TRIBOLOGIA
HISTORIA
•
•
• Prehistoria
• 5000 a.C.
•
• 5000 - 3000 a.C. utilización de materiales con menos
coeficiente de rozamiento y grasas animales
• 23 - 79 d.C.
Plinio utilización de aceites vegetales
• 1452 - 1519
da Vinci consideración del rozamiento en los
cálculos
• 1564 - 1642
Galileo estudios sobre el rozamiento, el plano
inclinado y principio de la inercia
• 1642 – 1727
Newton estudio resistencia viscosa de los
fluidos
• 1663 - 1705
Amontons proporción entre la fuerza de
rozamiento
1736 - 1806
Coulomb y la fuerza normal
•
•
•
•
•
•
generación de fuego mediante fricción
invento de la rueda
• • 1855 Petroff propiedades lubricantes de los
aceites
• 1872
Tower minerales destilados del petróleo
Reynolds comportamiento dinámico de
los
líquidos (régimen turbulento y
laminar)
Kingsbury tesis sobre lubricación de
|
cojinetes
• •1975 “Grupo Especializado en Tribología”
rama de la “Sociedad Española
de Física y Química”
DEFINICION
• La palabra TRIBOLOGIA tiene su origen en una palabra griega,
" tribos " (roce o frotación en español, lo que definiremos
como: Al contacto existente entre dos cuerpos). Así pues,
TRIBOLOGIA como la ciencia que estudia la fricción, el desgaste
y la lubricación. Y debemos recordar que la TRIBOLOGIA no
solo se aplica en la industria, o en el Mantenimiento Industrial,
sino también en la anatomía humana, etc. Es por lo tanto, una
Ciencia Multidisciplinar, que implicará áreas como:
física, química, matemática aplicada, mecánica de sólidos y
fluidos, termodinámica, materiales, lubricación, diseño de
equipos y componentes de máquinas, procesos de
mantenimiento, etc.
• La tribología es la ciencia y técnica que estudia la interacción
entre superficies en movimiento y los problemas relacionados
con ellos: desgaste, fricción, adhesión y lubricación.
En la interacción entre dos superficies aparecen diversos
fenómenos cuyo conocimiento es de vital importancia, la
disipación de energía (coeficiente de rozamiento), modificación
de características básicas (rugosidad), alteración de
propiedades físicas (dureza) y/o pérdida de material (desgaste)
Estos tres fenómenos fundamentales que aparecen son:
• FRICCIÓN: Efecto que proviene de la
existencia de fuerzas tangenciales que
aparecen entre dos superficies sólidas en
contacto cuando permanecen unidas por la
existencia de esfuerzos normales a las
mismas.
•
Hay que distinguir entre dos situaciones:
1. FUERZA DE FRICCIÓN ESTÁTICA: La necesaria para iniciar el
movimiento. Si la fuerza tangencial aplicada es menor a este
valor, no existe movimiento y la fuerza de fricción es igual o
mayor a la tangencial aplicada.
2. FUERZA DE FRICCIÓN CINÉTICA O DINÁMICA: La necesaria
para mantener el movimiento. De valor menor a la anterior.
• DESGASTE: Consiste en la desaparición de
material de la superficie de un cuerpo como
consecuencia de la interacción con otro
cuerpo.
• ADHESIÓN: Capacidad para generar fuerzas
normales entre dos superficies después de
que han sido mantenidas juntas. Es decir, la
capacidad de mantener dos cuerpos unidos
por la generación anterior de fuerzas de unión
entre ambos.
OBJETIVOS
• El objetivo de la tribología no solo es minorar las desventajas.
Dependiendo de la situación el objetivo a alcanzar puede ser
distinto.
• Mínimo desgaste y mínima fricción: rodamientos, engranajes,
levas... gracias a la lubricación y las capas de recubrimiento.
• Mínimo desgaste y máxima fricción: frenos, embragues,
neumáticos... con materiales resistentes al desgaste.
• Máximo desgaste y mínima fricción: lápices, deposición de
lubricantes sólidos mediante deslizamiento.
• Máxima fricción y máximo desgaste: borradores.
Aspectos económicos
Acciones para bajar costos en la lubricación industrial
Selección precisa del lubricante, y su vida útil.
Extender proactivamente la vida del lubricante.
Optimizar los intervalos de re lubricación.
Disminuir los desperdicios en los contenedores de lubricantes.
Disminuir fugas.
Mejorar gestión de adquisición de los lubricantes.
Aceite de engranajes
Fluidos hidráulicos.
Aceites de turbinas.
Aceites de motores.
Grasa para rodamientos.
Aspectos energéticos
Factores principales que intervienen en el proceso de
disipación de la energía de fricción:
• Contacto directo (sin lubricante !!!)
Naturaleza de los materiales, acabados de las superficies,
intensidad de la carga aplicada y la velocidad relativa
• Sin contacto directo (con lubricante !!!)
Las fuerzas viscosas del lubricante definen un flujo de tipo
laminar o turbulento
Aspectos ecológicos
• Mejora de las propiedades de los lubricantes
optimizando sus prestaciones y consumos (menos
residuos)
• Lubricantes sintéticos (biodegradables)
• Máquinas herméticas (lubricación con el
producto)
1 Soluciones tribológicas
•
Lubricación
Las superficies de contacto están separadas por un producto
(gas, líquido o sólido). Los dos primeros pueden estar sometidos a una
presión exterior (lubricación hidrostática) o bien interior al sistema
(lubricación hidrodinámica). También se utilizan productos sólidos (grafito
y bisulfuro de molibdeno) así como productos viscoplásticos (grasa)
• Rodamientos y cojinetes
Las superficies de contacto se separan mediante piezas con
bolas o rodillos (rodamientos) o bien piezas porosas autolubricantes
(cojinetes)
• Tratamientos y recubrimientos de materiales
Modificación de las propiedades físicas de los
materiales en térmicos y/o termoquímicos (temple,
cementación, nitruración) o con la aportación de
elementos metálicos, químicos o plásticos
Tribosistemas Abiertos.
Son aquellos sistemas donde los elementos a ser
lubricados están a la vista.
Tribosistemas Cerrados.
Son aquellos sistemas donde los elementos a ser
lubricados no están a la vista.
LUBRICACIÓN
El objetivo de la lubricación es reducir el rozamiento, el desgaste y
el recalentamiento de las superficies de piezas en movimiento que
se hallan en contacto directo. Los ejemplos de aplicación típicos
son los cojinetes del cigüeñal y bielas en un motor, los cojinetes de
las turbinas de centrales termoeléctricas .
Entre los factores de diseño a considerar se hallan discriminados en
factores de orden técnico y factores de orden económico como:
- Los valores de las cargas aplicadas y las condiciones de servicio
- Las condiciones de instalación y el tipo de mantenimiento
- Las tolerancias de fabricación permitidas, la duración pretendida
- Los costos de instalación y de mantenimiento
El estudio de la lubricación está basado en:
- mecánica de fluidos.
- termodinámica y transferencia de calor.
- mecánica de sólidos, materiales.
TIPOS DE LUBRICACIÓN
Se pueden distinguir tres tipos de condiciones de lubricación
- Lubricación Hidrostática
- Lubricación Hidrodinámica
- Lubricación Elastohidrodinámica
LUBRICACIÓN HIDROSTÁTICA
Se obtiene introduciendo el lubricante que a veces es aire o agua, en el
área de soporte de carga a una presión suficientemente alta para separar
las superficies con una película de lubricante relativamente gruesa. Por
tanto, contraria a la lubricación hidrodinámica, esta clase de lubricación no
requiere movimiento de una superficie en relación con la otra.
Se usa en rodamientos con grandes cargas y mínimas velocidades.
LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA
Mantener una capa de líquido intacta entre superficies que se mueven una
respecto de la otra, se logra generalmente mediante el bombeo del aceite. El
espesor de esta capa depende de un balance entre la entrada y la salida de aceite.
El espesor de equilibrio de la capa de aceite se puede alterar por:
•
•
•
•
Incremento de la carga, que expulsa aceite
Incremento de la temperatura, que aumenta la pérdida de aceite
Cambio a un aceite de menor viscosidad, que también aumenta la pérdida de
aceite
Reducción de la velocidad de bombeo, que disminuye el espesor de la capa
LUBRICACIÓN ELASTOHIDRODINÁMICA
Es el fenómeno que ocurre cuando se introduce un
lubricante entre las superficies en contacto rodante,
como en los engranes acoplados, en cojinetes de
rodamiento o entre una leva y su seguidor.
La carga crea una huella de contacto causada por las
deflexiones elásticas de la superficie y esta huella puede
hacer que se cree una superficie plana suficientemente
grande como para permitir la formación de una película
totalmente hidrodinámica, siempre que la velocidad
relativa de deslizamiento sea lo suficientemente
elevada.
•
La Lubricación Hidrodinámica es la que se puede observar en los cojinetes
con superficies concordantes como en la figura (a). La lubricación
elastohidrodinámica es más común en superficies rodantes no
concordantes como en el caso de los rodamientos, según se ve en la figura
(b).
CLASIFICACION DE LOS ACEITES LUBRICANTES POR SU
ORIGEN
•
Aceites Minerales: Los aceites minerales proceden del Petroleo, y son
elaborados del mismo despues de múltiples procesos en sus plantas de
producción, en las Refinarías. El petroleo bruto tiene diferentes
componentes que lo hace indicado para distintos tipos de producto final,
siendo el más adecuado para obtener Aceites el Crudo Parafínico.
•
Aceites Sintéticos: Los Aceites Sintéticos no tienen su origen directo del
Crudo o petroleo, sino que son creados de Sub-productos petrolíferos
combinados en procesos de laboratorio. Al ser más largo y complejo su
elaboración, resultan más caros que los aceites minerales. Dentro de los
aceites Sintéticos, estos se puden clasificar en:
- OLIGOMEROS OLEFINICOS
- ESTERES ORGANICO
- POLIGLICOLES
- FOSFATO ESTERES
ADlTIVOS DE LOS ACEITES LUBRICANTES
INDUSTRIALES
•
ADITIVOS ANTIDESGASTE:
La finalidad de los lubricantes es evitar la fricción directa entre dos superficies que
están en movimiento, y estos aditivos permanecen pegados a las superficies de las
partes en movimiento, formando una película de aceite, que evita el desgaste
entre ambas superficies.
•
ADITIVOS DETERGENTES:
La función de estos aditivos es lavar las partes interiores en el motor, que se
ensucian por las partículas de polvo, carbonilla, etc., que entran a las partes del
equipo a lubricar, motor, etc.
•
ADITIVOS DISPERSANTES:
Este tipo de aditivos pone en suspensión las partículas que el aditivo detergente
lavó y las disipa en millones de partes, reduciendo su impacto para la zona a
lubricar.
CLASIFICACION DE LOS ACEITES LUBRICANTES PARA
MOTORES
• SAE (Society of Automotive Engineers) - Sociedad de
Ingenieros Automotrices
• API (American Petroleum Institute) – Instituto
Americano del Petróleo
• ASTM (American Society for Testing Materials) Sociedad Americana de Prueba de Materiales
• Otras clasificaciones de fabricantes, etc.
SAE - GRADO DE VISCOSIDAD DEL ACEITE
El índice SAE, TAN solo indica como es el flujo de los aceites
a determinadas temperaturas, es decir, su VISCOSIDAD. Esto
no tiene que ver con la calidad del aceite, contenido de
aditivos, funcionamiento o aplicación para condiciones de
servicio especializado.
• La clasificación S.A.E. está basada en la viscosidad del aceite
a dos temperaturas, en grados Farenheit, 0ºF y 210ºF,
equivalentes a -18º C y 99º C, estableciendo ocho grados
S.A.E. para los monogrados y seis para los multigrados.
•
Grado SAE
0W
5W
10W
15W
20W
25W
20
30
40
50
60
Viscosidad Cinemática
cSt @ 100°C
3,8
3,8
4,1
5,6
5,6
9,3
5,6 - 9,3
9,3 - 12,5
12,5 - 16,3
16,3 - 21,9
21,9 - 26,1
• Por ejemplo, un aceite SAE 10W 50, indica la
viscosidad del aceite medida a -18 grados y a 100
grados, en ese orden. Nos dice que el ACEITE se
comporta en frío como un SAE 10 y en caliente como
un SAE 50. Así que, para una mayor protección en
frío, se deberá recurrir a un aceite que tenga el
primer número lo más bajo posible y para obtener
un mayor grado de protección en caliente, se deberá
incorporar un aceite que posea un elevado número
para la segunda.
API - CATEGORIA DE SERVICIO
•
Los rangos de servicio API, definen una calidad
mínima que debe de tener el aceite. Los rangos que
comienzan con la letra C (Compression
(compresión)– por su sigla en ingles) son para
motores tipo DIESEL, mientras que los rangos que
comienzan con la letra S (Spark (chispa) - por su sigla
en ingles) son para motores tipo GASOLINA. La
segunda letra indica la FECHA o época de los rangos,
según tabla adjunta.
Clasificación• API Gasolina
SH: Apta para motores gasolina en servicio normal, según recomendaciones de
mantenimiento del fabricante. Superan a la anterior API SG en el control de depósitos,
control de la oxidación, y protección contra el desgaste, herrumbre y corrosión
SH + EC ySH + EC II: Lubricante de calidad SH. Características de ahorro de combustible frente
a un aceite de referencia SAE 20W-30. EC ahorro mínimo 1.5 %. EC II ahorro mínimo 2.7 %.
•
SJ: Diseñado para su utilización en motores gasolina, según las recomendaciones de
mantenimiento del fabricante. Requisitos más estrictos que API SH. Introducida en 1.997.
•
SJ + EC: Lubricante de calidad SJ. Características de ahorro de combustible frente a un aceite
de referencia sintético SAE 5W-30. Ahorros mínimos entre un 1.4 % y un 0.5 % según las
viscosidades. Superior a SH + EC II.
•
SL: Diseñado para su utilización en motores gasolina operando bajo las recomendaciones de
mantenimiento del fabricante. Supera a API SJ en el control de la formación de depósitos a
altas temperaturas, lo que conlleva motores más limpios; control de la oxidación, lo que
aumenta su vida útil; y reducción de la volatilidad en un 30% frente a API SJ, lo que reduce
significativamente el consumo de lubricante. Introducida en 2.001.
Clasificación API Diesel:
•
CF-4: Lubricante para motores diesel rápidos de cuatro tiempos. Supera a la anterior API CE en la
reducción del consumo de lubricante y en el control de formación de depósitos en los pistones. Indicado
para vehículos de carretera y servicio pesado. Introducida en 1.990.
•
CF: Motores diesel de inyección indirecta y otros tipos de motores diesel de aspiración natural o
sobrealimentados. Excelente control de depósitos en pistones, desgaste y corrosión. Introducida en 1.994.
•
CF-2: Motores diesel de dos tiempos con aplicación en servicio pesado. Excelente control de depósitos,
protección
de
pistones
y
de
segmentos.
Introducida
en
1.994
CG-4: Motores diesel de cuatro tiempos utilizados en servicio pesado tanto en vehículos de carretera
como de obras públicas. Excelente control de depósitos en pistones, propiedades antidesgaste,
anticorrosión, contra la formación de espuma, estabilidad a la oxidación y contra la acumulación de
carbonilla.
Introducida
en
1.994
CH-4: Su objetivo es aumentar los períodos entre cambios y reducir los costos de las operaciones.
Insatisfacción
con
la
CG-4.
Introducida
en
1.999
CI-4: Lubricantes para motores diesel rápidos de cuatro tiempos, diseñados para cumplir las
especificaciones sobre emisiones del 2.004. Aplicables con combustibles con contenidos en azufre
inferiores a 0.05% en peso. Especialmente efectivos en motores con Recirculación de Gases de Escape
(EGR). Mejora la protección contra la corrosión, estabilidad a altas y bajas temperaturas, control de las
carbonillas, control de depósitos en pistones, reducción del desgaste en árbol de levas, reducción de la
oxidación, evitar la formación de espuma y reducir la pérdida de viscosidad debido al cizallamiento.
MARCA TOROIDAL
La marca toroidal es una marca que muestra que un
aceite ha pasado cada tipo de clasificación.
Los aceites en los cuales se visualiza la marca
toroidal, son solo aquellos que tienen una
clasificación de calidad API, una clasificación de
viscosidad SAE y un rendimiento en la economía de
combustible.
Curva de Stribeck
curva de Stribeck
• La curva de Stribeck es un gráfico clásico basado en el estudio
de la lubricación de un eje liso, en contacto con su cojinete lo
cual provoca el desgaste.A medida que aumenta el número de
revoluciones, se forma una cuña de aceite lubricante que
produce una pelicula protectora entre el cojinete y el eje. Este
fenomeno se reconoce por lo que llamamos lubricación
hidrodinamica
e
impide
el
desgaste.
A muy bajas velocidades predomina la lubricación por capa
límite. Toda la carga es soportada por las crestas de la
superficie
en
el
área
de
contacto
A velocidades altas se crea un efecto de cuña entre el fluido y
el objeto. La presión hidrodinámica separa completamente el
objeto de la superficie.
Grasas Lubricantes
Una grasa lubricante es un material semifluido formado por un agente espesante, un
aceite base y, normalmente, una serie de aditivos.
La naturaleza y porcentajes de los componentes de la grasa dependen mucho de las
aplicaciones para las cuales va a estar destinada.
Aceite base: 75-96%



Aceite mineral
Aceite sintético
Aceite vegetal
Espesante: 3-25%
•
•
•
•
Jabones metálicos simples
Jabones metálicos complejos
Espesantes con base no jabonosa
Espesantes inorgánicos
Aditivos 0-10%
•
•
•
Complejos de litio
Complejos de grafito
Anticongelantes
Complejos de Litio. Se utilizan como espesantes de grasas lubricantes en aplicaciones
de alta temperatura.
- Poseen puntos de fusión superiores a los jabones convencionales de sodio
o potasio (punto de gota de 180ºC, y temperatura máxima de servicio de
140ºC).
- Las grasas con dichos espesantes son resistentes a la pérdida de
consistencia y a las fugas.
- Poseen excelentes propiedades anti herrumbre y corrosión.
- Tienen una moderada resistencia al agua.
- Los aditivos en estas grasas funcionan mejor que en otros medios.
- Posee excelentes propiedades selladoras.
Fallas en rodamientos por mala lubricación.
• Según algunos autores un 36% de las fallas en los rodamientos corresponden a
problemas de lubricación.
– Estos pueden ser
por La lubricación inadecuada puede ser por:
sobrellenado, llenado insuficiente, especificación incorrecta, mezcla de
varios lubricantes, incompatibilidad, incorrecta lubricación e irregularidades
en los intervalos de sustitución , deterioro de la grasa o aceite, agua y
partículas contaminantes.
Rodamiento dañado por lubricación
inadecuada
Decoloración del rodamiento por
falta de lubricación
Degradación del rodamiento con
desprendimiento de material
• El sobre-engrasado es un problema muy común y puede causar
elevadas temperaturas de operación, aumento de la fricción, falla
prematura del rodamiento e incrementar el riesgo de ingreso de
contaminantes.
DESGASTE: El desgaste es el daño de la superficie por remoción de material de una o ambas
superficies sólidas en movimiento relativo.
Tipos de Desgaste:
Desgaste por Fatiga
Desgaste Abrasivo
Desgaste por erosión
Desgaste por corrosión
Desgaste por Frotación
Desgaste adhesivo
Erosión por cavitación
Desgaste por Fatiga.
Surge por concentración de tensiones mayores a las que
puede soportar el material, incluye la formación de
cavidades y grietas.
Desgaste Abrasivo.
Es el daño por la acción de partículas sólidas presentes en la
zona del rozamiento.
Desgaste por Erosión.
Es producido por una corriente de partículas abrasivas, muy
común en turbinas de gas, tubos de escape y de motores.
Desgaste por Corrosión.
La corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque
químico por su entorno.
La velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, de
la salinidad del fluido en contacto con el metal y de las propiedades de los materiales
en cuestión.
Desgaste por Frotación.
Se producen por movimientos relativamente pequeños
(como una vibración) de dos sustancias que al menos una es
metálica, este provoca picaduras en la que se establecen los
agentes corrosivos. Generalmente se dan en sistemas
ensamblados.
Desgaste Adhesivo.
Es el proceso por el cual se transfiere material de una a otra
superficie durante su movimiento relativo, como resultado
de soldado en frío en puntos de interacción de asperezas, en
algunos casos parte del material desprendido regresa a su
superficie original o se libera en forma de virutas o rebaba.
Desgaste por Cavitación.
Ocurre cuando un líquido en circulación está sujeto a
cambios rápidos de presión, provocando la formación de
burbujas en la región de bajas presiones.