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Universidad VeracruzanaFACULTAD DE INGENIERA MECNICA ELCTRICAENSAYOS TRIBOLGICOS

Dr. Andrs Lpez Velzquezandlopez@uv.mxndiceIntroduccinBeneficios de la tribologaEnsayos tribolgicosDesarrollo experimental en tribologaTribmetrosEjemplos

INTRODUCCIN

El desgaste de los materiales ha estado presente desde elmismo momento en que se da inicio a la construccin delos primeros mecanismos mecnicos; la tribologa, queno es ms que la evaluacin del desgaste de losmateriales ha tomado vital importancia tanto a nivelindustrial como acadmico.

Tribologa

La palabra tribologa se deriva del griego TRIBOS que significa ROZAMIENTO. Y la investigacin en este campo abarca sistemas en donde ocurre: Desgaste debido al rozamiento entre dos superficies. (desgaste adhesivo). Entrada de partculas en el punto de contacto.(desgaste de tres cuerpos).Ciencia que estudia la friccin, el desgaste y la Lubricacin que tienen lugar durante el contacto entre superficies slidas en movimiento. DEFINICION

La tribologa se centra en el estudio de tres fenmenos:definida como la resistencia al movimiento durante el deslizamiento o rodamiento que experimenta un cuerpo slido al moverse sobre otro. 1.- La friccin entre dos cuerpos en movimiento:

El desgaste es el dao de la superficie por remocin de material de una o ambas superficies slidas en movimiento relativo.2.-El desgaste como efecto natural de este fenmeno:

3.-La lubricacin como un medio para reducir el desgaste:

La lubricacin consiste en la introduccin de una capa intermedia de un material ajeno entre las superficies en movimiento.

Beneficios de la Tribologa Aumento de la Productividad Reduccin de fallas mecnicas en los equipos. Mayor Confiabilidad en los Procesos Incremento en la vida til de los equipos Mayor eficiencia Reduccin de Costos Reduccin del desgaste en equipos Reduccin del Consumo de Energa por disminucin de la friccin.

Por qu realizar ensayos tribolgicos?

Es importante considerar las prdidas econmicas que se presentan debido al desgaste de materiales. Para minimizar los costos de desgaste, es necesario analizarlo. Uno de los factores determinantes para realizar un estudio sobre el desgaste, es la velocidad de desgaste.

Objetivo de los ensayos tribolgicosLa investigacin fundamental en los mecanismos bsicos de la friccin y el desgaste.

La investigacin aplicada para resolver problemas de friccin y desgaste especficos de la industria y la medicina.

Efectos de la velocidad de deslizamiento contra la razn de desgaste

Problemas especficos de desgaste

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

Desarrollo experimental aplicado a la tribologaParmetros bsicosParmetros relacionadosPARAMETROS

DE

OPERACIN

Carga(N)-Contacto de tensin (Pa)-Variacin temporal de la carga-fuerza de impacto(N) -Carga oscilatoria(N)

VELOCIDAD DE DESLIZAMIENTO (m/s)-velocidad media (m/s)-velocidad de impacto (m/s)-velocidad angular (rad/s)Distancia de deslizamiento (m)-amplitud de movimiento deslizante (m)-Frecuencia de movimiento deslizante (Hz)Temperatura (k)-temperatura transitoria-temperatura mayorAcabado de la superficie-CLA (m) -RMS -RaTipo de contacto-uniforme -no uniformeParmetros bsicosParmetros relacionadosPARAMETROS

DEL

MATERIAL

DUREZA [PA O VHN]-Microdureza [Pa o VHN]-Resistencia al corte [Pa]-MicroestructuraTENACIDAD [PA*M^0.5]-Tensin limite -Tamao medio de grano[m]PUNTO DE FUSIN [K]

-Temperatura De Transicin Vtrea-Punto de reblandecimiento[K]CONDUCTIVIDAD TRMICA [W/M*K]-Difusividad trmica [m^2/s]-Resistencia al choque trmico-Variacin de la conductividadCon la temperatura.-Calor especfico[J/KgK]POTENCIAL ELECTROQUMICO-Intercambio de densidad de corriente[a/m^2]-Potencial (v)

Parmetros bsicosParmetros relacionadosPARAMETROSDE MATERIALESPARA PRUEBAS DE DESGASTE ABRASIVO Y EROSIVO

DUREZA DE GRANO [PA O VHN] Y / O TIPO DE MINERAL-Microdureza (Pa o VHN)-Variacin temporal de la carga-fuerza de impacto(N) -Carga oscilatoria(N)

Espectro de tamao de grano (m)-velocidad media (m/s)-velocidad de impacto (m/s)-velocidad angular (rad/s)Parmetros bsicosParmetros relacionadosPARMETROS

AMBIENTALESHUMEDAD RELATIVA [%]la humedad absoluta[kg/m^3]PRESIN DEL AIRE LOCAL [PA]-Presin parcial de oxgeno [pa]y otros gases activos

NIVEL DE RADIACIN[BEQUERELS/M^2]-Punto de reblandecimiento[K]Parmetros bsicosParmetros relacionadosPARAMETROS

DE

LUBRICACIN

-Viscosidad-ndice de viscosidad-Caudal (m^3/s)-Presin suministrada (Pa)-Velocidad suministrada (m/s).CONDUCTIVIDAD TRMICA [W/M*K]-Difusin trmica [m^2/s]-Resistencia al choque trmico-Acidez (pH)-Punto de ebullicin (k).-Punto de solidificacin (k).-Calor de oxidacin (J/kg*mol). -solubilidad / solubilidad en oxigeno.

-Reactividad qumica -Momento dipolar.Mecanismos de desgaste o lubricacinTribmetrosAbrasivo Aparato que implica papel de lija o una cama de arenaDesgaste erosivo Muestra montada teniendo una corriente de aire o chorro de lquido mezclado con partculas abrasivas

Desgaste cavitacionalMuestra montada teniendo una corriente de fluido o bien montada en una plataforma vibratoria sumergido en un lquidoDesgaste por deslizamiento en seco o lubricado en condiciones ambientales.Muestra que se desliza contra una superficie de contacto mvil ya sea por rotacin o un movimiento alternativo. Sistema de alimentacin con un suministro de lubricante para las pruebas de lubricacinDesgaste seco o lubricado, en ausencia de las condiciones ambientales.Superficie de las muestras en movimiento encerradas en una cmara equipadas con calefaccin, refrigeracin y / o sistema de bombeo de vaco para mantener un ambiente especifico.Esfuerzo/esfuerzo por fatiga Muestra que se desliza contra la superficie de contacto con una amplitud muy pequea. El aparato puede estar equipado con una cmara para entornos especializados.Desgaste combinado rodadura-deslizamiento o rodadura pura.Muestra en forma de rodillos o esferas obligado a moverse a velocidades especificadas. El aparato puede estar equipado con cmara para entornos especializados.Desgaste por impactoAparato que contiene un martillo usado para la muestra. Puede estar equipado con una cmara encerrada por falta de pruebas ambientalesMecanismos de desgaste o lubricacin

Tribmetros

Difusin o desgaste solubleContiene una muestra como herramienta cortante. El corte es realizado a una alta velocidad en la superficieLa muestra es sumergida en un fluido y se gira para acelerar el desgasteLubricacin hidrodinmica y elastohidrodinamica.Los contactos idealizados pueden ser uniformes y no uniformes con el propsito de mostrar un mecanismo implicado en la formacin de pelculas lubricantesLubricacin solida y blanda.Aparato de que implica desgaste por deslizamiento a bajas velocidades permitiendo que el coeficiente de friccin de las pruebas pueda ser controlado.TRIBMETROS

Un tribmetro es un equipo mediante el cual se puede determinar la resistencia al desgaste de un material cuando se pone en contacto con otro y existe movimiento relativo entre ellos, en un determinado medio.Las investigaciones tribolgicas y los avancestecnolgicos de mtodos que permitan simular losdiferentes mecanismos de la friccin y el desgaste, hanhecho posible la construccin de los tribmetros, deacuerdo a cada sistema de desgaste y dentro de los que se destacan:Mquina de Cilindros CruzadosASTM- G83

Mquina de Perno contra DiscoASTM G-99

Mquina Arena Seca - Disco VulcanizadoASTM G 65

ANLISIS TRIBOLOGICO DE LOS ACEITES LUBRICANTES UTILIZADOS EN EL TURBOGENERADOR DEL INGENIO MAHUIXTLN, VER.

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

ResultadosACEITEDESGASTE VOLUMETRICO TOTAL mm3HEAVY MEDIUM0,1401274TURBINAS 150,1401274MEZCLA CENTRIFUGADA0,1401274MEZCLA CONTAMINADA CON AGUA0,1656051Resistencia de pelculaDesempeo Anti desgaste

Minilab 5200Anlisis tribolgico del Acero AISI SAE 1045

Resultados experimentalesDesgaste volumtrico total en pin - discoProbetaDesgaste en disco (cm3)Desgaste en pin (cm3)Desgaste total (cm3)10.0066751270.0045304570.01120558420.0141497460.0085532990.02270304530.0419162440.0380456850.07996192940.0178299490.0116116750.02944162450.0062436550.004631980.01087563560.0116116750.0097842640.02139593970.0591751270.0393781730.098553380.0231852790.0151269040.03831218390.0069796950.0059263960.012906091100.0106472080.0086421320.01928934110.0551142130.0476142130.102728426120.0179695430.0117131980.029682741Resultados Desgaste obtenido en primer grupo de probetas bajo las siguientes condiciones: 300 RPM - 20 N tiempo constante

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

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

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

Anlisis de los resultados mediante StatGraphics

Ecuacin de correlacinW = 0,0135821 - 0,0000274365*V - 0,000720474*P + 0,00000345347*V*P R cuadrada = 97,9623 %

oValidacin de resultadosAjustes realizados para validar resultadosColumnaMediaDesviacinDispersin (%)Grupo 10.011040610.0001649751.494251744Grupo 20.0220494920.0006535532.964027471Grupo 30.1006408630.0020875632.074269773Grupo 40.0295621830.0001205590.407813259Ensayos adicionalesCondiciones de prueba: carga de 30N y velocidad de 500 RPM constantes, 16 periodos de tiempo de 10 minutos y en seco.

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

Caracterizacin tribolgica del par bronce S.A.E 64 acero AISI-4140 en un contacto anillo-bloque

Primera prueba- Grasa Alimex-1 bronceaceroFuerza N80Densidad g/mm3Velocidad rpm3000.0078250.00785Tiempo min30volumen perdido mm3rugosidad promedioPeso inicialpeso finaldiferencia de pesosdimetrobloque anillobloque 10.87047.76447.75430.009719.11.167731629anillo 12.171758.5138.513019.90bloque 21.06346.289846.28160.008219.11.191693291anillo 22.4979.52099.5209019.90bloque 30.58746.877646.87480.002819.11.1437700anillo 31.5929.08669.08560.00119.90.12738854

Alimex-1se distingue por su excepcional estabilidad mecnica, alto punto de gota y su resistencia al agua y a la corrosin.Alimex-1es una grasa de alto rendimiento de complejos de sulfonatos de calcio.Esta tecnologa es superior a otras grasas ms ricas de alta temperatura como complejos de litio, de aluminio y las grasas de poliurias.Segunda prueba- Grasa S350Fuerza N80Velocidad rpm300Tiempo min30volumen perdido mm3rugosidad promedioPeso inicialpeso finaldiferencia de pesosdimetrobloque anillobloque 40.45546.863546.86130.002219.10.77156550anillo 42.0738.99838.9983019.90bloque 50.68146.188246.18340.004819.10.785942492anillo 51.3089.31779.31740.000319.90.03821656bloque 60.64846.754246.74760.006619.10.757188498anillo 61.6849.01299.01270.000219.90.02547771

LaS-350es una grasa de alto rendimiento basada en sulfonato de calcio para aplicacin automotriz, industrial y naval.Ofrece una excelente estabilidad mecnica, gran capacidad de resistencia a la carga, al agua, a la oxidacin, el xido y al calor. No contiene metales pesados ni otros contaminantesque daen el medio ambiente.Tercer prueba- Grasa Top 5Fuerza N80Velocidad rpm300Tiempo min30volumen perdido mm3rugosidad promedioPeso inicialpeso finaldiferencia de pesosdimetrobloque anillobloque 70.56346.057646.04980.007819.10.944089457anillo 71.487758.66148.6614019.90bloque 80.73546.940546.93490.005619.10.926517572anillo 81.5738.9688.96620.001819.90.22929936bloque 90.69746.473946.46940.004519.10.961661342anillo 91.7109.57699.57470.002219.90.28025478

Top 5 es una grasa de alto impacto con propiedades muy fibrosas. Altamente adhesiva a los metales, incluso bajo extremas condiciones de lavado con agua y de elevadas temperaturas.

Desempeo Tribolgico de las dif. Grasas y sin lubricacin.

Comparacin de desgaste con lubricacin y sin lubricacin.

Laboratorio de Tribologa Encargado:Dr. Andrs Lpez Velzquezandlopez@uv.mxandreslv2000@yahoo.comandreslv66@hotmail.com

FACULTAD DE INGENIERA MECNICA ELCTRICA, XALAPAUNIVERSIDAD VERACRUZANA55Lneas de Investigacin:

Desarrollo de Tecnologa Tribolgica

Caracterizacin Tribolgica de Materiales, lubricantes y aditivos.

Modelacin y Simulacin Tribolgica por computadora

561.- Desarrollo de Tecnologa Tribolgica

Tribmetro Arena Seca/Disco Vulcanizado ASTM G65

Tribmetro Pin/Disco ASTM G99571.- Desarrollo de Tecnologa Tribolgica

Tribmetro de Cilindros cruzados ASTM G83

Mquina Deslub ASTM D5182581.- Desarrollo de Tecnologa Tribolgica

Tribmetro de Cilindros Frontales

Mquina Timken ASTM D2782 59

Tribmetro Multiespecimen

2.- Caracterizacin Tribolgica de Materiales

Desgaste = 102.661 - 0.0191138*P - 0.256529*V + 0.000259083*P*V

62

Anlisis de Rugosidad de Superficies en contacto Tribolgico.

63

Caracterizacin Tribolgica de Lubricantes

Anlisis de ViscosidadResistencia de pelcula

643.- Modelacin y Simulacin Tribolgica por computadora

Proyectos de Investigacin Aprobados:66Proyecto de Investigacin Aprobado: FOMIX CONACYT-GOB. VER

Desarrollo de tecnologa tribolgica y de nuevos materiales, que reduzcan el desgaste en piezas mecnicas y la contaminacin ambiental.

Etapas:

Diseo del tribmetro (31-Oct-2010)Construccin e Implementacin del tribmetro (Nov-2010-Mar-2011)Instrumentacin Electrnica y Digitalizacin del tribmetro (Ago-2011- Feb-2012)Operacin y Calibracin del tribmetro (Feb-2012-Jun-2012)

67

Proyecto de Investigacin Aprobado: PROMEP 2010

Obtencin y caracterizacin mecnico-tribolgica de un material compuesto de aluminio reforzado con partculas de un material obtenido a partir de desechos avcolas.

Etapas:

Marco Terico de los Materiales CompuestosEvaluacin de posibles materiales a utilizarObtencin de los materiales compuestos Caracterizacin de los nuevos materiales compuestos

69Por su atencin gracias70Grfico198.26833.038620.133516.051513.0810.329.4224

TendenciaCorrida ExperimentalViscosidad (cst)Comportamiento de la Viscosidad del aceite SAE 40 Pennzoily = -0.1385x5 + 3.3346x4 - 31.22x3 + 142.21x2 - 318.85x + 302.91R2 = 0.9999

Grfico298.26833.038620.133516.051513.0810.329.4224

Corrida ExperimentalViscosidad (cst)Comportamiento de la Viscosidad del aceite SAE 40 Pennzoil

Hoja1Corridas ExperimentalesCargaTorqueTiempoViscosidad(kg)(N-m)(s)(ssu)(cst)10.53.3251545698.26820.53.3251515633.038630.53.325159920.133540.53.325158216.051550.53.325157013.0860.53.325156010.3270.53.32515589.4224

Hoja1

TendenciaCorrida ExperimentalViscosidad (cst)Comportamiento de la Viscosidad del aceite SAE 40 Pennzoily = -0.1385x5 + 3.3346x4 - 31.22x3 + 142.21x2 - 318.85x + 302.91R2 = 0.9999

Hoja2

Hoja3