INTRODUCCIÓN TRIBOLOGÍA

La Tribología

Autor: Nain Aguado, Ingeniero Mecánico, con especialización en diseño de maquinaria y equipo agroindustrial y MBA en Dirección Proyectos, Universidad Viña del Mar (Chile). Mi experiencia profesional incluye actividades relacionadas con la gestión integral de activos, confiabilidad y gestión integral de proyectos, diseño y fabricación de infraestructura de soporte para los sectores agroindustrial, minero y portuario. Actualmente soy consultor en gestión de mantenimiento, integridad mecánica, lubricación y dirección de proyectos ABS Consulting, y Director General de LubricarOnLine.com. Miembro activo de la asociación colombiana de ingenieros (ACIEM), Project Management Institute (PMI), ASME, NACE.

TRIBOLOGIA : Ciencia que estudia la fricción, desgaste y lubricación que se da durante el contacto entre superficies solidas en movimiento, permitiendo así la confiabilidad y productividad de la máquina.

Del griego: TRIBOLOGIA = TRIBOS -LOGOS

Tribos: Fricción

Logos: Estudio

La Tribología es el arte de aplicar un análisis operacional a problemas de gran importancia económica, llámese, confiabilidad, mantenimiento, y desgaste del equipo técnico, abarcando desde la tecnología aeroespacial hasta aplicaciones domésticas. El entendimiento de las interacciones superficiales en una interfase requiere tener conocimiento de varias disciplinas incluyendo la física, química, matemáticas aplicadas, mecánica de sólidos, mecánica de fluidos, termodinámica, transferencia de calor, ciencia de materiales, reología, lubricación, diseño de máquinas, desempeño y confiabilidad.

El propósito de la lubricación o engrase es el de interponer una película de un material fácilmente cizallable entre órganos con movimiento relativo. La sustancia fácilmente cizallable es lo que se conoce como Lubricante.

La Tribología involucra:

• Fricción
• Lubricación
• Desgaste
• Diseño
• Repuestos
• Operación
• Mantenimiento

FUNCIONES DE UN LUBRICANTE

El lubricante es una “pieza del motor” de alta tecnicidad. Desempeña 7 funciones esenciales:

• Reducir los rozamientos.
• Limitar el desgaste de las piezas en movimiento en el motor.
• Enfriar el motor.
• Mantener el mecanismo en buen estado de limpieza.
• Proteger contra la corrosión.
• Facilitar la puesta en movimiento de los conjuntos móviles del motor.
• Reducir el consumo de combustible mediante la utilización del aceite
• Ahorro de Energía: por ejemplo, este aceite tiene condiciones de utilización específicas y no está adaptado a todos los motores.

FRICCIÓN

La fuerza de fricción (F), es negativa y se opone al movimiento y refleja que tanta energía mecánica se pierde cuando dos cuerpos inician el movimiento ó se mueven entre sí y es paralela y opuesta al sentido del movimiento. Refleja que tan eficiente energéticamente es el mecanismo durante su funcionamiento.

La fricción ó fuerza de fricción (Ff), es igual a: F x W

• F: fuerza de fricción, kgf (lbf)
• f: coeficiente de fricción metal-metal, sólido, mixto ó fluido a dimensional
• W: fuerza normal que actúa sobre una de las superficies de fricción, kgf , (lbf).

Tipos de Fricción

Existen varios tipos de rozamiento. Si las superficies en contacto se separan por la interposición permanente de una sustancia lubricante, el rozamiento será de tipo “fluido o húmedo”, mientras que si no existe una sustancia intermedia será del caso “rozamiento seco o sólido”

TIPOS DE FRICCION:

Los tipos de fricción que se pueden presentar en los mecanismos de una máquina son:

• Fricción estática
• Fricción dinámica
• Metal –metal
• Sólida
• Mixta
• Fluida

1. Fricción estática: Pérdida de energía mecánica al inicio y al final del movimiento relativo tangencial entre dos zonas materiales en contacto. Es la fuerza que se opone al movimiento.
2. Fricción móvil: Pérdida de energía mecánica durante el movimiento relativo de zonas materiales en contacto. La fricción dinámica limita la potencia útil que puede obtenerse de un mecanismo.
3. Las mejores condiciones de lubricación corresponden a la lubricación hidrodinámica o de película gruesa. En este caso, la película tiene un espesor considerablemente superior a la rugosidad de las superficies lo cual asegura que estas queden convenientemente separadas.
4. Cuando la película no tiene el espesor suficiente para separar completamente las superficies, es decir que resulta inferior a la rugosidad, la lubricación (limite o de película escasa), es menos eficiente, ya que las superficies de trabajo deben soportar en gran parte las cargas aplicadas. De todos modos la fricción será siempre menor que la que se tendría de no estar presente el lubricante, pero aquí la naturaleza química del mismo juega un papel muy importante.

Coeficiente de Fricción

El coeficiente de fricción es la variable en la fuerza de fricción, para lograr disminución en el consumo de energía y menores niveles de desgaste. Los siguientes son valores típicos del coeficiente de fricción:

• Metal-metal: acero -acero: fmm= 0,40
• Sólido: ditiosfosfato de zinc -ditiosfosfato de zinc: fs = 0,090
• Mixto: aceite mineral EP1 -aceite mineral EP1: fm = 0,024.
• Fluido: aceite mineral -aceite mineral: ff= 0,0080.

1. Fuerza Fricción Metal-Metal: Se presenta cuando la rugosidad de una superficie metálica desliza directamente sobre la otra, debido a la rotura de la película lubricante.

La fricción metal-metal no siempre se debe evitar. Hay casos en donde es imprescindible que ocurra, como por ejemplo en las líneas de ferrocarril, en donde es necesario que las superficies estén completamente exentas de algún tipo de lubricante para poder rodar y frenar rápidamente.

1. Fuerza Fricción Solida: Estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por tres elementos que presentan características de cuerpos sólidos. Durante la fricción sólida el tercer elemento está presente en forma de capas de un compuesto adheridas al metal base. En la práctica industrial este estado de fricción se halla ampliamente difundido. Se entienden como compuestos la película límite de aditivo antidesgaste, las capas de óxidos, suciedad, etc. La magnitud del coeficiente de fricción varía entre 0,2 a 0,8. Se presenta al inicio y final del movimiento de las superficies de fricción de un mecanismo lubricado.

1. Fuerza Fricción Mixta: Se presenta cuando las condiciones de trabajo son de alto torque y bajas velocidades y el tipo de lubricación es Elasto-hidrodinámica (EHL).

Durante la fricción mixta, las propiedades de los materiales, que constituyen la unión, juegan un papel de primer orden. La magnitud del coeficiente de fricción mixta varía entre 0,05 y 0,2.

1. Fuerza Fricción Fluida: Estado de fricción en el cual el sistema tribológico está constituido por tres elementos, presentando uno de ellos propiedades líquidas. La obtención de la fricción fluida está condicionada a la existencia de un lubricante líquido que separa las superficies de los elementos sólidos, que constituyen el sistema tribológico. Tiene lugar cuando la fricción se presenta en el interior de la película lubricante y la lubricación es hidrodinámica.

DESGASTE

Desgaste es la perdida de material, ocasionada por el movimiento relativo entre las superficies en contacto. El material se desprende de una superficie por:

• Acción química
• Fractura de la superficie

Es consecuencia directa del rozamiento metal-metal entre dos superficies y se define como el deterioro sufrido a causa de la intensidad de la interacción de sus rugosidades superficiales. El desgaste puede llegar a ser crítico, haciendo que las piezas de una máquina pierdan sus tolerancias y queden inservibles, causando costosos daños y elevadas pérdidas de producción.

Tipos de Desgaste

1. Abrasión: Causado por partículas duras o por protuberancias de las superficies que están en contacto.
2. Erosión: Se produce por la acción de los fluidos a altas velocidades, sobre los metales erosionándolos.
3. Desgaste Adhesivo: Por el contacto a alta presión de las superficies, las cuales se sueldan produciéndose la corrosión por contacto.
4. Desprendimiento de Metal: Rompimientos por esfuerzos mas allá de la resistencia del metal.
5. Fatiga superficial: Fractura del material de una superficie solida causada por la tensión cíclica generada en acción repetitiva, de deslizamiento o rodamiento de las superficies.
6. Corrosión: Es el ataque de las superficies por sustancias que reaccionan con ellas, por acción química.
7. Herrumbre: Cuando la humedad esta en contacto con los metales, se produce un ataque químico de reacción con formación de óxidos que producen desgaste.

Problemas Ocasionados por el Desgaste

1. Mayor consumo de repuestos por aumento en las reparaciones y en el mantenimiento.
2. Reducción en la producción por paros de maquinaria.
3. Vida útil más corta de la maquinaria.
4. En motores de combustión interna da lugar a pérdida de potencia, mayor consumo de combustible, etc.
5. Posibilidad de accidentes ante el peligro de rotura de piezas al sobrepasar los límites permisibles de diseño.

Formas Controlar el Desgaste

1. Utilizando los lubricantes más apropiados para la diferentes condiciones de operación.
2. Frecuencia de lubricación adecuada, con el fin de determinar los cambios de aceite y los re-engrases correctos.
3. No sobre-lubricar los equipos
4. Buenos programas de mantenimiento preventivo, incluyendo principalmente la limpieza y/o el cambio de los filtros de aire y de aceite.
5. Evitar la contaminación de los lubricantes y depósitos de lubricantes
6. No sometiendo los equipos a condiciones diferentes a las de diseño.
7. Implementar técnicas basadas en condición
8. Implementar en los equipos dispositivos para tomar las muestras de los lubricantes.
9. Almacén de lubricantes