CONFERENCIA TRIBOLOGA

Dr. Francisco Martnez Prez CEIM, Fac. Mecnica, CUJAE fmartinez@ceim.cujae.edu.cu

Una particularidad de todos los procesos de movimiento, lo es la presencia de una resistencia a este, o sea, de una fuerza opuesta a ese movimiento, que es debida a la accin de la friccin. La friccin surge como resultado de la interaccin fsica y qumica entre cuerpos que se rozan o que estn en contacto y movimiento relativo de uno con respecto al otro. El proceso de movimiento sufre la influencia perturbadora de la friccin y por ello, una parte de la energa invertida en el movimiento, se gasta en vencerla, de aqu que el estudio y acciones con respecto a este problema, tenga una gran importancia en el ahorro energtico. En el proceso de interaccin de las superficies que forman parte de los elementos de mquina en las diferentes industrias y servicios, se experimentan dos tipos de prdidas, las prdidas por friccin y las perdidas debido al desgaste que sufren los materiales en este proceso.

Para lograr una disminucin de la prdida de sustancia y energa como consecuencia de esa interaccin, la accin principal es la de disminuir la friccin entre los cuerpos, lo cual, en ocasiones, se logra bien, mediante la introduccin de un tercer elemento que evite el contacto directo entre los dos slidos o mediante la seleccin de pares de materiales de baja friccin entre ellos. La maquinaria moderna se proyecta para trabajar a velocidades y tensiones cada vez mayores, lo cual obliga a una cuidadosa consideracin de los fenmenos que se presentan en las superficies con movimiento relativo. Este proceso no es nico de las maquinarias o elementos de las mismas. En todos los pases industrializados se han conformado Comits Tcnicos, Asociaciones u otros dispositivos para viabilizar la introduccin de la Tribologa, as como actualizarse sobre las diferentes nuevas tecnologas que en el mundo van surgiendo.

QU ES LA TRIBOLOGIA?Es la Ciencia de la friccin, la lubricacin y el desgaste. Su aplicacin fundamental es en el mantenimiento y en el diseo.

CUANDO, COMO Y POR QUE SURGE? Se funda como Ciencia en 1984. Se aprueba en un Congreso en Inglaterra. Surge producto de la necesidad de valorar integralmente una nueva propiedad. tecnolgica que relacione los fenmenos de capas superficiales en materiales con la accin de agentes externos. Estados Unidos y Japn la incluyen entre las 6 principales temticas hasta el 2000.

CUL ES SU IMPORTANCIA? SIRVE PARA LOGRAR INCREMENTO DE LA VIDA UTIL DE LOS ELEMENTOS DE MAQUINA Y NUDOS DE FRICCION. PARA LA DISMINUCION DE LAS PERDIDAS POR FRICCION Y DEL CONSUMO ENERGETICO. PARA LA DISMINUCION DE LAS PERDIDAS POR DESGASTE. EN DEFINITIVA TIENE UN EFECTO EN EL AHORRO. ADEMS TIENE UN GRAN SIGNIFICADO CIENTFICO.

Consecuencias.Gran parte de esta energa mecnica se transforma en energa trmica.

Fundamentos de Tribologa

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Consecuencias.

Otra parte de esta energa mecnica se consume en el proceso de desgaste.

Fundamentos de Tribologa

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ConsecuenciasTambin parte de esta energa mecnica se manifiesta en vibraciones.

Fundamentos de Tribologa

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Consecuencias de la Friccin en MCI.

Fundamentos de Tribologa

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ALGUNAS VALORACIONES QUE LO DEMUESTRAN200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 MINERIA

MM USD MM USD MM USD

Estas prdidas son solo por friccin las de desgaste son superiores. En general las prdidas son cuantiosas y no incluyen costos de mantenimiento. Valores del petrleo en aquella poca, hoy son superiores.

OTRASMETALURGIA

AGRCOLA No estn incluidas la del petrleo, la energtica y otras de gran aporte

En Amrica Latina se han tomado tambin medidas en varios pases, como son los casos de Mxico, Brasil y Argentina entres otros. En muchos, sin embargo, esto no es as y en varios casos, ni siquiera se conoce de esta tan importante Tecnologa. Significado econmico. Cerca del 30% de la energa que se pierde en la industria mundial, se pierde en la friccin. Pases como Inglaterra, Japn y Alemania pierden anualmente ms de dos mil millones de dlares como resultado del desgaste. Prdidas, solo por friccin en diferentes industrias y ramas econmicas, pueden apreciarse en el grfico 1. Por desgaste las prdidas son an mayores.200 150 MMUSD 100 50 0 Minera Agricultura

CMO LOGRAR ESTO?CON LA APLICACIN TRIBOLGICA EN SISTEMA EN UN SISTEMA DE MANTENIMIENTO PROACTIVO MEDIANTE LA APLICACIN CONSECUENTE DE TECNOLOGAS DE DIAGNSTICO

TECNOLOGAS DE DIAGNSTICO ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS VIBRACIONES TERMOGRAFA ANLISIS DE ACEITE CONTAMINACIN PARTCULAS DE DESGASTE

Deteccin de intervalos P-F (Qu va a suceder?)

Anlisis del lubricanteCausas de fallas (Control) Contaminacin Desalineamiento Desbalance Lubricante degradado Desgaste Fractura dientes engranaje Fatiga excelente aceptable aceptable excelente excelente pobre excelente

Anlisis por vibraciones

Termografa

pobre excelente excelente pobre bueno excelente bueno

pobre aceptable aceptable pobre aceptable pobre bueno

CASO ESTUDIO: GENERACIN DE ENERGA EN ARIZONA

Ambas 20%

Por anlisis de aceite 40 %

Por vibraciones 33%

Por cada 1 USD invertido en el diagnstico se ahorra 6,50 USD en el mantenimiento

QU CARACTERISTICAS TIENE LA TRIBOLOGA? SU MULTIDISCIPLINARIEDAD ES LA UNICA CIENCIA QUE GARANTIZA UN ENFOQUE INTEGRAL AL ANALIZAR LOS NUDOS DE FRICCIN ES FUENTE PARA ECONOMIZAR RECURSOS MATERIALES Y ENERGETICOS EST PRESENTE EN TODA INDUSTRIA Y SERVICIOS HA EXPERIMENTADO UN RAPIDO DESARROLLO

ADICIONALMENTE Las perdidas por desgaste afectan tambin la productividad de una nacin. Esto puede tener su efecto de diversas formas. La primera es referida a la diferencia en calidad por la vida til de los productos nacionales referida a los importados. La segunda esta referida a los cuantiosos costos de mantenimiento que se necesitaran ante productos de severo desgaste y poca vida til. Sin embargo no debe dejarse de mencionar la consecuencia mas dramtica de un fallo por problemas tribolgicos, lo cual es la posible perdida de vidas humanas debido a accidentes fatales. La Tribologa, ambientales. adems tiene efectos de proteccin medio

Los Procesos Tribolgicos. Tribolgicos.La complejidad de los fenmenos tribolgicos dificulta su estudio, pues no resulta fcil representar el cuadro completo de procesos que se desarrollan simultneamente. simultneamente. Un mtodo que ayuda en el correcto anlisis de estos complejos fenmenos es el llamado enfoque en sistema o enfoque sistmico. sistmico. En el proceso para un enfoque sistmico, se debern tener en cuenta dos pasos. pasos. El primer paso ser delimitar perfectamente las fronteras del sistema a estudiar. Este primer paso es cualitativo y a estudiar. continuacin en el Grfico se presenta una posible versin de este paso. paso.

Y X

1

2

3

Representacin de la delimitacin de un sistema tribolgico para el estudio de los procesos tribolgicos. tribolgicos.

En el proceso de conversin de una forma de energa a otra, se pierde alguna cantidad de energa. Estas prdidas energticas pueden ser extremadamente costosas para la sociedad. La ciencia de la Fsica muestra como la lubricacin puede jugar un papel importante en la reduccin de las prdidas energticas, a travs de la reduccin de la friccin. En la produccin y los servicios se emplean diversas herramientas, a veces automatizadas, en su actividad diaria, que conforman trabajo. Estas herramientas incluyen partes en movimiento para cumplir su funcin, lo que tiene como salida trabajo y energa cintica, energa de movimiento, publicada en 1687 por Newton como leyes del movimiento.

Parte del trabajo de entrada al sistema, puede acumularse como energa cintica o potencial en los cuerpos del sistema, o bien puede transformarse en calor debido a fenmenos tales como la deformacin plstica, la adhesin de los cuerpos, la histresis elstica e inclusive el trabajo necesario para producir desprendimiento de material. Cuando se acumula energa, en forma de calor, dentro del sistema, se eleva la temperatura de los cuerpos y con ello se modificarn las reacciones qumicas entre los cuerpos, por ejemplo procesos de oxidacin superficial y tambin las propiedades de los cuerpos. Hoy es lo ms usual, representar este esquema en el llamado anlisis TRIBOTERMODINMICO (TTD) SE ARRIBA A UNA CONCLUSIN IMPORTANTE: LA TRIBOLOGA ES UN PROCESO ESENCIALMENTE ENERGTICO

ANALISIS TRIBOTERMODINMICO DE UN TRIBOSISTEMA

USUALMENTE EL ESTUDIO DE UN SISTEMA TTD SE REALIZA EN UN ESQUEMA SISTMICO COMO EL QUE SE MUESTRA

FACTORES EXTERNOSvelocidad temperatura medio amb. presin

FACTORES INTERNOSEstructura Propiedades mecnicas del material base y la capa Composicin qumica Caractersticas del par Calidad superficial Lubricante

FACTORES DE SALIDAFUERZA DE FRICCION MAGN. DESGASTE TEMPERATURA VIBRACIONES

ANLISIS DE LUBRICANTE Y PARTCULAS

La teora mecnico-molecular de la friccin.(Kragelski, 1939)

Esta teora integra las concepciones anteriores y explica la friccin producto de acciones mecnicas superficiales, donde se tienen en cuenta las variaciones en las propiedades mecnicas de las capas externas de los materiales, as como las fuerzas de atraccin entre los cuerpos. Como conclusin el problema era COMPLEJO. Carcter dual de la friccin.Fundamentos de Tribologa 29

Coeficiente de friccin.Factores que ms influyen en el coeficiente de friccin. Naturaleza y constitucin de los cuerpos. Rugosidad de las superficies en contacto. Presencia de otro elemento en la unin (Tercer cuerpo). Estado y tipo del movimiento relativo de los cuerpos.14

Fundamentos de Tribologa

CALIDAD SUPERFICIAL: La calidad de la superficie de los dos cuerpos en contacto, es de extrema importancia en la friccin y el desgaste que se experimente. Sin embargo, como analizaremos ms adelante, la calidad superficial de los dos slidos sufrir variacin en el proceso de interaccin de ambas superficies. En los clculos de desgaste, sobre todo en el desgaste por deslizamiento, la calidad superficial de ambos slidos es determinante.

Resultan fundamentales en los procesos tribolgicos, el estudio de los siguientes procesos: 1. Procesos de deformacin por contacto en las superficies de los cuerpos slidos. 2. Procesos de friccin y desgaste, como los procesos fundamentales de prdida de energa y material en el rozamiento. 3. Procesos y regmenes de lubricacin como el medio ms efectivo de influencia en los mecanismos de disipacin.

Fenmenos y mecnica de contacto. contacto.En la mayora de los sistemas tribomecnicos las interacciones de los cuerpos se realizan a travs de las superficies de separacin entre los cuerpos slidos rozantes. Basta con aproximar lo rozantes. suficientemente un par de superficies slidas para que tengan lugar una serie de fenmenos de contacto. contacto. Para analizar los procesos de contacto superficial es necesario considerar las fuerzas y el movimiento de los cuerpos actuantes, o sea la mecnica del contacto y la interaccin de los materiales, que se traduce como la fsica y qumica de ese contacto. De igual forma hay que conocer las caractersticas de la existencia de cualquier otro cuerpo que se halle en presencia en el contacto, el cual puede estar presente casualmente (aire, lquido, gas) o introducido (lubricante); pudiendo as ser la interaccin en seco o lubricada.

La lubricacin tiene efecto en: La friccin. El desgaste. La transferencia de calor y la temperatura. En la posible corrosin. En amortiguar sobre cargas y vibraciones. La lubricacin tiene su efecto en funcin de diferentes factores, tales como: el espesor de la capa que puede variar entre 0,1 mm y nanmetros, la distribucin de las rugosidades y la geometra de la superficie, de los regmenes de lubricacin. En 1900 Shtribek analizo los posibles regmenes de lubricacin, correlacionando la friccin con importantes factores, tales como: la carga actuante, la velocidad de desplazamiento, la temperatura, que se asumi constante a 250C y la viscosidad del lubricante L.

Shribek configuro un grafico de f como funcin de Lv/F como se puede apreciar.

f

h

III h= 0 hR

I II hR

Lv/F

Limitaciones en la capacidad de trabajo de los lubricantes. La lubricacin es uno de los medios mas eficaces en el proceso de transmisin de energa y de interaccin con los materiales, en los sistemas tribomecnicos, as como en la disminucin de la friccin y el desgaste. Es por ello, que cualquier disminucin de sus capacidades de trabajo tienen un efecto negativo en los sistemas tribomecnicos. Partiendo de las condiciones de los lubricantes lquidos y basado en el diagrama de Shtribek, pueden encontrarse bien hacia la derecha o hacia la izquierda, dos limitaciones diferentes en el trabajo de los lubricantes. a) Hacia la derecha, con el incremento de las velocidades, los sistemas de flujo laminar, pueden pasar a turbulentos. b) Hacia la izquierda, con la disminucin de las velocidades, los sistemas pasan por sistemas lubricantes no hidrodinmicos, pudiendo romperse la capa lubricante, con consecuencias catastrficas en cuanto al desprendimiento de material (desgaste).

Condicin del activo Cojinete de antifriccin lubricado Cojinetes de Friccin lubricados

Anlisis por vibracin Fuerte

Anlisis lubricante Fuerte

de Correlacin El anlisis de aceite puede detectar una condicin de falla prematura, el de lubricante brinda una informacin posterior Las partculas de desgaste sern detectadas en el lubricante como condicin de desgaste.

Fuerte

Mezclado

Desbalance

No aplicable

Fuerte

El anlisis por vibracin detecta el desbalance, el de lubricante, el efecto del incremento de carga.

Agua en el lubricante

Fuerte

No informacin

El anlisis del lubricante lo detecta, el de vibracin, no. Muchos laboratorios no tienen experiencia con el anlisis de grasas, la de vibracin es efectiva. El anlisis por vibracin es muy efectivo en este caso. El de aceite puede predecir el modo de falla, el de vibracin, cul se desgasta El anlisis por vibracin detecta La desalineacin, el de lubricante, el efecto del incremento de carga.

Cojinetes engrasados

Mezclado

Fuerte

Grietas en rboles Desgaste en engranajes Alineacin

No aplicable Fuerte

Fuerte Fuerte

No aplicable

Fuerte

Condiciones de lubricacin Resonancia Causa raz

Fuerte No aplicable Fuerte

No aplicable Fuerte Fuerte

El de lubricante puede determinar lubricacin inadecuada La de vibracin detecta la resonancia, el de lubricante, eventualmente ve el efecto Es lo mejor el empleo simultneo de los dos.

Fallas en un activo fsico

Por obsolescencia (15%) Corrosin (20%)Abrasin

Por degradacin de superficie (70%) Desgaste mecnico (50%)

Accidentes (15%)

Fatiga

Adhesin

Estudio del Prof. Rabinowicz del MIT que plantea entre el 6 y el 7% del PIB se requieren solo para reparar los daos causados por el desgaste mecnico En los EE.UU. Esto fue de 795 000 millones de USD.

CORTAR LA MALEZA DESDE LA RAZ O.?Cortar significa trabajar con las 4 Rs y repeticin del problema Reparar Reemplazar Reconstruir Remover Hay dos opciones, cortar o arrancar de raz Aceite incorrecto Alta temperatura Aire atrapado Desbalance Partculas Desalineamiento Humedad Productos qumicos Arrancar significa trabajar con las 5 Es Esta limpio Esta seco Est fro Est alineado y balanceado Est bien lubricado

Oxidacin del aceite Vibracin Desgaste Cavitacin Ruido Alta temperatura de operacin