TRIBOLOGIA: FRICCION ,DESGASTE Y LUBRICACION

Aspectos relevantes de la Tribología – Aspectos Históricos

Desde nuestros antepasados (3500 a.C.) muestran el interés de reducir la fricción en movimientos de traslación.

Los egipcios tenían el conocimiento de la fricción y la lubricación, esto se veía en la transportación de grandes bloques de piedra para la construcción de sus monumentos, para la realizar estas tareas utilizaban agua y aceite animal como lubricante.

El artista-científico renacentista Leonardo Da Vinci fue el primero que postulo un acercamiento de la fricción, y fue también el primero en introducir el concepto del coeficiente de fricción.

El coeficiente de fricción es un coeficiente a dimensional que expresa la oposición que ofrecen dichas superficies. Usualmente se representa con la letra griega µ.

Fue en el año de 1699 que el físico Guillaume Amontons redescubrió las leyes de la fricción al estudiar el deslizamiento entre dos superficies planas.

La palabra Tribología se deriva del término griego “tribos” que significa frotar o rozar. Entonces la tribología es:

La ciencia del rozamiento entre dos superficies solidas que permanecen en movimiento cuando estas están en contacto. La tribología se centra en tres grandes aspectos:

1.- la fricción entre dos superficies en movimiento

2.- el desgaste entre el fenómeno mencionado

3.- y la lubricación como medio para reducir el desgaste

La tribología está presente en varios aspectos de la maquinaria, motores, turbinas etc., los componentes más comunes son:

Rodamientos

Frenos y embragues

Sellos

Anillos de pistones

Engranes, Biela, levas.

Aspectos de la fricción

La fricción es la resistencia u oposición entre dos cuerpos en movimiento que se encuentran en contacto. Es decir, la fuerza tangencial resistiva que se crea cuando la fricción no depende del material. Matemáticamente esto se representa como:

F=µW Ec. 1.1

Donde: F es la fuerza de fricción, W es la fuerza normal sobre el contacto y µ es una constante también conocida como coeficiente de fricción.

Existen dos tipos de rozamiento o fricción, la fuerza de fricción estática y la fuerza de fricción dinámica o cinética.

Fuerza de fricción estática

Es la fuerza de rozamiento entre dos objetos que no están en movimiento relativo. Cuando la fuerza F es aplicada a un bloque de W=mg esta va aumentando gradualmente, pero el bloque permanece en reposo, como la aceleración es cero la fuerza aplica es igual y es opuesta a la fuerza de fricción estático Fe. Esto es:

Existe una fuerza de fricción máxima que corresponde al instante en el que el bloque es deslizado, esto es:

Donde la constante de proporcionalidad µe se denomina como el coeficiente de fricción estático. Fuerza de fricción dinámica o cinética

Esta fuerza se observa cuando un bloque es arrastrado por una fuerza horizontal, sobre el bloque van a actuar lo que es el peso mg, la normal N que es igual al peso, y la fuerza Fk de rozamiento entre el bloque y el plano sobre el cual se desliza. Cuando el bloque es aplicado a una velocidad constante la fuerza F aplicada será igual a la fuerza rozamiento Fk.

De este modo, entonces la fuera de rozamiento dinámico Fk será proporcional a la fuerza normal: Fk=µkN Ec. 1.4

La constante de proporcionalidad µk es una constante a dimensional que se denomina coeficiente de rozamiento dinámico o cinético.

Aspectos del desgaste

El desgate es la perdida de material de la interface de dos cuerpos en movimiento relativo bajo la acción de cierta fuerza aplicada. Lo cual el desgaste es ocasionado por una cierta fuerza de fricción en movimiento entre dos cuerpos en contacto. Existen varios tipos de desgastes:

Desgaste por adherencia.

Desgaste por abrasión.

Desgaste por ludimiento.

Desgaste por fatiga.

Desgaste por erosión.

Desgaste corrosivo.

Desgaste adhesivo : Este desgaste se presenta cuando se deslizan dos superficies una contra otra bajo una cierta presión. Los puntos de contacto, llevan a que las fuerzas de deslizamiento fracturen la unión, esto lleva como consecuencia desgarrando al material de una superficie y transfiriéndolo a otra, lo que puede ocasionar posteriormente un mayor daño en el cuerpo o superficie de unión.

Desgaste abrasivo : Es cuando dos superficies una blanda y una dura o entre sí, están en movimiento relativo, y entre ellas se generan partículas duras lo que provoca desgaste en una de las superficies ya sea la blanda o la dura.

Desgaste por ludimiento: Este desgaste se presenta cuando el movimiento es oscilatorio de dos superficies en contacto. Esto se ve mas donde existen vibraciones en maquinas.

Desgaste por fatiga: Este tipo de desgaste se presenta durante el deslizamiento y/o apisonamiento repetido en una cierta área de la superficie afectada. Esto lleva como consecuencia a la vida útil del material que se encuentra en contacto, esto a lo largo del tiempo lleva a la fractura del objeto. Los repetidos ciclos de carga y descarga a los cuales los materiales son expuestos pueden inducir la formación de grietas superficiales y subsuperficiales, después de un número crítico de ciclos resultarán en la rotura de la superficie con la formación de grandes fragmentos, dejando hoyos en la superficie. El termino desgaste por fatiga se reserva para identificar la falla de contactos lubricados en

casos como los rodamientos de bolas o rodillo engranes, levas y mecanismos impulsores de fricción.

Desgaste erosivo: Este tipo de desgaste ocasiona pérdidas de material en la superficie por el contacto con un líquido que contiene en suspensión cierta cantidad de partículas abrasivas. El desgaste erosivo ocurrirá por la deformación plástica y fractura frágil, dependiendo del material que está siendo erosionado.

Desgaste corrosivo: Este desgaste se presenta por medio de las reacciones químicas con el ambiente ya que eso hace que su desgaste sea más rápido en las superficies de contacto.

Aspectos de la lubricación

Es el proceso o técnica empleada para reducir el rozamiento entre dos superficies en movimiento una con respecto a otra, para evitar el menor rozamiento entre las superficies en contacto para que no produzcan desgaste, y a su vez el cuerpo o la superficie dure más tiempo de lo esperado.

El lubricante en la mayoría de los casos es aceite mineral. En algunos casos es utilizado agua, aire o lubricantes sintéticos cuando se encuentran en condiciones especiales de temperatura, presión, velocidad, etc.

La lubricación tiene como objetivo la reducción, el desgate y el calentamiento de las superficies en contacto cuando se encuentran en movimiento relativo. Sus principales aplicaciones de la lubricación son las siguientes:

Cojinetes del cigüeñal y bielas de un motor

Cojinetes de turbinas centrales

Se pueden diferir tres tipos de lubricación:

Lubricación hidrodinámica

Lubricación límite o de contorno

Lubricación hidrostática

Lubricación hidrodinámica: Las superficies se encuentran separadas por una película de lubricante que está proporciona estabilidad. No es necesario introducir el lubricante a presión (aunque si se puede realizar), exige un caudal de aceite, y la presión se va a generar por un movimiento relativo.

Lubricación límite o de contorno: La película de lubricante es tan fina que puede existir contacto parcial metal-metal. Existe una forma de pasar de lubricación dinámica a lubricación límite, con el tan solo hecho de la caída de velocidad, aumento de la carga o disminución del caudal.

Lubricación hidrostática :El lubricante es introducido a presión en la zona de carga para producir una película de lubricante, en este caso no es necesario el movimiento relativo de las superficies, y se emplea en cojinetes lentos y con grandes cargas, también puede utilizarse aire o agua como lubricante.

Existen algunos principales tipos de lubricantes los cuales son:

Sólidos

Líquidos

Acetites amínales, vegetales y de pescado

Sólidos

Un lubricante sólido es una película que está constituida por un sólido introducida entre dos superficies en rozamiento con el fin de modificar la fricción y el desgaste.

Líquidos

Estos son los más usados, y se basan en fracciones de petróleo bien refinado o en fluidos sintéticos, y son de uso extenso.

Aceites animal, vegetal y de pescado

Estos tipos de aceites también son conocidos como aceites grasos, y se obtiene a partir de la extracción de fuentes vegetales y de amínales domésticos. Su característica común se basa en la estructura química glicérica.

Aspectos Energéticos

Como bien es sabido no todas las maquinas operan al 100 %. Algunas de estas tienen perdidas cuando realizan un trabajo y no es aprovechable toda su energía, algunas de estas pérdidas son debido a la fricción entre algunas de sus partes internas.

Las pérdidas por fricción directas, con frenado por fricción excluida, son 28% de la energía del combustible.

La reducción de la disipación de energía por fricción puede y debería ser considerada no tan solo como un factor para incrementar la eficiencia de los sistemas mecánicos, sino también como un agente potencial para la optimización de la matriz energética nacional. (Biasoli, 2008). Y que la fricción y el desgaste no tan solo dependen de los materiales sino también del ambiente y de los parámetros operacionales y de su interacción.