Transcript Ensayos Tribologicos - Dr. Andrés López Velázquez

Universidad Veracruzana
FACULTAD DE INGENIERÍA
MECÁNICA ELÉCTRICA
ENSAYOS
TRIBOLÓGICOS
Dr. Andrés López Velázquez
[email protected]
Índice
•
•
•
•
•
•
Introducción
Beneficios de la tribología
Ensayos tribológicos
Desarrollo experimental en tribología
Tribómetros
Ejemplos
INTRODUCCIÓN
El desgaste de los materiales ha
estado presente desde el
mismo momento en que se da
inicio a la construcción de
los
primeros
mecanismos
mecánicos; la tribología, que
no es más que la evaluación del
desgaste de los
materiales ha tomado vital
importancia tanto a nivel
industrial como académico.
Tribología
• La palabra tribología se deriva del griego
“TRIBOS” que significa “ROZAMIENTO”. Y la
investigación en este campo abarca sistemas
en donde ocurre:
• Desgaste debido al rozamiento entre dos
superficies. (desgaste adhesivo).
• Entrada de partículas en el punto de
contacto.(desgaste de tres cuerpos).
DEFINICION
Ciencia que estudia la fricción,
el desgaste y la Lubricación que
tienen lugar durante el contacto
entre superficies sólidas en
movimiento.
La tribología se centra en el
estudio de tres fenómenos:
1.- La fricción entre dos cuerpos en movimiento:
definida como la resistencia al
movimiento
durante
el
deslizamiento o rodamiento
que experimenta un cuerpo
sólido al moverse sobre otro.
2.-El desgaste como efecto
natural de este fenómeno:
• El desgaste es el daño
de la superficie por
remoción de material
de una o ambas
superficies sólidas en
movimiento relativo.
3.-La lubricación como un medio
para reducir el desgaste:
• La lubricación consiste en la introducción
de una capa intermedia de un material
ajeno entre las superficies en movimiento.
Beneficios de la Tribología
•
•
•
•
•
•
•
•
Aumento de la Productividad
Reducción de fallas mecánicas en los equipos.
Mayor Confiabilidad en los Procesos
Incremento en la vida útil de los equipos
Mayor eficiencia
Reducción de Costos
Reducción del desgaste en equipos
Reducción del Consumo de Energía por disminución de la
fricción.
¿Por qué realizar ensayos
tribológicos?
Es importante considerar las pérdidas
económicas 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 tribológicos
• La investigación fundamental en los mecanismos
básicos de la fricción y el desgaste.
• La investigación aplicada para resolver problemas
de fricción y desgaste específicos de la industria y
la medicina.
Efectos de la velocidad de deslizamiento
contra la razón de desgaste
Problemas específicos de desgaste
Problemas específicos de desgaste
INCONVENIENTES:
Uno de los principales inconvenientes generados en el
campo de la tribología 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 máximo las condiciones reales. Pero este
objetivo es difícilmente alcanzable, puesto que las variables
y condiciones de servicio son tan particulares y concretas
.
como posibles aplicaciones Tampoco resulta práctico ni
viable disponer de tantos dispositivos de ensayo como
posibilidades reales, por lo que el problema se traslada a
conseguir la configuración más extrapolable posible.
Desarrollo experimental aplicado a la
tribología
Observación o medición de parámetros a
controlar
Formulación de una teoría
Desarrollo de un método de control de la fricción y el
desgaste
Parámetros básicos
PARAMETROS
Carga(N)
-Contacto de tensión (Pa)
-Variación 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 mayor
Acabado de la superficie
-CLA (m) -RMS -Ra
Tipo de contacto
-uniforme -no uniforme
DE
OPERACIÓN
Parámetros relacionados
Parámetros básicos
DUREZA [PA O VHN]
-Microdureza [Pa o VHN]
-Resistencia al corte [Pa]
-Microestructura
TENACIDAD [PA*M^0.5]
-Tensión limite
-Tamaño medio de grano[m]
PUNTO DE FUSIÓN [K]
-Temperatura De Transición
Vítrea
-Punto de reblandecimiento[K]
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
[W/M*K]
-Difusividad térmica [m^2/s]
-Resistencia al choque térmico
-Variación de la conductividad
Con la temperatura.
-Calor específico[J/KgK]
POTENCIAL ELECTROQUÍMICO
-Intercambio de densidad de
corriente[a/m^2]
-Potencial (v)
PARAMETROS
DEL
MATERIAL
Parámetros relacionados
Parámetros básicos
PARAMETROS
DE
MATERIALES
PARA PRUEBAS
DE DESGASTE
ABRASIVO Y
EROSIVO
Parámetros relacionados
DUREZA DE GRANO [PA O VHN]
Y / O TIPO DE MINERAL
-Microdureza (Pa o VHN)
-Variación temporal de la
carga
-fuerza de impacto(N)
-Carga oscilatoria(N)
Espectro de tamaño de grano
(m)
-velocidad media (m/s)
-velocidad de impacto (m/s)
-velocidad angular (rad/s)
Parámetros básicos
Parámetros relacionados
HUMEDAD RELATIVA [%]
la humedad absoluta[kg/m^3]
PRESIÓN DEL AIRE LOCAL [PA]
-Presión parcial de oxígeno
[pa]y otros gases activos
PARÁMETROS
AMBIENTALES
NIVEL DE
RADIACIÓN[BEQUERELS/M^2]
-Punto de reblandecimiento[K]
Parámetros básicos
PARAMETROS
DE
Parámetros relacionados
-Viscosidad
-Índice de viscosidad
-Caudal (m^3/s)
-Presión suministrada (Pa)
-Velocidad suministrada (m/s).
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA
[W/M*K]
-Difusión térmica [m^2/s]
-Resistencia al choque térmico
-Acidez (pH)
-Punto de ebullición (k).
-Punto de solidificación (k).
-Calor de oxidación (J/kg*mol).
-solubilidad / solubilidad en
oxigeno.
-Reactividad química
-Momento dipolar.
LUBRICACIÓN
Mecanismos de desgaste o
lubricación
Tribómetros
Abrasivo
Aparato que implica papel de lija o una cama de
arena
Desgaste erosivo
Muestra montada teniendo una corriente de aire o chorro de
líquido mezclado con partículas abrasivas
Desgaste cavitacional
Muestra montada teniendo una corriente de fluido o bien
montada en una plataforma vibratoria sumergido en un
líquido
Desgaste por deslizamiento en seco o lubricado en
condiciones ambientales.
Muestra que se desliza contra una superficie de contacto
móvil ya sea por rotación o un movimiento alternativo.
Sistema de alimentación con un suministro de lubricante para
las pruebas de lubricación
Desgaste seco o lubricado, en ausencia de las
condiciones ambientales.
Superficie de las muestras en movimiento encerradas en una
cámara equipadas con calefacción, refrigeración y / o sistema
de bombeo de vacío para mantener un ambiente especifico.
Esfuerzo/esfuerzo por fatiga
Muestra que se desliza contra la superficie de contacto con
una amplitud muy pequeña. El aparato puede estar equipado
con una cámara 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 cámara para entornos especializados.
Desgaste por impacto
Aparato que contiene un martillo usado para la muestra.
Puede estar equipado con una cámara encerrada por falta de
pruebas ambientales
Mecanismos de desgaste o
lubricación
Tribómetros
Difusión o desgaste soluble
Contiene una muestra como herramienta cortante. El corte es
realizado a una alta velocidad en la superficie
La muestra es sumergida en un fluido y se gira para acelerar
el desgaste
Lubricación hidrodinámica y
elastohidrodinamica.
Los contactos idealizados pueden ser uniformes y no
uniformes con el propósito de mostrar un mecanismo
implicado en la formación de películas lubricantes
Lubricación solida y blanda.
Aparato de que implica desgaste por deslizamiento a bajas
velocidades permitiendo que el coeficiente de fricción de las
pruebas pueda ser controlado.
TRIBÓMETROS
• Un tribómetro 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 tribológicas y los avances
tecnológicos de métodos que permitan simular los
diferentes mecanismos de la fricción y el desgaste, han
hecho posible la construcción de los tribómetros, de
acuerdo a cada sistema de desgaste y dentro de los que se
destacan:
Máquina de Cilindros Cruzados
ASTM- G83
Máquina de Perno contra Disco
ASTM G-99
Máquina Arena Seca - Disco Vulcanizado
ASTM G 65
ANÁLISIS TRIBOLOGICO DE LOS ACEITES LUBRICANTES
UTILIZADOS EN EL TURBOGENERADOR DEL INGENIO
MAHUIXTLÁN, VER.
• Se sometieron las probetas a condiciones de
carga y velocidad constantes de: 50 N y 800
rpm, respectivamente. Para cada lubricante,
se corrió un ensayo, con una duración total de
7.5 horas, obteniendo 15 lecturas de desgaste;
una cada 30 minutos. Esto, con el fin de contar
con un número de datos suficiente que
arrojaran resultados significativos.
Resultados
ACEITE
HEAVY MEDIUM
DESGASTE VOLUMETRICO
TOTAL mm3
0,1401274
TURBINAS 15
0,1401274
MEZCLA
CENTRIFUGADA
MEZCLA
CONTAMINADA CON
AGUA
0,1401274
0,1656051
Resistencia de película
140
100
80
60
Duración del ensayo en mín.
120
40
20
0
Duracion del ensayo en mín.
HVM
TR15
CENT
MCA
120
95
120
88
Desempeño Anti desgaste
0.3
Desgatse en mm3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
DESGASTE EN mm3
HVM
TR15
CENT
MCA
0.089
0.191
0.089
0.28
Minilab 5200
Análisis tribológico del Acero AISI
SAE 1045
Resultados experimentales
Desgaste volumétrico total en pin - disco
Probeta
Desgaste en disco
(cm3)
Desgaste en pin (cm3)
Desgaste total
(cm3)
1
0.006675127
0.004530457
0.011205584
2
0.014149746
0.008553299
0.022703045
3
0.041916244
0.038045685
0.079961929
4
0.017829949
0.011611675
0.029441624
5
0.006243655
0.00463198
0.010875635
6
0.011611675
0.009784264
0.021395939
7
0.059175127
0.039378173
0.0985533
8
0.023185279
0.015126904
0.038312183
9
0.006979695
0.005926396
0.012906091
10
0.010647208
0.008642132
0.01928934
11
0.055114213
0.047614213
0.102728426
12
0.017969543
0.011713198
0.029682741
Resultados
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
Análisis de los resultados
mediante StatGraphics
Ecuación de correlación
W = 0,0135821 - 0,0000274365*V - 0,000720474*P + 0,00000345347*V*P
•R cuadrada = 97,9623 %
•o
Validación de resultados
Ajustes realizados para validar resultados
Columna
Media
Desviación
Dispersión (%)
Grupo 1
0.01104061
0.000164975
1.494251744
Grupo 2
0.022049492
0.000653553
2.964027471
Grupo 3
0.100640863
0.002087563
2.074269773
Grupo 4
0.029562183
0.000120559
0.407813259
Ensayos adicionales
Condiciones de prueba: carga de 30N y velocidad de 500 RPM constantes,
16 periodos de tiempo de 10 minutos y en seco.
Ensayos adicionales
Condiciones de prueba: carga de 30N y velocidad de 500 RPM constantes,
11 periodos de tiempo de 10 minutos y lubricada.
Caracterización tribológica del par bronce
S.A.E 64 –acero AISI-4140 en un contacto
anillo-bloque
Alimex-1 se distingue por su excepcional estabilidad mecánica, alto punto de gota y
su resistencia al agua y a la corrosión. Alimex-1 es una grasa de alto rendimiento
de complejos de sulfonatos de calcio. Esta tecnología es superior a otras grasas
más ricas de alta temperatura como complejos de litio, de aluminio y las grasas de
poliurias.
Primera prueba- Grasa Alimex-1
Fuerza N
80
Velocidad rpm
300
Tiempo min
30
bronce
Densidad g/mm3
0.007825
0.00785
volumen perdido mm3
rugosidad
promedio
Peso
inicial
peso final
bloque 1
0.870
47.764
47.7543
0.0097
19.1
anillo 1
2.17175
8.513
0
19.9
bloque 2
1.063
46.2816
0.0082
19.1
anillo 2
2.497
9.5209
0
19.9
bloque 3
0.587
8.513
46.289
8
9.5209
46.877
6
46.8748
0.0028
19.1
anillo 3
1.592
9.0856
0.001
19.9
9.0866
acero
diferencia
diámetro
de pesos
bloque
1.1677316
29
1.1916932
91
1.1437700
anillo
0
0
0.1273885
4
La S-350 es una grasa de alto rendimiento basada en sulfonato de calcio para
aplicación automotriz, industrial y naval. Ofrece una excelente estabilidad
mecánica, gran capacidad de resistencia a la carga, al agua, a la oxidación, el óxido
y al calor. No contiene metales pesados ni otros contaminantes que dañen el medio
ambiente.
Fuerza N
Velocidad rpm
Tiempo min
Segunda prueba- Grasa S350
80
300
30
rugosidad
promedio
bloque 4
0.455
anillo 4
2.073
bloque 5
0.681
anillo 5
1.308
bloque 6
anillo 6
Peso
inicial
46.863
5
8.9983
46.188
2
peso final
volumen perdido mm3
diferencia
diámetro
de pesos
46.8613
0.0022
19.1
8.9983
0
19.9
46.1834
0.0048
19.1
9.3177
9.3174
0.0003
19.9
0.648
46.754
2
46.7476
0.0066
19.1
1.684
9.0129
9.0127
0.0002
19.9
bloque
0.77156550
0.78594249
2
0.75718849
8
anillo
0
0.0382165
6
0.0254777
1
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.
Fuerza N
Velocidad rpm
Tiempo min
Tercer prueba- Grasa Top 5
80
300
30
rugosidad
promedio
bloque 7
0.563
anillo 7
1.48775
bloque 8
0.735
anillo 8
1.573
bloque 9
anillo 9
Peso
inicial
46.057
6
8.6614
46.940
5
peso final
volumen perdido mm3
diferencia
diámetro
de pesos
46.0498
0.0078
19.1
8.6614
0
19.9
46.9349
0.0056
19.1
8.968
8.9662
0.0018
19.9
0.697
46.473
9
46.4694
0.0045
19.1
1.710
9.5769
9.5747
0.0022
19.9
bloque
0.944089457
0.926517572
0.961661342
anillo
0
0.2292993
6
0.2802547
8
Desempeño Tribológico de las dif. Grasas y sin lubricación.
12
10.24875359
10
8
6
4
2
1.295120164
0.8034126
1.198866527
0
Primera pruebaGrasa Alimex-1
Segunda pruebaGrasa S350
Tercer prueba- Grasa
Top 5
Cuarta prueba- sin
lubricacion
Comparación de desgaste con lubricación y sin lubricación.
12
0.408945687
0.428115016
0.435303514
0.447284345
10
8
6
4
7.364217252
9.620538349
10.39616613
11.56169746
2
0
20
40
60
80
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA, XALAPA
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
Laboratorio de Tribología
Encargado:
Dr. Andrés López Velázquez
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Líneas de Investigación:
1. Desarrollo de Tecnología Tribológica
2. Caracterización
Tribológica
lubricantes y aditivos.
de
3. Modelación y
computadora
Tribológica
Simulación
Materiales,
por
1.- Desarrollo de Tecnología Tribológica
Tribómetro Pin/Disco
ASTM G99
Tribómetro Arena Seca/Disco
Vulcanizado ASTM G65
1.- Desarrollo de Tecnología Tribológica
Tribómetro de Cilindros cruzados
ASTM G83
Máquina Deslub
ASTM D5182
1.- Desarrollo de Tecnología Tribológica
Tribómetro de Cilindros Frontales
Máquina Timken
ASTM D2782
Tribómetro
Multiespecimen
2.- Caracterización Tribológica de Materiales
Desgaste = 102.661 - 0.0191138*P - 0.256529*V +
0.000259083*P*V
Análisis de Rugosidad de Superficies en contacto Tribológico.
Caracterización Tribológica de Lubricantes
Resistencia
de película
Comportamiento de la Viscosidad del aceite SAE 40 Pennzoil
120
Viscosidad (cst)
100
80
Experimental
60
y = -0.1385x 5 + 3.3346x 4 - 31.22x 3 + 142.21x 2 - 318.85x + 302.91
R2 = 0.9999
40
20
Análisis de Viscosidad
0
0
1
2
3
4
5
Corrida Experimental
6
7
8
3.- Modelación y Simulación Tribológica por
computadora
Proyectos de Investigación
Aprobados:
Proyecto de Investigación Aprobado: FOMIX CONACYT-GOB. VER
“Desarrollo de tecnología tribológica y de nuevos materiales, que reduzcan el
desgaste en piezas mecánicas y la contaminación ambiental”.
Etapas:
A)
B)
C)
D)
Diseño del tribómetro
Construcción e Implementación del tribómetro
Instrumentación Electrónica y Digitalización del tribómetro
Operación y Calibración del tribómetro
(31-Oct-2010)
(Nov-2010-Mar-2011)
(Ago-2011- Feb-2012)
(Feb-2012-Jun-2012)
Proyecto de Investigación Aprobado: PROMEP 2010
“Obtención y caracterización mecánico-tribológica de un
material compuesto de aluminio reforzado con partículas de un
material obtenido a partir de desechos avícolas”.
Etapas:
A)
B)
C)
D)
Marco Teórico de los Materiales Compuestos
Evaluación de posibles materiales a utilizar
Obtención de los materiales compuestos
Caracterización de los nuevos materiales compuestos
Por su atención
gracias