseables del cliente.
a b c d e F Σ(+) Ir (%) a 0 + + + + + 5 33.33 b - 0 - + + + 3 20 c - + 0 + + + 4 26.66 d - - - 0 + - 1 6.666 e - - - - 0 - 0 0 f - - - + + 0 2 13.33 Σ=15 Σ=99.98
Los resultados de la tabla anterior, se ordenan de acuerdo a su grado
de importancia, de la siguiente manera:
1) Requerimiento (a), bajo costo de fabricación de muestras. 2) Requerimiento (c), bajo costo de reposición de contramuestras.
3) Requerimiento (b), bajo costo de mantenimiento.
4) Requerimiento (f), que la vida útil de los componentes
principales mecánicos sea de 3 años mínimo.
5) Requerimiento (d), el maquinado sea con máquinas universales.
6) Requerimiento (e), que sea fácil de transportar. 5.1.5 ESTUDIO COMPARATIVO CON LOS PRODUCTOS DE LA COMPETENCIA. Este estudio, consiste en analizar los productos de la competencia, para
determinar en que grado satisfacen todos los requerimientos y
expectativas de los clientes. Asimismo, permite evaluar procesos y
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
97
sistemas para mejorar la calidad, productividad y crecimiento de las
empresas. La forma de efectuar la comparación , es asignando una
escala numérica, la cual representa el grado de satisfacción que brinda
el producto a cada uno de los requerimientos, tanto obligatorios como
deseables del cliente.
La escala de grado de satisfacción se puede asignar de la siguiente
forma:
1) El diseño no cumple en absoluto con el requerimiento.
2) El diseño cumple ligeramente con el requerimiento.
3) El diseño cumple medianamente con el requerimiento.
4) El diseño cumple casi en su totalidad con el requerimiento.
5) El diseño cumple en su totalidad con el requerimiento.
Debido a que este es un diseño único, sin regimiento de normas, no es
posible compararlo con otro similar en el mercado.
Sin embargo, a partir de este se pueden implementar nuevas normas
para diseños futuros.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
98
5.1.6 TRADUCIR LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE EN TÉRMINOS MENSURABLES DE INGENIERÍA.
La metodología QFD, busca integrar los requerimientos del cliente con
el proceso de diseño, es decir, se trata de convertir un lenguaje, que en
un alto porcentaje es subjetivo, en otro que sea concreto y se pueda
medir. En algunos casos, los requerimientos están planteados en
términos técnicos perfectamente mensurables, para los cuales no es
necesario hacer ninguna traducción. En la tabla 5-2, se presenta la
traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables;
también son conocidos como: “Especificaciones de Diseño”.
Tabla 5-2 Traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables.
REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
REQUERIMIENTOS TECNICOS
UNIDAD DE MEDICION
A) Alta velocidad de ensayo.
Velocidad de ensayo RPM
B) Sencillez. Mínimo de piezas posibles
No. Piezas
C) Confiabilidad. Pruebas defectuosas x 100 Pruebas totales
% Pruebas defectuosas
D) Bajo costo de construcción.
Costo $M.N.
E) Cargas de ensayo.
Carga de ensayo Newtons
F) Seguridad del equipo durante su funcionamiento.
Escolaridad del usuario
Factor de seguridad
Grado escolar
Adimensional
G) Facilidad de operación
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
99
H) Evitar al máximo vibraciones entre la muestra y la contramuestra durante el ensayo
Nivel de vibración 2.2- 3.6 Gs
I) Que tenga repetibilidad
Duración de las pruebas
Horas
a) Bajo costo de fabricación de muestras.
Precio de materiales y maquinado
$ M.N.
b) Bajo costo de reposición de contramuestras.
Precio de materiales y maquinado
$M.N.
c) Bajo costo de mantenimiento.
Costo de mantenimiento
$M.N.
d) Que la vida útil de los componentes principales mecánicos sea de 3 años mínimo.
Vida útil de componentes
Años
e) El maquinado sea con máquinas convencionales.
Maquinado Horas
f) Que sea fácil de transportar.
Que no sea voluminoso Metros cúbicos
5.1.6.1 TRADUCCIÓN DE REQUERIMIENTOS QUE SE DERIVAN
DE AQUELLOS QUE NO SON DIRECTAMENTE MENSURABLES.
G) Facilidad de operación.
• Que no cause fatiga mental ni física el uso de la máquina.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
100
H) Evitar al máximo vibraciones entre la muestra y la contramuestra
durante el ensayo.
• Cuando el sistema este en estado dinámico no debe vibrar
ninguna de las partes de la máquina y menos la muestra y la
contramuestra.
I) Que tenga repetibilidad.
• Siempre que se realiza un ensayo los resultados sean confiables
una y otra vez.
5.1.7 ESTABLECER LAS METAS DE DISEÑO.
Este es el último paso de la metodología QFD, que consiste en fijar las
metas de diseño. Cada una de ellas, debe expresar una característica
mensurable del producto, como es:
A) Alta velocidad de ensayo, hasta 2000 RPM.
B) Sencillez de la máquina con el mínimo de piezas posible.
C) Confiabilidad con el 5% de pruebas defectuosas.
D) Bajo costo de construcción entre 5000 y 9000 pesos.
E) Cargas de ensayo entre 0 y 250 N.
F) Grado escolar de Técnico para el usuario y un factor de seguridad
alto para la máquina durante su funcionamiento.
G) Facilidad de operación.
H) Evitar vibraciones entre la muestra y la contramuestra durante el
ensayo.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
101
I) Que tenga repetibilidad.
a) Bajo costo de fabricación de muestras.
b) Bajo costo de reposición de contramuestras. c) Bajo costo de mantenimiento. d) Que la vida útil de los componentes principales mecánicos sea de 3 años mínimo. e) El maquinado sea con máquinas convencionales. f) Que sea fácil de transportar.
La información generada en los pasos 5 y 6 del QFD, deben integrarse
al gráfico de las funciones de calidad, como se muestra en la tabla 4-3.
Esta información corresponde a la parte técnica y se utiliza de manera
condensada las características que deben poseer el prototipo
propuesto.
En la parte superior, se registran los términos mensurables en que
fueron traducidos los requerimientos del cliente. En la parte inferior, se
anotan las metas de diseño, expresadas mediante valores y unidades
de medición de cada una de las características técnicas que se pretende
obtener mediante el proceso de diseño. En esta parte del grafico, se
puede registrar, a modo de referencia, los valores obtenidos del
estudio comparativo a productos de la competencia. En la parte central
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
102
del plano, se anota la relación que existe entre los requerimientos del
cliente y los términos mensurables. Puede no existir relación, en tal
caso el espacio se deja en blanco. Normalmente , se utiliza un número o
un símbolo para expresar el grado de relación entre los requerimientos.
Para estos vínculos, se establece la siguiente escala de valores:
9 = Fuerte relación
3 = Mediana relación
1 = Relación débil
Correlaciones: O = Positiva X = Negativa
5.2 DISEÑO CONCEPTUAL
La metodología descrita por el despliegue de las funciones de calidad
es una poderosa herramienta que permite asimilar y entender un
problema de diseño. Se trata de aprovechar esa comprensión, para
generar conceptos de productos que cumplan con los requerimientos
de calidad que se identificaron con el cliente. Dentro del diseño
conceptual, se desarrollan las ideas fundamentales del producto. Un
concepto es una idea que puede representarse mediante un esquema,
croquis, diagrama, bosquejo o un modelo tridimensional aproximado.
Este último, describe de manera aproximada el tipo de tecnología, los
principios de funcionamiento y la forma general del producto. Algunos
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
103
conceptos, se van generando de forma natural, a medida que se
desarrolla la metodología del QFD. Particularmente, por el
conocimiento que se tiene de productos que cumplen con
requerimientos semejantes a los que se han identificado. No es extraño,
que muchos diseñadores se inclinen por una idea que más les agrade y
comiencen a desarrollarla detalladamente. Sin embargo, es una
metodología no recomendable que se expresa mejor con el siguiente
adagio: “si se genera una idea es probable que sea mala; si se generan
veinte, probablemente una de ellas sea buena idea”.
5.2.1 METODOLOGÍA DEL DISEÑO CONCEPTUAL.
La metodología en esta etapa, se basa en una estrategia muy simple, es
decir, la estructura o la forma de la función. Esto, significa que antes de
comenzar con una definición de las formas, es necesario tener
identificadas todas las funciones que debe realizar el producto para
que responda a las expectativas del cliente. En otras palabras, primero
debe definirse el qué, y luego el cómo. El qué, representa a la función, en
tanto el cómo, a la forma o a la estructura. A manera esquemática, este
tipo de metodología conceptual se representa en la figura 5-1 [27].
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
104
Fig. 5-1 Metodología del diseño conceptual.
1. Clarificación de los requerimientos del cliente.
La clarificación de los requerimientos del cliente, tiene por objetivo
establecer el enlace entre la primera etapa de diseño (aplicación del
5. Concepto de diseño
4. Evaluación de conceptos
3. Generación de conceptos
2. Definición del modelo funcional
DISEÑO CONCEPTUAL
1. Clarificación de los requerimientos
del cliente
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
105
QFD) y la etapa conceptual. Por ello, el equipo de diseño debe ser
capaz de describir el objetivo del proyecto de manera que incluya la
función global de servicio del producto e identificar los límites del
sistema. Para el caso del diseño mecánico, una función representa el
papel que desempeña un elemento o sistema completo. Por lo general,
cada producto cumple con una o varias acciones de servicio; entre
ellas, a las más importantes se les denominan funciones globales de
servicio o simplemente funciones globales. Estas son, las actividades
que corresponden a la finalidad de uso del producto como un todo; el
conjunto de las funciones de servicio se ilustra en la figura 5-2. En
consecuencia, la función global de servicio de la máquina para medir el
desgaste por contacto de rodadura queda definida como: Diseñar una
máquina para medir el desgaste por fatiga de contacto de rodadura.
LÍMITES DEL SISTEMA.
Los elementos que se han identificado que se relacionan con el entorno son [28]:
Usuario
Muestra
Contramuestra
Aceite
Carga
Sensor
Energía eléctrica
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
106
Fig. 5-2 Esquema del entorno y los límites del sistema
Las funciones de servicio se describen de la siguiente manera:
A1.- Colocación de la muestra
A2.- Colocación de la contramuestra
A3.- Colocación de aceite
A4.- Colocar carga
A5.- Conectar, programar y encender la máquina
A6.- Calibrar sensor
A7.- Aplicar carga
A8.- Velocidad de giro de la muestra
A9.- Desgaste por contacto de rodadura de la muestra
Máquina Tribológica
Energía eléctrica Aceite
Usuario Muestra A1
A2
A3 A5
A6
A4 Contra- muestra
Carga
Sensor
A8
A7
A9
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
107
CLASIFICACIÓN
POR SU IMPORTANCIA
Función global:
A9.- Desgaste por contacto de rodadura de la muestra
Funciones complementarias:
A1.- Colocación de la muestra
A2.- Colocación de la contramuestra
A3.- Colocación de aceite
A4.- Colocar carga
A5.- Conectar, programar y encender la máquina
A6.- Calibrar sensor
A7.- Aplicar carga
A8.- Velocidad de giro de la muestra
POR SU NATURALEZA
Uso:
A1.- Colocación de la muestra
A2.- Colocación de la contramuestra
A3.- Colocación de aceite
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
108
A4.- Colocar carga
A5.- Conectar, programar y encender la máquina
A6.- Calibrar sensor
A7.- Aplicar carga
A8.- Velocidad de giro de la muestra
A9.- Desgaste por contacto de rodadura de la muestra
2. Definición del modelo funcional.
Aplicando el principio de la metodología del “análisis del valor”, que
consiste en considerar a un producto como un conjunto de funciones y
no como un conjunto de “piezas”, el siguiente paso consiste en definir
el modelo funcional del producto. Esto es, determinar que las
funciones son necesarias para satisfacer las necesidades del cliente,
jerarquizar las diferentes funciones, determinar la relación que debe
haber entre ellas, y describir esto gráficamente. El análisis funcional
descendente es un modelo para escribir gráficamente las funciones de
un sistema. Este método se basa en la sucesión coherente de
diagramas. El análisis se hace de manera descendente; es decir,
procediendo desde lo mas general hasta lo más particular. En la figura
5-3 se define el diagrama de funciones para producir el desgaste por
fatiga de contacto por rodadura. La función mas general es la función
global, y a partir de ella se tendrán en un segundo nivel, las funciones
complementarias, figura 5-4 (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g).
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
109
Desgaste por fatiga de contacto por rodadura
Muestra
Contramuestra
Carga
Aceite
Energía eléctrica
MuestraContramuestraCarga
Material del desgasteEspécimen desgastadoDisplay de cuenta-horasSeñal de encendido
Maquina Tribológica
Col
ocar
pro
beta
Con
trol
de
vibr
acio
nes
Con
trol
de
peso
Pres
enci
a de
car
ga
Pres
enci
a de
con
tram
uest
ra
Pres
enci
a de
ace
ite
Ord
en “
inic
io”
Pres
enci
a de
ene
rgía
Ord
en “
cont
rol d
e R
PM”
Desgaste por fatiga de contacto por rodadura
Muestra
Contramuestra
Carga
Aceite
Energía eléctrica
MuestraContramuestraCarga
Material del desgasteEspécimen desgastadoDisplay de cuenta-horasSeñal de encendido
Maquina Tribológica
Col
ocar
pro
beta
Con
trol
de
vibr
acio
nes
Con
trol
de
peso
Pres
enci
a de
car
ga
Pres
enci
a de
con
tram
uest
ra
Pres
enci
a de
ace
ite
Ord
en “
inic
io”
Pres
enci
a de
ene
rgía
Ord
en “
cont
rol d
e R
PM”
Figura 5-3 Diagrama de funciones para producir el desgaste por fatiga de
contacto de rodadura.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
110
PRIMER NIVEL
Figura 5-4 (a) Funciones complementarias.
Figura 5-4 (b) Funciones complementarias.
Colocar la muestra
Muestra
Posicionar muestra
Sujetador
Colocar la contramuestra
Contramuestra
Posicionar contramuestra
Base
Colocar carga Carga
Control de carga
Sujetador
Aplicar carga
Presencia de carga
Aplicador
Carga aplicada
Muestra fija
Contra-muestra fija
Carga
Aceite dosificado Colocar aceite Aceite
Control para nivel de aceite Presencia de aceite
Contenedor
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
111
Desgaste por fatiga de contacto de rodadura de
la muestra
Carga aplicada
Aceite
Muestra
Contramuestra
Movimiento rotatorio
Aceite
Carga
Material de desgaste
Espécimen desgastado
Figura 5-4 (c) Funciones complementarias.
Figura 5-4 (d) Funciones complementarias.
Programar y encender la maquina
Energía eléctrica Cuenta-horas
Orden “inicio” Presencia de energía
Contador
Rectificado Controlador
Velocidad de giro de la muestra
Orden “controlar RPM”
Reductor
Movimiento rotatorio
Controlar vibración
Orden “calibrar sensor”
Sensor
Movimiento rotatorio
Energía eléctrica
Informe encendido- apagado
Marcador cuenta- horas
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
112
SEGUNDO NIVEL
Descomposición de la función “Programar y encender la máquina”
Figura 5-4 (e) Funciones complementarias.
Descomposición de la función “Velocidad de giro de la muestra”
Figura 5-4 (f) Funciones complementarias.
Transformar energía
Presencia de energía
Transformador
Contar horas
Orden “inicio”
Contador Energía eléctrica Número de horas
Marcador de horas
Informe encendido-apagado
Transformar energía
Orden “controlar RPM”
Transformador de energía
Energía eléctrica controlada Reducir
RPM
Movimiento rotatorio
Reductor
Movimiento rotatorio
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
113
Descomposición de la función “controlar vibración”
Figura 5.4 (g) Funciones complementarias.
3. Generación de conceptos
En este punto de la metodología de diseño, se busca generar la mayor
cantidad de posibles conceptos, es en esta etapa en donde el proceso
creativo debe ser al máximo.
Existen diversos estilos de desarrollar este punto; se puede proceder de
manera intuitiva, bosquejando algunas soluciones y organizándolas
para evaluarlas posteriormente. La lluvia de ideas, es un método que
pretende obtener una serie de ideas encaminadas a resolver un
problema y determinar el valor de las ideas, con sus posteriores
mejoras, como lo maneja la sinéctica, que se basa en la unión de
conceptos ya establecidos, para la mejora o desarrollo de un producto.
Transformar energía
Orden “calibrar sensor”
Transformador de energía
Energía eléctrica controlada Ajustar
sensor
Movimiento rotatorio
Calibrador
Movimiento rotatorio
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
114
Existen muchos métodos para la generación de conceptos, que si en
esta tesis se describieran, seria necesario agregar varios capítulos
dedicados a la explicación de ellos.
Las matrices de conceptos tienen una gran importancia en la
metodología de diseño, con la ayuda de esta técnica, se desarrollarán
los conceptos para el prototipo a diseñar. Esta, se construye a partir de
dos entradas: en la columna del lado izquierdo se anotan las funciones
que se quieren realizar, y sobre las filas se anotan las propuestas de
solución. En la tabla 5-4, se ilustra la matriz de conceptos, para el
desarrollo del prototipo de la máquina tribológica para medir el
desgaste por fatiga de contacto de rodadura.
Tabla 5-4. Generación de conceptos. Función A b c d ∑
A1. Colocar muestra Manual Robotizada 2 A2. Colocar contramuestra Manual Robotizada 2 A3. Colocar aceite Hidroneumática Toma Bomba Manual 4 A4. Colocar carga Manual Robotizada 2 A5. Conectar, programar y encender la máquina
Computarizado PLC Digital 3
A6. Calibrar sensor Manual Automático 2 A7. Aplicar carga Pistón
hidráulico Pistón
neumático Piñón y
cremallera Resorte 4 Motor eléctrico 1
A8. Giro de la muestra Engranes Poleas Engrane
sin fin Piñón
engrane 4
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
115
Los dispositivos desarrollados de las matrices morfológicas brindan
una amplia gama de soluciones para realizar el desarrollo del
producto.
Cada elemento por sí solo, puede dar origen a un prototipo nuevo; sin
embargo, siempre es necesario encontrar la mejor combinación de
ellas; el siguiente paso de la metodología de diseño es hacer la
evaluación de los conceptos generados.
4. Evaluación de conceptos de diseño y concepto de diseño.
La evaluación de conceptos, es la parte final de la fase de diseño
conceptual. Su objetivo es el de seleccionar el mejor concepto de diseño
de entre los que se generaron previamente.
La meta consiste en invertir mayor cantidad de recursos para decidir
cual es el concepto idóneo que en la etapa de diseño de detalle se
desarrollará por completo.
Existen diversos métodos y criterios para valorar los conceptos
generados. Sin embargo, para la evaluación de conceptos se tomará en
cuenta primero la factibilidad de cada uno estos, y de aquellos
conceptos que pasen se evaluarán por la disponibilidad tecnológica
para realizarlas. En las tablas 5-5 y 5-6 analizaremos cada una de las
funciones contra los diferentes conceptos generados y los calificaremos
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
116
en una columna de evaluación con diferentes valores dependiendo el
concepto y la tabla a la que nos estemos refiriendo.
Tabla 5-5 Evaluación por factibilidad de conceptos.
Evaluación 1- no funciona
2- podría funcionar si se hacen ajustes Función Opciones
3- es muy factible
Manual 3 Robotizada 2 A1. Colocar muestra
Manual 3
Robotizada 2 A2. Colocar contramuestra
Hidroneumática 1 Toma 2
Bomba 3 A3. Colocar aceite
Manual 3 Manual 3
Robotizada 2 A4. Colocar carga
Computarizado 2 Manual 3
PLC 1 A5. Conectar, programar yencender máquina
Digital 3 Manual 3
Automático 3 A6. Calibrar sensor
Pistón hidráulico 3 Resorte 2
Pistón neumático 3 A7. Aplicar carga
Piñón y cremallera 3 Engranes 3
Poleas 3 Engrane sin fin 1
A8. Giro de la muestra
Piñón engrane 1
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
117
Tabla 5-6. Evaluación por Disponibilidad Tecnológica
A partir de los conceptos elegidos, la configuración óptima para la
máquina tribológica para medir la fatiga por contacto de rodadura,
está definido por la tabla 5-7, donde se muestran los resultados
obtenidos de la evaluación de conceptos [28].
Evaluación1- desarrollada2- disponible3- al alcance para su utilización
Manual 3
Manual 3
Bomba 3Manual 3
Manual 3Manual 3Digital 3
Manual 3Automatico 1
Piston hidráulico 2Piston neumático 2Engranes 3Engranes 2Poleas 3
Pasa
A3. Colocar aceite
A5. Conectar, programar y encender la máquina
A6. Calibrar sensor
A1. Colocar muestra
A2. Colocar contramuestra
A7. Aplicar carga
A8. Giro de disco
Función Opciones
A4. Colocar carga
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
118
Tabla 5-7. Resultados de la evaluación de conceptos.
Resultados de la selección de conceptos A1. Colocar muestra Manual A2. Colocar contramuestra Manual A3. Colocar aceite Manual o Bomba A4. Colocar carga Manual A5. Conectar, programar y encender la máquina
Manual o Digital A6. Calibrar sensor Manual A7. Aplicar carga Piñón y cremallera A8. Giro de la muestra Poleas
5.3 DESARROLLO DE LA MÁQUINA
Para simular cualquier mecanismo de daño se deben tener en cuenta
las variables involucradas en el mismo. En el caso que nos atañe estas
son la aplicación de una carga y un movimiento circular de número de
revoluciones constante. Se plantearon dos líneas de trabajo, la creación
de una máquina desde cero y la adaptación de una máquina
herramienta existente en mercado.
Sobre cada línea se evaluaron las siguientes variables: Calidad del
equipo, seguridad, confiabilidad, costo, tiempo de ejecución.
Luego de realizar un estudio de ambas hipótesis con respecto a las
consideraciones de diseño se observó que para lograr un adecuado
costo de fabricación, de funcionamiento, sencillez, confiabilidad,
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
119
utilidad y mínimo mantenimiento, se debía optar por la adaptación de
una máquina herramienta existente en mercado. Debido a que algunas
de las consideraciones de diseño planteadas para resolver el problema
son la premisa fundamental en el diseño y construcción de estas
máquinas.
Una vez seleccionada la hipótesis de trabajo, se comenzó la búsqueda
de la máquina herramienta que cumpla con los requerimientos del
problema. Estos requerimientos son las características del mecanismo
de daño a estudiar. Estos son movimiento relativo de una superficie
respecto de otra en contacto bajo carga. El estudio se centra en el
deslizamiento de una superficie esférica sobre un plano. Para obtener
este deslizamiento es necesario un movimiento circular y la aplicación
de una carga constante. Bajos estos requerimiento se determinó que
existen dos máquinas sencillas capaces de entregar un movimiento
circular y la aplicación de una carga. Estas son la fresadora vertical y el
taladro de banco.
Se evaluaron ambas bajo las consideraciones de diseño citadas
anteriormente, además de observar que la sujeción y el posicionado de
la pieza sean confiables y sencillos. De estas se determinó que la mejor
adaptación a nuestras intenciones era el taladro. Debido a que el costo
y sencillez requeridas no eran compatibles con las características de la
fresadora ( Ver anexo B).
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
120
5.3.1 REDISEÑO DE LA MÁQUINA ADQUIRIDA
El rediseño será realizado teniendo en cuenta las solicitaciones
deseadas para el ensayo. Para tener una idea de cual es el punto de
partida, se realizará una evaluación de la máquina, contando entre
otras con un pre-ensayo. En este pre-ensayo se medirán de forma
exhaustiva vibraciones, alineaciones, temperatura de operación del
motor, de los cojinetes.
Pieza de sujeción
Se evaluaron dos alternativas diferentes, una constaba de un cono
hembra para su sujeción al husillo, pero variaba en la forma de tomar
la probeta. Una alternativa era construirle a la probeta un cono hembra
en su centro y que la pieza de sujeción constara de un cono hembra,
para su sujeción en el husillo y una rosca Macho W 5/8’’. La otra era
construir un cilindro en cuya parte superior fuera sujetada por el
mismo mandril del taladro y una rosca Macho W 5/8” en la parte
inferior para sujetar la probeta. Se seleccionó esta segunda opción
debido no sólo a la facilidad y sencillez para extraer la probeta sino
también a su facilidad para el maquinado.
Esta pieza de sujeción fue realizada en acero inoxidable. Partiendo de
un cilindro macizo de diámetro 2", se procedió al maquinado de la
misma (Ver anexo A).
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
121
Probeta utilizada en la máquina de FCR
El diseño de la probeta fue elegido a partir de la mejor configuración
adaptable al porta probeta y al rodamiento necesario para efectuar los
ensayos.
La probeta estándar se muestra en la figura 5-5 y es normalmente
producida desde una barra cilíndrica de aproximadamente un
diámetro de 76,2 mm (3”).
Figura 5-5. Probeta utilizada para los ensayos
El tratamiento térmico, torneado y rectificado se llevan a cabo
utilizando equipamiento y herramientas convencionales.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
122
Se utiliza, en la fase de puesta a punto de la máquina, acero AISI 4140
templado, y AISI 1045 templado que pueden lograr una dureza
superficial de aproximadamente 60 HRC y 58 HRC respectivamente.
Esto se elige debido a que la dureza promedio de las bolillas de
cojinetes es de 65 HRC.
Básicamente, el objetivo ha sido conseguir niveles finales de acabado
superficial comparables con aquellos producidos en cojinetes de
motores, pues una rugosidad superficial adecuada actúa como
receptáculo para el aceite y a la vez produce un efecto hidrodinámico,
por lo que el requerimiento normal de rugosidad media aritmética
Ra=0,8 µm no debe excederse. La precisión en la altura de la probeta se
debe al hecho de tener que mantener la palanca de aplicación de cargas
en posición horizontal para asegurar el brazo de palanca; además
garantiza la intercambiabilidad de probetas durante ensayos bajo la
misma carga sin la necesidad de efectuar un re-centrado y posicionado
de la cuba. La precisión en la perpendicularidad entre la superficie de
trabajo y el eje de giro se requiere para asegurar la distribución
homogénea de la carga sobre todos los puntos de contacto.
Todas las probetas se prueban mediante ensayos de dureza y, luego
del mecanizado, en dimensiones y acabado superficial; siendo
registrados los resultados.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
123
Cada probeta se utiliza típicamente para obtener un ensayo individual,
aunque podría utilizarse la cara opuesta a la inicialmente de trabajo,
mecanizándola con la precisión y acabado superficial requeridos.
Como se mencionó anteriormente, un parámetro a tener en cuenta es la
duración de los ensayos de fatiga de contacto. Para acelerar los mismos
se induce la nucleación de fisuras mediante la colocación de improntas
sobre el camino de rodadura, utilizando el indentador Rockwell C en
la región de precarga. Con esta metodología se intenta obtener la
nucleación de fisuras en la superficie o muy cerca de ésta en sitios
prefijados. También se trata de acotar el número de factores que
influyen en la dispersión de resultados, característica de los ensayos de
fatiga.
Figura 5-6. Fotografía de un defecto artificial HRC (DA HRC) observándose la forma de
casquete esférico.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
124
Selección del rodamiento
El dispositivo fue diseñando seleccionando un cojinete de empuje de
simple efecto de un catalogo estándar.
La selección se basó en obtener la máxima tensión de contacto a través
del compromiso entre cantidad de bolas del rodamiento y la tensión
Hertziana máxima que depende de las dimensiones de las pistas y
elementos rodantes.
Se evaluaron tres alternativas utilizando el cálculo de tensiones según
Timoshenko, las que consideraron los cojinetes bajo denominación
51208, 51307 y 51107 con las características indicadas en los manuales
de rodamientos [29] [30]. Los resultados de esta evaluación están
volcados sobre la tabla 5-8.
Tabla 5-8. Cantidad de bolas vs. Tensión Hertziana máxima [29] [30].
Roda_
miento
Cantidad
de bolas
Carga dinámica
[kg]
Φbola R1 R1’ R2 R2’ a [mm] P/pt [N] P [N] P0 [MPa]
51208 13 3450 10 5 5 8 8 0,140 1000 76,9 1864
51307 10 4300 12,7 6,35 6,35 8 8 0,166 1000 100 1732
51107 17 1560 6 3 3 8 8 0,108 1000 59 2387
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
125
Sobre la base de los resultados obtenidos, mediante el cálculo se
selecciona un rodamiento axial de bolas de simple efecto bajo
denominación 51107 dado que es el que mejores prestaciones ofrece de
acuerdo al compromiso entre número de bolas y tensión Hertziana
máxima.
Figura 5-7. Dibujo esquemático del funcionamiento de la máquina de FCR
5.3.2 LUBRICACIÓN DEL SISTEMA
Las superficies de contacto tienen un movimiento relativo que es de
rodadura y deslizamiento. En condiciones ideales el lubricante evita
Pieza de sujeción
Probeta
Aceite lubricante
Rodamiento
Base de rodamiento
Cuba
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
126
considerablemente el contacto íntimo de las superficies rodantes y
deslizantes, disminuye el rozamiento y en consecuencia el desgaste, y
protege contra la corrosión. También cumple con la tarea de refrigerar.
La lubricación elastohidrodinámica (EHD) es el fenómeno que ocurre
cuando se introduce un lubricante entre superficies que están
sometidas a elevadas tensiones de contacto como es el caso de FCR.
Por un lado el lubricante es forzado a introducirse en la zona de
contacto a través de un efecto hidrodinámico; por otro lado, las
superficies se deforman elásticamente ante la elevada presión de
contacto y como tercer factor que posibilita la lubricación en la FCR se
origina un incremento notable de la viscosidad del lubricante
confinado entre las superficies con la presión, pues la viscosidad está
relacionada en forma exponencial con la presión.
De esta forma el lubricante debe tratar de distribuir uniformemente la
presión de contacto que de otro modo no sería Hertziana, si como en el
contacto sin lubricantes las superficies se tocan a través de las micro-
asperezas.
El dispositivo para lubricación por aceite fue concebido
cuidadosamente y regulado de manera óptima. La lubricación por
aceite es absolutamente necesaria cuando el mismo tiene que
encargarse del transporte del calor, tal es el caso de la FCR.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
127
Los sistemas de lubricación por aceite usuales, son los probados
durante el uso cotidiano, pudiéndose seleccionar entre las siguientes
alternativas:
• Lubricación por baño de aceite o por inmersión
• Lubricación por proyección de aceite
• Lubricación por circulación forzada de aceite
• Lubricación con aceite nuevo
5.3.2.1 LUBRICACIÓN POR BAÑO DE ACEITE O POR
INMERSIÓN
Se decide emplear este sistema de lubricación por ser el más sencillo y
económico de implementar, dado que no se requieren dispositivos de
bombeo, inyección, refrigeración, etc.
En este tipo de lubricación el rodamiento y la superficie a ensayar de la
probeta están constantemente en contacto con el aceite, debiendo el
nivel de aceite cubrir completamente las bolillas cuando la probeta no
ha sido posicionada sobre las mismas.
Como no hay manera de hacer circular o enfriar el lubricante, éste pasa
por la superficie de rodadura, se calienta y se vierte en la cuba. El calor
se elimina por convección, conducción y radiación, y finalmente el
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
128
sistema alcanza una temperatura de equilibrio, para ello se dispone el
aceite en una cuba de gran capacidad de manera de asegurar la
transferencia de calor.
Los intervalos de cambio de aceite se rigen por el envejecimiento y por
el grado de ensuciamiento; el porcentaje de partículas sólidas no debe
ser mayor de 0,2%.
5.3.2.2 SELECCIÓN DEL ACEITE
La viscosidad del aceite es la propiedad física característica que
determina su poder de lubricación o de separar las superficies en
movimiento relativo. La viscosidad es la resistencia que oponen las
capas del líquido vecinas a su desplazamiento relativo. Se distingue
entre viscosidad dinámica η y viscosidad cinemática ν, las que se
relacionan mediante la siguiente ecuación:
η = viscosidad dinámica [1 cP = 10-3 N s/m2]
η = ρ ν ν = viscosidad cinemática [1 cSt = 10-6 m2/s]
ρ = densidad [103 kg/m3]
De los aceites para la lubricación de rodamientos se exige excención de
acidez y un alto grado de pureza. Los aditivos que generalmente
contienen los aceites para engranajes no dañan a los rodamientos.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
129
En vista de lo recomendado por los fabricantes de rodamientos se
selecciona el lubricante Shell Tellus 100, un aceite mineral con
viscosidad International Organization for Standardization (ISO) grado
100, de alta refinación.
Este lubricante presenta los valores típicos de análisis citados en la
tabla 5-9.
Tabla 5-9. Valores típicos de análisis
Aceite
Hidráulico
Densidad Viscosidad
cinemática
Viscosidad
cinemática
Punto de
inflamación
Punto de
escurrimiento
Índice de
viscosidad
Shell Tellus
100
0.882 a 15 ºC 97.8 a 40 ºC 10.9 a 100 ºC 238 COC ºC -24ºC I.V. 96
*Valores proporcionados por el fabricante
5.3.3 MECANISMOS AUXILIARES
Para la aplicación de la carga se desarrolla un mecanismo simple
basado en la regla de la palanca, mediante la aplicación de una carga
dada a una determinada distancia, teniendo la posibilidad de variar
ambos parámetros (fuerza y distancia).
La carga se aplicará mediante la adición de pesas de 3 kg cada una,
sobre un sistema porta-pesas, que a su vez puede deslizarse sobre una
varilla.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
130
La elección de los 3 kg para cada pesa se debe a que, el mismo, es un
peso que puede manipularse en forma simple y segura. La geometría
de dichas pesas considera el montaje (y desmontaje) sencillo de dichas
pesas, además de las limitaciones de espacio debido a la interferencia
de la cuba.
El sistema porta-pesas cuelga de la varilla (palanca) a través de una
rótula, la que garantiza que la carga se encuentre siempre en posición
vertical independientemente de posibles variaciones con respecto a la
horizontalidad de la varilla (palanca).
Considerando la medida de la distancia entre centros de la cremallera
(punto de aplicación de la carga sobre la probeta) y el piñón, que es de
25 mm, se determina el brazo de palanca necesario para la aplicación
de cargas -sobre la probeta- con valores variables hasta 450 kg, debe
tener una longitud de 400 mm. Para ello se utiliza una varilla de "acero
plata" debido a que la misma tiene un diámetro nominal preciso y
presenta un acabado superficial adecuado para lograr el correcto
deslizamiento de la rótula. La rótula se fija a la varilla por medio de un
tornillo que se asegura mediante un agujero roscado, el cual bloquea
el movimiento axial, evitando que la rótula (carga) se desplace como
consecuencia de las vibraciones generadas durante cada ensayo.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
131
5.4 TABLERO DE MANIOBRA Y CONTROL
Los elementos eléctricos y electrónicos se encuentran alojados dentro
de una caja metálica. La misma se eligió para que actúe como "jaula de
Faraday" dada la sensibilidad del circuito electrónico al ruido eléctrico,
sobretodo considerando la presencia de otras máquinas en la zona
donde estará situada la máquina.
El analizador de vibraciones cuenta con un circuito amplificador de la
señal recibida del transductor piezoeléctrico. Posteriormente la señal
amplificada pasa a través de un potenciómetro donde se regula el nivel
pico de corte de un relé. Esto funciona de la siguiente manera: al recibir
la señal desde el transductor, la misma es amplificada; la salida del
amplificador puede ser regulada mediante el potenciómetro que
establecerá el nivel de vibraciones máximo admisible sobrepasado el
cual enciende un led rojo y, simultáneamente, se dispara un relé, a
cuya salida se conecta la bobina del contactor del motor de
accionamiento. Esta señal hace detener la marcha del motor, y, el
cuenta horas de funcionamiento.
De esta manera registrando el valor indicado por el cuenta horas y
considerando el número de revoluciones (RPM) al que giraba la
probeta se establece rápidamente el número de ciclos transcurridos
hasta que se produjo una falla que indujo un nivel de vibraciones
inadmisible.
CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
132
El cuenta horas de funcionamiento se eligió del tipo acumulativo sin
reset, porque además de contar las horas de funcionamiento de cada
ensayo, cuenta las horas de servicio de la máquina pudiéndose utilizar
como un indicativo para las tareas de mantenimiento de la máquina.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
133
CAPITULO VI
PRESENTACIÓN DEL
PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
134
6.1 PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO 6.1.1 DESCRIPCIÓN DE SUS COMPONENTES
• Máquina tribológica de FCR
Después de terminado el diseño y la manufactura de algunos de los
componentes, se procedió a la integración de éstos para construir el
prototipo cuyo dibujo de concepto se presenta a continuación en la
figura 6.1.
Figura 6.1. Dibujo de concepto de máquina de FCR.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
135
El equipo que se construyo, se presenta en la figura 6.2:
Figura 6.2. Componentes de la máquina de FCR.
La máquina tribológica se compone de los siguientes elementos:
• Taladro de banco (1) • Palanca porta pesa(2) • Mueble de la máquina (3) • Cuba (4) • Pesa (5) • Buje porta pesa (6) • Buje porta palanca (7) • Porta probeta, probeta, rodamiento y base de rodamiento. (8)
8 3
45
2 1 6
7
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
136
• Conjunto Probeta- Rodamiento
Figura 6.3. conjunto Probeta- Rodamiento.
El conjunto Probeta- Rodamiento se encuentra formado por:
• Porta probeta (9)
• Probeta (10)
• Rodamiento (11)
• Base de rodamiento (12)
• Aceite (13)
11
10
11
12
9
13
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
137
• Tablero de Control
(a)
(b)
Fig. 6.4 Tablero de control a) cerrado, b) abierto.
5
7
4
6
8
2
1
3
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
138
El tablero consiste en un armario metálico estanco donde irán alojados:
• Contactor de puesta en marcha (1)
• Cuenta horas de funcionamiento (2)
• Analizador de vibraciones (3)
• Switch de arranque y paro (4)
• Indicador luminoso (verde) de funcionamiento normal (5)
El analizador de vibraciones cuenta con un panel donde se observan
los siguientes elementos:
• Pulsador de reset (6)
• Piloto indicador de relevador disparado (7)
• Potenciómetro de regulación de nivel pico (8)
El cálculo del costo total del equipo y de las pruebas de FCR, se
presenta detalladamente en el anexo B de este trabajo.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
139
6.2 PRUEBAS PRELIMINARES 6.2.1 CÁLCULO DEL NÚMERO DE CICLOS DE CARGA
El cálculo del número de ciclos de carga a la que está sometida la
probeta durante los ensayos con probetas y rodamientos tal como los
descritos anteriormente se efectúa en base a consideraciones
puramente geométricas, siguiendo la notación indicada en la Fig. 6-5.
El resultado del cálculo mencionado se muestra a continuación:
A = arctg [D1 / (D / 2)] (6.1)
Donde:
D = diámetro de contacto probeta 44 mm
N = cantidad de balines 17
D1= diámetro balines 6 mm
A = ángulo de copa
A = arctg [D1 / (D / 2)] = 0,2662
Figura 6-5. Equipo esquemático para el cálculo de la velocidad de rotación
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
140
D2= diámetro de contacto de balines con copa
D2= D1 x cos A 5.7885 mm
D3= diámetro de paso de balin con jaula
D3 = D + D1 50 mm
D4 = diámetro de contacto copa con balín
D4 = D3 + D2 55.7885 mm
E = revoluciones balín por una revolución jaula
E = D4 / D2 9.6376
F = revoluciones probeta por una revolución jaula
F = 1 + E x D1 / D 2.2913
H = número de ciclos de carga entre balín y probeta por una
revolución de la jaula
H = F – 1 1.2913
K = número de ciclos de carga entre balines y probeta por una
revolución de la probeta
K = N x H / F 9,655.4
Verificación del número de ciclos de carga
Por otra parte, existe un segundo método para calcular el número de
ciclos de carga a la que está sometida la probeta, el cual consiste en el
siguiente cálculo:
F = V / V1 (6.2)
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
141
Donde:
N = cantidad de balines 17
V = velocidad probeta 1,540 r.p.m.
V1= velocidad jaula 654 r.p.m.
F = revoluciones probeta por una revolución jaula
F = V / V1 = 2.3547
H = número de ciclos de carga entre balín y probeta por una
revolución de la jaula
H = F – 1 1.3547
K = número de ciclos de carga entre balines y probeta por una
revolución de la probeta
K = N x H / F 9,780.3
Evidentemente existe compatibilidad entre los resultados obtenidos
mediante ambos procedimientos, esto es el cálculo geométrico y la
evaluación de valores medidos experimentalmente [22].
La pequeña distorsión existente se debe simplemente a que, para el
cálculo geométrico se basa en consideraciones estrictamente
geométricas y la verificación mediante la evaluación de los valores
medidos considera las condiciones reales de funcionamiento, donde
influyen factores tales como acabado superficial, dureza, viscosidad
del lubricante utilizado y temperatura.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
142
De acuerdo a lo expresado se concluye que el número de ciclos de
carga por hora de funcionamiento al que se encuentra sometida una
probeta en ella, es el siguiente:
n = 9,7803 [ciclos/rev] x 1.540 [rev/min] x 60 [min/hora]
n = 903,708 [ciclos/hora]
6.2.2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
La Figura 6-6 muestra un esquema parcial de la máquina de ensayo
desarrollada, donde se observan los componentes principales de la
misma: Probeta, balines, pista o contramuestra, soporte, cuba de aceite,
etc.
Figura 6-6. Esquema parcial de la máquina de ensayo, mostrando sus
componentes principales.
Balín
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
143
El fenómeno de FCR se genera mediante un rodamiento de empuje
axial de simple efecto, modelo 51107, en el cual la pista superior del
mismo es reemplazada por una muestra del material bajo estudio. La
mitad inferior del rodamiento se monta en su soporte, mientras que la
muestra gira, impulsada a través de una correa por un motor eléctrico.
La carga de ensayo, se aplica axialmente sobre la muestra a través de
un sistema de palanca, donde el valor de la misma surge de la relación
entre brazos empleada. La misma cuenta con una escala graduada y,
seleccionando el par adecuado, permite obtener cargas de ensayo sobre
cada balín, que pueden variarse entre 0 y 250 N.
Los diecisiete balines de 6 mm de diámetro, igualmente espaciadas por
una jaula, son cargadas axialmente (carga de empuje) contra la probeta,
a través del par seleccionada con el sistema de palanca.
El ensayo de FCR avanza, hasta que la degradación del camino de
rodadura, genera vibraciones tales que el sensor de vibraciones
(acelerómetro) detecta una señal, correspondiente al nivel
“deteriorado” o mayor. El cero del sensor de vibraciones es ajustado al
inicio de cada ensayo, llevándolo al mínimo que permita el
funcionamiento de la máquina de ensayos. De esta manera, cuando un
nivel de vibraciones preestablecido es excedido, indicando la presencia
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
144
de una fisura o daño superficial (spall), el motor es detenido
automáticamente. La duración de los ensayos es registrada por un
sistema electromecánico conectado al motor.
La probeta, mecanismo de carga y el motor de accionamiento forman
un conjunto anclado sobre una mesa nivelada, la cual está sostenida
por cuatro patas.
El rodamiento utilizado como contramuestra se eligió teniendo en
cuenta dos aspectos principales:
a) Que el mismo genere un elevado número de ciclos de carga por
unidad de tiempo.
b) Que la geometría del mismo, en particular el diámetro de las
bolas, produzca una tensión de contacto lo más elevada posible.
Por tal motivo, el rodamiento seleccionado es el número 51107.
La lubricación se efectúa por inmersión, lográndose la recirculación del
fluido, a través del aprovechamiento de la fuerza centrífuga producida
por el giro de la muestra. Ante la posible presencia de partículas de
desgaste en el lubricante, las mismas son retenidas en forma
magnética.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
145
La contramuestra (pista inferior), balines, y el aceite lubricante son
cambiados periódicamente. El régimen establecido, según pruebas
hechas al aceite y al rodamiento y pista inferior durante los ensayos de
FCR a través del programa de puesta a punto del equipo, es de un
cambio de aceite cada ensayo, un cambio de rodamiento cada 2
ensayos y un cambio de pista inferior cada cuatro ensayos.
Figura 6-7. Representación del rodamiento y la probeta en contacto
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
146
6.2.2.1 CONTROLES PREVIOS AL ENSAYO
Antes de realizar los ensayos se deben realizar los siguientes pasos,
para lograr que los ensayos representen la realidad.
• Determinar el material y el tratamiento térmico a estudiar.
• Determinar las características del ensayo, carga, velocidad de giro,
tipo de probeta.
• Verificar las medidas de las probetas y la perpendicularidad del
centro de la misma con sus caras;
• Verificar el correcto funcionamiento del medidor de vibraciones
(utilizar una probeta patrón)
• Verificar el estado y la cantidad del aceite dentro de la cuba.
• Establecer la carga a aplicar con el dispositivo fabricado a tal fin.
6.2.2.2 PROCEDIMIENTO
Los siguientes pasos se encuentran ordenados secuencialmente y son
aquellos que se deben seguir para la correcta realización de los
ensayos.
• Ubicar las pesas en posición para lograr la carga a aplicar
durante el ensayo.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
147
• Colocar la probeta en la pieza de sujeción.
• Aplicar la carga sobre las bolas del rodamiento.
• Ajustar el medidor de vibraciones en un nivel alto.
• Encender la máquina.
• Una vez que sobre la probeta se ha obtenido el camino de
rodadura (aproximadamente ½ hora de funcionamiento)
colocar el medidor de vibraciones en el nivel que se desea
corte el ensayo.
• Una vez culminado el ensayo retirar la probeta y marcarla con
un número de registro. El mismo que llevará en la hoja de
registros.
• Tomar una fotografía de los daños superficiales (pits) que se
han nucleado.
6.2.2.3 LLENADO DE LA HOJA DE REGISTROS
• Se debe llenar una hoja de registros por cada probeta, En la cual
se presentan los siguientes datos sobre la probeta ensayada:
N° de registro: Número con el cual se referencia la probeta
ensayada, se utiliza para el archivo de los resultados.
Material: denominación, tipo.
Tratamiento: Descripción del tratamiento térmico aplicado a la
probeta.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
148
Dureza de la muestra
Características del ensayo: carga aplicada, velocidad.
Tipo de probeta: medidas geométricas.
Fotografía: de las fisuras nucleadas.
Datos: cantidad de horas.
Observaciones: Datos extras que no encajen en ninguno de los
campos citados, por ejemplo, características de la falla.
Tipo de lubricante.
6.2.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS
A continuación se presentan los resultados obtenidos por cada ensayo
realizado en las hojas de registro, incluyendo toda la información
necesaria de cada prueba; también se puede observar las características
de los diferentes materiales de las probetas que se utilizaron y
fotografías de las mismas antes y después de cada ensayo. En donde se
muestra la trayectoria de rodadura y las indentaciones realizadas antes
de cada prueba.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
149
Probeta antes del ensayo Probeta después del ensayo
Figura 6.8. Probetas antes y después de cada ensayo de FCR.
Tabla 6.1. Características de los aceros usados en las pruebas.
Acero AISI 4140 Acero AISI 1045
Acero al cromo- molibdeno para
construcción de maquinaria.
Acero al .45% de carbono para
construcción de maquinaria.
Temple en aceite, entre 830 a 860
°C.
Temple en aceite o agua a 845 - 900
°C.
Dureza Rockwell de 60 Dureza Rockwell de 58
Análisis Básico %
.40 C, .25 Si, .88 Mn, .95 Cr, .20 Mo .45 C, .25 Si, .75 Mn
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
150
N° de registro: 4140_1 Ensayos de Fatiga de
Contacto por Rodadura
Fecha: 06/06/03
Material: AISI 4140
Tratamiento térmico: TEMPLADO EN ACEITE
Características del ensayo: CARGA DE 169.80 N, VELOCIDAD 1540 R.P.M.,
Tipo de Probeta: SECCIÓN CIRCULAR DE 60 MM DE DIÁMETRO, ESPESOR 15 MM,
ROSCA PASADA DE W 5/8”-18 EN EL CENTRO
Cantidad de horas: 12 HORAS 45 MINUTOS
Fotografía:
Principios de fractura. 25x Fractura. 25x
Observaciones: ACEITE LUBRICANTE SHELL TELLUS 100, 4 INDENTACIONES A 90°
DE 100 N SOBRE EL CR.
Realizó: ING. ALEJANDRO HERRERA G.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
151
N° de registro: 4140_2 Ensayos de Fatiga de
Contacto por Rodadura
Fecha: 10/06/03
Material: AISI 4140
Tratamiento térmico: TEMPLADO EN ACEITE
Características del ensayo: CARGA DE 200 N, VELOCIDAD DE 1540 R.P.M.
Tipo de Probeta: SECCIÓN CIRCULAR DE 60 MM DE DIÁMETRO, ESPESOR 15 MM,
ROSCA PASADA DE W 5/8” EN EL CENTRO
Cantidad de horas: 9 HORAS 20 MINUTOS
Fotografía:
Principios de fractura. 25x Fractura. 30x
Observaciones: ACEITE LUBRICANTE SHELL TELLUS 100, 4 INDENTACIONES A 90°
DE 100 N SOBRE EL CR.
Realizó: ING. ALEJANDRO HERRERA G.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
152
N° de registro: 1045_1 Ensayos de Fatiga de
Contacto por Rodadura
Fecha: 12/06/03
Material: AISI 1045
Tratamiento térmico: TEMPLADO EN ACEITE
Características del ensayo: CARGA DE 169.80 N, VELOCIDAD 1540 R.P.M.,
Tipo de Probeta: SECCIÓN CIRCULAR DE 60 MM DE DIÁMETRO, ESPESOR 15 MM,
ROSCA PASADA DE W 5/8”-18 EN EL CENTRO
Cantidad de horas: 10 HORAS 16 MINUTOS
Fotografía:
Principios de fractura. 25x Fractura. 30x
Observaciones: ACEITE LUBRICANTE SHELL TELLUS 100, 4 INDENTACIONES A 90°
DE 100 N SOBRE EL CR.
Realizó: ING. ALEJANDRO HERRERA G.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
153
N° de registro: 1045_2 Ensayos de Fatiga de
Contacto por Rodadura
Fecha: 15/06/03
Material: AISI 1045
Tratamiento térmico: TEMPLADO EN ACEITE
Características del ensayo: CARGA DE 200 N, VELOCIDAD DE 1540 R.P.M.
Tipo de Probeta: SECCIÓN CIRCULAR DE 60 MM DE DIÁMETRO, ESPESOR 15 MM,
ROSCA PASADA DE W 5/8” EN EL CENTRO
Cantidad de horas: 8 HORAS 24 MINUTOS
Fotografía:
Principios de fractura. 25x Fractura. 25x
Observaciones: ACEITE LUBRICANTE SHELL TELLUS 100, 4 INDENTACIONES A 90°
DE 100 N SOBRE EL CR.
Realizó: ING. ALEJANDRO HERRERA G.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
154
• Resumen
Tabla 6.2. Resultados de las pruebas.
Acero AISI 4140
Carga Vida- Ciclos de carga x 106 Comparación %
169.80 N 12 hr 45 min x 903, 708 ciclos/hr = 11.251 18 % mas resistente
que AISI 1045
200 N 9 hr 20 min x 903, 708 ciclos/hr = 8.314 10% mas resistente
que AISI 1045
Acero AISI 1045
Carga Vida- Ciclos de carga x 106 Comparación %
169.80 N 10 hr 16 min x 903, 708 ciclos/hr = 9.181 18 % menos resistente
que AISI 4140
200 N 8 hr 24 min x 903, 708 ciclos/hr = 7.446 10% menos resistente
que AISI 4140
• Análisis de los resultados experimentales
El efecto de los esfuerzos cíclicos es producir grietas microscópicas en
los centros de las concentraciones de esfuerzos dentro del material o en
la superficie del mismo, lo cual, en forma consecuente, conduce al
crecimiento y la diseminación de grietas, lo que produce la fractura. La
fatiga entraña procesos de flujo microscópicos, y la extensión de grietas
macroscópicas. En los metales, las grietas por fatiga se originan en los
granos de la superficie que aparecen a partir de “bandas de
deslizamiento. Estas bandas de deslizamiento, sometidas a esfuerzos
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
155
contrarios, producen ranuras y plegamientos, lo cual depende de la
dirección del deslizamiento, y estos constituyen la base por la cual se
inician las grietas. El proceso de la fatiga se puede considerar como el
desarrollo progresivo de una grieta, a partir de fases submicroscópicas
de deslizamiento cíclico e iniciación de la grieta, pasando por la fase de
diseminación de las grietas macroscópicas, hasta llegar a la fractura
quebradiza. Un factor importante consiste en las concentraciones de
esfuerzo en la forma de indentaciones, ya que cuando se ha iniciado la
grieta por fatiga, suele ser muy tarde para evitar la falla [33].
Para el acero AISI 4140 y 1045, se determinó que con una carga de 200
Newtons, la fractura o el daño superficial se presenta en menos tiempo
con respecto a la otra probeta a la cual se le aplicó una carga de 169.80
Newtons. Esto se debió a que cuando existen mayores cargas, los
esfuerzos generados son más intensos en los puntos respectivos,
debilitándolos mecánicamente, lo que facilita la ruptura de la
estructura cristalina del material.
Comparando las pruebas entre probetas de acero construidas con acero
AISI 4140 y acero AISI 1045 se observa que la presencia de molibdeno y
cromo le provee una mayor dureza y compactibilidad al acero AISI
4140; como resultado se logra una mayor resistencia a los esfuerzos
generados por las cargas aplicadas, y por lo tanto, un periodo de vida
mas prolongado en comparación con el acero AISI 1045.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
156
CONCLUSIONES
Se fabricó un prototipo de fácil operación, de bajo costo, tanto de
fabricación como de mantenimiento u operación, el cual no requiere
capacitación especial para la preparación del ensayo.
La máquina de ensayos desarrollada para evaluar la resistencia a la
fatiga de contacto por rodadura se comporta en forma consistente y
confiable.
El uso de componentes estándar y de bajo costo de reposición como
son los rodamientos, sumado a la sencillez y bajo costo de fabricación
de las probetas, no se puede comparar con el precio de los equipos
similares, en consecuencia el costo por ensayo, es de aproximadamente
$305.
Se puede realizar con este equipo, investigación en el área de
regímenes de lubricación, principalmente al régimen de lubricación
elastohidrodinámica, así como conocer las propiedades mecánicas y
resistencia a la fatiga por FCR de los diferentes aceros que se emplean
en la construcción de máquinas y herramientas.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
157
Si bien, el trabajo continuo sobre el equipo de ensayo, permite conocer
con mayor detalle todos los aspectos relativos al mismo, los resultados
obtenidos hasta el presente son confiables.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
158
RECOMENDACIONES
• Que se realicen las modificaciones pertinentes para que este
prototipo sea patentado en México a la brevedad posible.
• Debe desarrollarse un sistema de monitoreo de vibración más
cercano a donde ocurre la falla, entre la probeta y el rodamiento,
para tener una mayor precisión del momento de fractura.
• Dar a conocer las bondades de este prototipo funcional de FCR
en congresos, seminarios, instituciones de educación públicas y
privadas del país, así como en el sector productivo.
• El tribómetro de FCR debe ser utilizado por alumnos de
licenciatura y posgrado de Ingeniería Mecánica, así como
ingenieros de la planta industrial; para evaluar adecuadamente
los fenómenos observados en fatiga de contacto por rodadura en
los aceros empleados en la industria.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
159
TRABAJOS FUTUROS
• Realizar modificaciones pertinentes, de acuerdo a las necesidades
que vayan surgiendo, como por ejemplo, añadir termómetros
para medir la temperatura del lubricante, calentadores por
resistencia para realizar pruebas con lubricante a mayor
temperatura, etc..
• Fomentar en las escuelas y universidades, a trabajar en proyectos
multidisciplinarios, así como el sector industrial, ya que de esta
manera, los prototipos tendrán mayor impacto en el desarrollo
científico tecnológico de México.
• Realizar trabajos de investigación aplicada para ser presentados
en revistas especializadas, así como en Congresos Internacionales
y Nacionales.
• Realizar caracterizaciones en diferentes aceros, con diferentes
condiciones, variando el tipo de aceite, rodamiento, velocidades
y cargas sobre los ensayos obteniendo un promedio de vida
(ciclos de carga) para cada material analizado.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
160
REFERENCIAS
[1] H. Holleck and y. Schier, Plasma Surface Engineering PSE ‘96
Conference Proceedings, September 1996, Garmisch-Partenkirchen, Germany.
[2] H. Holleck and V. Schier, Surf. Coat. Technol. 76-77, 328 (1995). [3]. T. P. Mollart, J. Haupt, R. Gilmore, and W. Gissler, Surf. Coat.
Technol. 86, 231 (1996). [4] Vite Torres, M., Flores Martínez, M., Villela Gonzáles, V. R.
¿porqué del desgaste?, Ponencia presentada en el Congreso Nacional de Ahorro de Energía. Guadalajara, Jalisco. México, Nov. 1994.
[5] Arnell R. D, Davies P. B., Halling J. and Whomes T. L ., Tribology
Principles and Design Aplications At. Ed. MacMillan, 1991. [6] Downson D, History of tribology, Longraman Group limited
London, 1979. [7] Hernández Morales Francisco, Charles A. Coulomb, Conalep,
Limusa, 1988. [8] Galbato, A.T., “Methods of testing for rolling contact fatigue of
bearings, ASTM, 1982 [9] Luis Eduardo Benítez Hernández. Ingeniero Mecánico. MBA.
Director de la carrera de Ingeniería Mecánica y Profesor de la Universidad Nacional de Colombia. “La Tribología como herramienta de dirección en el mantenimiento”
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
161
[10] "ASM Handbook", Vol. 18 Friction, Lubrication & wear technology, Ed. ASM international. U.S.A., 1998.
[11] Johnson, K. L.; 1985, “Contact Mechanics, “ Cambridge
University Press. [12] Hahn, G. T.; Bhargava, V.; Chen, Q. ; 1990, “The cyclic stress-
strain properties hysteresis loop shape, and kinematic hardening of two high- strength bearing steels,” Metallurgical Transactions.
[13] Hutchings, I.M., “Tribology, and Wear of Engineering Materials”
Edit. Edward Arnold. Uk. 1992 [14] Williams J.A., “Engineering Tribology.” Edit. Oxford Science
Publications. Uk. 1994 [15] Bhushan and Gupta. “Handbook of Tribology: Materials,
Coatings and Surface Treatments.”, Ed. McGraw-Hill. United States of America. 1991
[16] Suh, N., “Tribophysics”, Ed. Prentice Hall. New Jersey, USA.
1986. [17] Kragelskii, I. V. “Friction and Wear.” Ed. Butter Worths London
1965. [18] Francisco Martínez Pérez,; 1996, “La Tribologia. Ciencia y técnica
para el mantenimiento”; México. [19] Marks, “manual del ingeniero mecánico” [20] Pedro Alabarracin Aguillon, Ing. Mecánico U de A., Julio 24 de
2002, Medellín Colombia.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
162
[21] Hamrock, B. J. ; Dowson, D.; 1977, “Isothermal
Elastohydrodynamic Lubrication of Point Contacts. Part III – Fully flooded results”, Tras. Of the ASME, J. of Lubric. Technology.
[22] Ricardo Cesar Dommarco, ;1997, “Fatiga de contacto por
rodadura. Degradación y falla superficial”, Tesis de doctorado; Universidad Nacional Mar del Plata, Argentina.
[23] Swahn, H.,Becker, P. C., Vingsbo, O., 1976, “Martensite decay
during Rolling Contact Fatigue in ball bearings” Met. Transactions.
[24] Voskamp, A. P., 1986, “Rolling contact fatigue and the
significance of residual stresses” Residual Stresses in Science and technology, Ed. By E. Macherauch and V. Hauk. Partenkirchen, FRG.
[25] Rowe, C. N.; 1981, “Specific film thickness - A closer examination
of the effects of EHL film thickness and surface roughness on bearings fatigue,” ASLE Transactions.
[26] Merrit, H. E., 1971, “Gear Engineering,” Halsted Press, John
Wiley and Sons, New York. [27] Ramos Watanave Jorge, “Diseño Mecánico”, Agosto/2000,
Instituto Politécnico Nacional. [28] Alejandro Herrera Gurrutia; 2002, “Curso de Diseño Mecánico
para La Manufactura y el Ensamble”, ESIME Zacatenco. [29] VARIOS, 1977, "Manual de mantenimiento y recambio de
rodamientos", Ed.SKF. [30] VARIOS, 1977, "Manual rodamientos STEYR", Ed. STEYR.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
163
[31] A. Chevalier, J. Bohan; “Tecnología del Diseño y Fabricación de
Piezas Metálicas”, EDT. Limusa, 1998. [32] Sergio A. Villanueva Pruneda, Jorge Ramos Watanave; ” Manual
de Métodos de Fabricación Metalmecánica”, AGT Editor, 1997. [33] Zbigniew D. Jastrzebski.; “ Naturaleza y Propiedades del os
Materiales para Ingeniería”, Editorial Interamericana, 1979.
CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES
DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA
164
ANEXO A
CALCULO DEL COSTO TOTAL DEL EQUIPO
Costos de fabricación
La inversión total de capital para diseñar, construir y poner a punto el
equipo para ensayos de FCR se determina por los costos directos
listados en la siguiente tabla.
Costos de fabricación
Costos directos Valor [$]
Equipos/ Materiales 5000.00
Mano de Obra 2000,00
Energía eléctrica 250.00
Mantenimiento 100,00
Aceite lubricante 445.00
Total 7795.00
Cálculo del costo por ensayo
El costo por ensayo incluye, un cambio de rodamiento por cada 2
ensayos, una probeta por ensayo y un cambio de aceite cada ensayo.
Cada probeta tiene un costo de $150.00, pero tiene dos caras útiles de
trabajo.
Costo por ensayo
Costos directos Valor [$]
Rodamiento 120.00
Probeta 150.00
Aceite lubricante 10.00
Energía eléctrica 25.00
Total 305.00
Rodamiento axial de bolas de simple efectomodelo SKF 51107
Kgr/minKgmm
0.090560043001,2239001560125235
A1CoCHDd
Pesos Limites de velocidad
Lubricacion conGrasa Aceite
Coeficiente de carga
minima
Cargas básicasDinamica estatica
Diemsiones principales
Diagrama de despiece de un taladro de banco
PROPUESTA DE DISEÑO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA MEDIR EL DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA
Manuel A. Herrera Gurrutia *, Manuel Vite Torres *, Jorge Ramos Watanave *,
Ricardo Dommarco **. * Departamento de Ingeniería Mecánica, Grupo de Tribología, SEPI ESIME IPN.
México, D. F., C. P. 07738, México. e-mail: [email protected]
** Facultad de Ingeniería, Mar del Plata, Argentina
RESUMEN El presente trabajo, propone el diseño de un prototipo funcional, destinado a evaluar la resistencia a la fatiga por contacto de rodadura. Este, funcionará a alta velocidad, aproximadamente, a 1500 RPM, con una carga de hasta 250 N. Asimismo, su costo de fabricación es relativamente pequeño; las probetas que se empleen también son muy económicas. La detección de las fallas por fatiga se realiza a través de un sistema de medición de vibraciones. Este prototipo, se desarrollará por el grupo de tribología en el Departamento de Ing. Mecánica de la SEPI, ESIME, IPN. La metodología empleada en el diseño del prototipo se realizó por medio de la técnica conocida como Extracción de Tecnología junto con la de Despliegue de Funciones de Calidad (QFD). Todo ello, permitió establecer los principales requerimientos u objetivos básicos de funcionamiento del tribómetro mencionado.
ABSTRACT The present work, explains the proposal of designing a functional prototype, destinated to evaluate the rolling contact fatigue. This prototype will work at high speed, 1500 RPM aprox. with a load up to 250 N, its manufacturing as well as the specimens are very cheap. The fatigue failures detection is measured with a vibration system. The tribology group in the Department of Mechanical Engineering of the SEPI, ESIME, IPN will develop this prototype. The methodology used in the designing process of the prototype was by technique known as Extraction of Technology along with the Quality Functions Deployment (QFD). All together allowed to establish the main basic objectives of the prototype development that constitutes the tribometer above mentioned.
PALABRAS CLAVES
- Tribología - Desgaste por fatiga - Fatiga de contacto
- Tribómetro
1. INTRODUCCION La tribología es la ciencia que estudia el comportamiento de las superficies que se encuentran sometidas a carga, en contacto y movimiento relativo; por lo tanto los fenómenos de fricción, desgaste y la lubricación, son tópicos propios de esta ciencia. En el grupo de tribología del Departamento de Ing. Mecánica de la SEPI, realiza trabajos de investigación y desarrollo de equipos que están dirigidos principalmente al estudio del desgaste según sus diferentes mecanismos. En particular, el desgaste por Fatiga de Contacto de Rodadura (FCR), ha recibido especial atención. En tal sentido, se pretende construir un prototipo para evaluar dicho fenómeno [2]. El estudio de un mecanismo de desgaste requiere, necesariamente, el empleo de un equipo para llevar a cabo ensayos, que reproduzcan en el laboratorio el mecanismo de falla que se desea estudiar. En general la falla por FCR, se presenta en forma repentina y resulta muy dificultoso localizarla durante su etapa de nucleación o crecimiento. Se manifiesta una vez que el proceso ha avanzado, produciendo el desprendimiento de material y dejando microcavidades en la superficie de rodadura, conocidas como astillamientos (pits o spalls) [3]. El equipo de ensayo de FCR a desarrollar en el presente trabajo permitirá realizar estudios relativos al modo de falla en la FCR, especialmente, enfocado hacia el modo superficial temprano. Frecuentemente, se deben resolver problemas en los que dos elementos de máquina trabajan en contacto entre sí por rodamiento, deslizamiento o una combinación de contacto rodante y deslizante, con cargas cíclicas, produciéndose entre los mismos desgaste por FCR, la misma es causa frecuente de falla en elementos tales como [4]: • Dientes de engranaje
• Contacto rueda/ riel
• Sistema leva/ seguidor
• Rodamientos
El presente trabajo, propone desarrollar un prototipo para evaluar la resistencia a la FCR, que presente una elevada velocidad de giro en el ensayo, facilidad de montaje, bajo costo, confiabilidad en la detección de la falla, consistencia en los resultados y facilidad de operación. En el mismo, se utilizará un sensor de vibraciones para la detección de la falla, el cual se desarrollara y construirá por el grupo de tribología. Asimismo el diseño apunta a la posibilidad de evaluar la resistencia a la FCR de diferentes materiales con o sin tratamientos superficiales, y no solo de un elemento de máquina en particular. De esta manera el nuevo equipo presentara, importantes ventajas en lo que respecta a utilidad, sencillez, facilidad de operación, análisis de muestra y la capacidad de funcionar automáticamente y sin atención directa de un usuario sobre una base de operación de 24-h, 7 días a la semana. 2. METODOLOGIA DE DISEÑO Para llevar a cabo la realización de esta tarea, se acudirá a trabajos previos sobre el tema , así como a la experiencia previa que se tiene en la construcción de otros prototipos utilizados en el laboratorio de tribología de la SEPI-ESIME y en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Mar del Plata. El desarrollo del tribómetro para efectuar el ensayo de FCR se justifica por las siguientes razones: • Es un problema de ingeniería mecánica que requiere
de diseño. • Es necesario tener la máquina para continuar con el
estudio y la investigación que concierne a la tribología.
• El grupo de tribología de la SEPI-ESIME, tiene el compromiso de estar a la vanguardia con la tecnología de punta en lo relacionado con el estudio de la fatiga de contacto por rodadura.
Esta metodología se desarrolla en las siguiente etapas 1.- Comprensión del problema 2.- Diseño conceptual 3.- Desarrollo de la maquina 2.1. COMPRENSIÓN DEL PROBLEMA En la etapa de compresión del problema se hace uso de la metodología del QFD, dividida en los siguientes seis pasos [5] :
i) Identificar al cliente. Laboratorio de tribología, SEPI- ESIME IPN, Zacatenco. -Usuario: Alumnos, maestros e investigadores -Producción: Taller de máquinas herramientas.
ii) Determinar los requerimientos y expectativas del cliente.
- Requerimientos obligatorios: Se entiende como requerimientos obligatorios, aquellos, cuyo cumplimiento es indispensable; sin ellos, el producto no podrá considerarse satisfactorio en ningún grado. - Requerimientos deseables: Los requerimientos deseables son aquellos que admiten cierta flexibilidad, de manera que su cumplimiento pueda ser parcial, en caso, de que si no se cumple en su totalidad, el producto puede considerarse aún como satisfactorio.
iii) Determinar la importancia relativa de los requerimientos y expectativas del cliente.
Requerimientos obligatorios [6]:
- Alta velocidad de giro - Sencillez - Confiabilidad. - Bajo costo de construcción - Cargas grandes - Seguridad del equipo durante su funcionamiento - Facilidad de operación. - Evitar vibraciones entre la probeta y la
contracara durante el ensayo - Que sea reproducible
Ponderación de los requerimientos deseables: 1) Bajo costo de fabricación de probetas 2) Bajo costo de reposición de contracaras 3) Bajo costo de mantenimiento 4) Que la vida útil de los componentes principales
mecánicos sea al menos de 3 años 5) El maquinado sea con máquinas universales 6) Que sea fácil de transportar
iv) Efectuar un estudio comparativo con los productos
de la competencia. Este estudio, consiste en analizar los productos de la competencia, para determinar en que grado satisfacen todos los requerimientos y expectativas de los clientes. Para este caso, como todavía se encuentra en la etapa inicial del desarrollo del producto, se tienen muy pocos elementos para incluirlo en un proceso de comparación con los existentes en el mercado.
v)Traducir los requerimientos y expectativas en términos mensurables de ingeniería.
En la tabla 1, se presenta la traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables.
Tabla 1. Traducción de los requerimientos.
REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE
REQUERIMIENTOS TECNICOS
UNIDAD DE MEDICION
Alta velocidad de ensayo.
Velocidad de ensayo RPM
Sencillez. Mínimo de piezas posibles No. Piezas
Confiabilidad. Pruebas defectuosas x 100 Pruebas totales
% Pruebas
defectuosas
Bajo costo de construcción.
Costo $M.N.
Cargas de ensayo. Carga de ensayo Newtons
Seguridad del equipo durante su funcionamiento.
Escolaridad del usuario
Factor de seguridad
Grado escolar
Adimensional
Facilidad de operación
Evitar al máximo vibraciones entre la probeta y la contracara durante el ensayo
Que tenga repetibilidad
Bajo costo de fabricación de probetas.
Precio de materiales y maquinado
$ M.N.
Bajo costo de reposición de contracaras.
Precio de materiales y maquinado
$M.N.
Bajo costo de mantenimiento. Costo de mantenimiento $M.N.
Que la vida útil de los componentes principales mecánicos sea de 3 años mínimo.
Vida útil de componentes Años
El maquinado sea con máquinas universales.
Maquinado Horas
Que sea fácil de transportar.
Que no sea voluminoso Metros cúbicos
vi) Establecer las metas de diseño.
- Alta velocidad de giro, hasta 2000 r.p.m.
- Sencillez de la máquina con el mínimo de piezas
posible.
- Confiabilidad con el 5% de pruebas defectuosas.
- Costo de construcción económico, entre 5000 y
7000 pesos.
- Cargas de ensayo entre 0 - 250 N.
2.2. DISEÑO CONCEPTUAL Dentro del diseño conceptual, se desarrollan las ideas fundamentales del producto. Un concepto es una idea que puede representarse mediante un esquema, croquis, diagrama, bosquejo o un modelo tridimensional aproximado. Este último, describe de manera aproximada el tipo de tecnología, los principios de funcionamiento y la forma general del producto. Algunos conceptos, se van generando de forma natural, a medida que se desarrolla la metodología del QFD. Particularmente, por el
conocimiento que se tiene de productos que cumplen con requerimientos semejantes a los que se han identificado. Este tipo de metodología conceptual se divide como sigue: 1.-La clarificación de los requerimientos del cliente, tiene por objetivo establecer el enlace entre la primera etapa del proceso de diseño (aplicación del QFD) y la etapa conceptual; de tal manera que incluya la función global de servicio del producto e identificar los límites del sistema. Por lo general, cada producto cumple con una o varias acciones de servicio; entre ellas, a las más importantes se les denominan funciones globales de servicio. Para este tribómetro dicha función queda definida como: “Diseñar una máquina para medir el desgaste por fatiga por contacto de rodadura”. 2. Definición del modelo funcional. Consiste en determinar las funciones que son necesarias, para satisfacer las necesidades del cliente; jerarquizar las diferentes funciones, determinar la relación que debe haber entre ellas, y describir esto gráficamente. El análisis funcional descendente, consiste en la sucesión coherente de diagramas de manera decreciente; es decir, procediendo desde lo más general hasta lo más particular. En la figura 1, se muestra el diagrama de funciones para producir el desgaste por FCR.
Desgaste por fatiga de contacto por rodadura
Muestra
Contramuestra
Carga
Aceite
Energía eléctrica
MuestraContramuestraCarga
Material del desgasteEspécimen desgastadoDisplay de cuenta-horasSeñal de encendido
Maquina Tribológica
Col
ocar
pro
beta
Con
trol
de
vibr
acio
nes
Con
trol
de
peso
Pres
enci
a de
car
ga
Pres
enci
a de
con
tram
uest
ra
Pres
enci
a de
ace
ite
Ord
en “
inic
io”
Pres
enci
a de
ene
rgía
Ord
en “
cont
rol d
e R
PM”
Desgaste por fatiga de contacto por rodadura
Muestra
Contramuestra
Carga
Aceite
Energía eléctrica
MuestraContramuestraCarga
Material del desgasteEspécimen desgastadoDisplay de cuenta-horasSeñal de encendido
Maquina Tribológica
Col
ocar
pro
beta
Con
trol
de
vibr
acio
nes
Con
trol
de
peso
Pres
enci
a de
car
ga
Pres
enci
a de
con
tram
uest
ra
Pres
enci
a de
ace
ite
Ord
en “
inic
io”
Pres
enci
a de
ene
rgía
Ord
en “
cont
rol d
e R
PM”
Fig. 1. Diagrama de funciones para producir el desgaste por
fatiga de contacto por rodadura. 3.-Generación de conceptos En este punto de la metodología de diseño, se busca generar la mayor cantidad de posibles conceptos, donde el proceso creativo se dispara al máximo. Existen estilos para desarrollar este punto; como es el proceder intuitivamente, bosquejando algunas soluciones
y organizándolas, para evaluarlas posteriormente. La matriz de conceptos, tienen una gran importancia, es donde se conciben las evaluaciones para el prototipo a diseñar. Esta, se construye a partir de dos entradas; en la columna del lado izquierdo, se anotan las funciones que se requieren realizar, en tanto que en las filas, se describen las propuestas de solución.
Tabla 2. Generación de conceptos
Función a b c d ∑
Colocar probeta Manual Robotizada 2 Colocar contracara Manual Robotizada 2
Colocar aceite Hidroneumática Toma Bomba Manual 4 Colocar carga Manual Robotizada 2 Conectar, programar y encender la máquina
Computarizado PLC Digital 3
Calibrar sensor Manual Automático 2
Aplicar carga Pistón hidráulico
Pistón neumático Engranes Resorte 4
Motor eléctrico 1 Giro de la probeta Engranes Poleas Engrane
sin fin Piñón
engrane 4
En la tabla 2, se ilustra la matriz de conceptos, para el desarrollo del prototipo de la máquina tribológica para medir el desgaste por FCR. Los dispositivos desarrollados por las matrices morfológicas, brindan una amplia gama de soluciones para realizar el desarrollo del producto. Cada elemento, por si sólo, puede dar origen a un prototipo nuevo. Sin embargo, siempre es necesario encontrar la mejor combinación de ellos. 4. Evaluación de conceptos de diseño y concepto de diseño. Es la parte final de la fase de diseño conceptual. Su objetivo, es el de seleccionar el mejor concepto de diseño de todos los que se generaron, previamente, en el análisis. La meta, consiste en invertir mayor cantidad de recursos para decidir cual es el concepto idóneo, en la etapa de diseño de detalle que debe desarrollarse totalmente. Existen diversos métodos y criterios para valorar los conceptos generados. Sin embargo, para la evaluación de conceptos se tomará en cuenta, primero, la factibilidad de cada uno éstos, aquellos conceptos que se acepten, se evaluarán por la disponibilidad tecnológica para realizarlos. A partir de los conceptos elegidos, la configuración óptima para la máquina tribológica para medir FCR, se encuentra definida por la tabla 3, donde se muestran los resultados obtenidos de la evaluación de conceptos [6].
Tabla 3. Resultados de la selección de conceptos.
Resultados de la selección de conceptos Colocar probeta Manual Colocar contracara Manual Colocar aceite Manual o Bomba Colocar carga Manual Conectar, programar y encender la máquina Manual o Digital Calibrar sensor Manual Aplicar carga Engranes Giro de la probeta Poleas 2.3 DESARROLLO DE LA MAQUINA Para simular cualquier mecanismo de daño, se deben tener en cuenta las variables involucradas en el mismo. En este caso, se aplica una carga y un movimiento circular, con un número de revoluciones constante. Se plantearon dos líneas de trabajo, la creación de una máquina desde cero y la adaptación de una máquina herramienta existente en mercado. Luego de realizar un estudio de ambas hipótesis con respecto a las consideraciones de diseño se observó que para lograr un adecuado costo de fabricación, de funcionamiento, sencillez, confiabilidad, utilidad y mínimo mantenimiento, se debía optar por la adaptación de una máquina herramienta existente en mercado. Con estos requerimiento se determinó que existen dos máquinas sencillas capaces de entregar un movimiento circular y la aplicación de una carga. Estas, son la fresadora vertical y el taladro de banco. Se evaluaron ambas con las consideraciones citadas anteriormente, además de observar que la sujeción y el posicionado de la pieza sea fácil y confiable. Se determinó, que la mejor adaptación es el taladro. Debido a que el costo y sencillez que requieren, no son compatibles con las características de la fresadora.
Fig. 2. Esquema parcial de la máquina de ensayo, mostrando sus componentes principales.
La Figura 2, muestra un esquema parcial de la máquina de ensayo que se pretende desarrollar, donde se observan los componentes principales de la misma: probeta, bolillas, pista o contracara, soporte, cuba de aceite, etc. El fenómeno de FCR se genera mediante un rodamiento de empuje axial de simple efecto, Marca SKF modelo 51107, en el cual la pista superior del mismo es reemplazada por una muestra del material que se estudia, ver figura 3. La mitad inferior del rodamiento, se monta en su soporte, mientras que la probeta gira, por el movimiento que le transmite el motor del taladro. Todo ello se encuentra inmerso en un aceite mineral con viscosidad International Organization for Standardization (ISO) grado 100, de alta refinación [7].
Fig. 3 Probeta utilizada para los ensayos.
3. CONCLUSIONES
• Se efectuará una evaluación de la máquina, contando entre otras con un pre-ensayo. En éste, se medirán de forma exhaustiva vibraciones, alineaciones, temperatura de operación del motor, de los cojinetes.
• Para la puesta a punto de la maquina se realizarán múltiples ensayos sobre acero SAE 4140 templado y revenido, determinándose estadísticamente, la vida media hasta la falla del mismo.
• Para la puesta a punto del sensor de vibraciones, se utilizaran muestras con diferentes grado de avance en el deterioro superficial producido por FCR.
• Se desarrollará el paquete tecnológico del tribómetro FCR.
4. REFERENCIAS [1]. Dommarco, R.C.; Urquiza, S.A.; 1994, “Desarrollo de un método para evaluar la resistencia a la fatiga de contacto”, Jornadas Metalúrgicas S.A.M., junio/94, Bahía Blanca.
[2] ASM Handbook, Friction, Lubrication and Wear Technology, Vol. 18. ASM International, USA, 1998 [3]. Dommarco, R.C.; 1997, “Fatiga de Contacto por Rodadura. Degradación y Falla Superficial”, Tesis Doctoral. Fac. Ingeniería- Univ. Nac. De Mar del Plata. [4] Dommarco, R.C.; “Introducción a la Tribología. Desgaste por FCR”, Cátedra de Introducción a la Tribología, Fac. Ingeniería- Univ. Nac. De Mar del Plata. [5]. Ramos Watanave Jorge, “Diseño Mecánico”, Agosto/2000, Instituto Politécnico Nacional. [6]. Alejandro Herrera Gurrutia; 2002, “Curso de Diseño Mecánico para La Manufactura y el Ensamble”, ESIME Zacatenco. [7] Michael J. Nealy, “The Tribology Handbook.”, Second Edition, 1995