Tribología: Principios de Lubricación, Fricción y Desgaste en Ingeniería

Tribología: Estudio de la Lubricación, Fricción y Desgaste

La tribología es el estudio de la lubricación, la fricción y el desgaste de partes móviles o estacionarias. Es un parámetro de diseño tan importante como el esfuerzo o la deformación admisibles. Las propiedades tribológicas deben ser apropiadamente comprendidas para que los elementos de máquinas se diseñen con éxito.

Lubricación por Película Fluida

La lubricación por película fluida ocurre cuando dos superficies opuestas se separan completamente por una película lubricante y ninguna rugosidad está en contacto. La presión interna del fluido soporta la carga aplicada y la resistencia por fricción al movimiento se origina completamente del cortante del fluido viscoso.

Superficies Concordantes y No Concordantes

Las superficies concordantes se ajustan bastante bien una con otra con un alto grado de conformidad geométrica, de forma que la carga se transfiere a un área relativamente grande. Ejemplos incluyen:

• Chumaceras de película fluida
• Cojinetes deslizantes

Muchos elementos de máquinas tienen superficies que no concuerdan entre sí. Entonces, un área pequeña de lubricación debe soportar todo el peso de la carga. Ejemplos de superficies no concordantes son:

• Acoplamiento de los dientes de un engrane
• Levas y sus seguidores
• Cojinetes de elementos rodantes

Tipos de Lubricación

Existen varios tipos de lubricación:

Lubricación Hidrodinámica

Se caracteriza por superficies concordantes con una lubricación por película fluida. En las chumaceras y cojinetes de empuje lubricados hidrodinámicamente se origina una presión positiva debido a que las superficies convergen, y su movimiento relativo y la viscosidad del fluido separan las superficies. La magnitud de la presión no es lo suficientemente grande para causar una deformación elástica significativa en las superficies. El espesor mínimo de la película normalmente es superior a 1 μm. Este espesor mínimo es función de la carga normal aplicada, W, de la velocidad, ub, de la viscosidad absoluta del lubricante, η0, y de la geometría. *1 En general, las películas son gruesas, de manera que se previene que las superficies sólidas opuestas entren en contacto. A esta condición se le denomina la forma ideal de lubricación, porque produce baja fricción y alta resistencia al desgaste.

1. Viscosidad del lubricante -> lubricación.
2. Cortante del lubricante -> Fricción.

3 ejemplos:

• Cojinete deslizante: Para que se desarrolle una presión positiva, se debe disminuir el espesor de la película del lubricante en la dirección del deslizamiento.
• Cojinete de película variable: Las superficies del cojinete se aproximan mutuamente con una velocidad wa, ofreciendo un valioso efecto de amortiguamiento. Las presiones positivas se generarán sólo cuando el espesor disminuya.
• Cojinete presurizado externamente o cojinete hidrostático: La caída de presión en el cojinete soporta la carga. No existe desgaste por contacto superficial al arrancar ni al detenerse. Se emplea en cojinetes lentos con grandes cargas.

Lubricación Elastohidrodinámica

Es una forma de lubricación hidrodinámica, para la que la deformación elástica de las superficies lubricadas resulta significativa. Normalmente, se asocia con superficies no concordantes y con la lubricación por película fluida.

1. EHL dura: Se relaciona con materiales con elevados módulos de elasticidad, como los metales. La deformación elástica y los efectos de la presión-viscosidad son igualmente importantes en esta forma de lubricación. El espesor mínimo de la película depende de los mismos parámetros que la hidrodinámica, además del módulo de elasticidad efectivo, E’, y del coeficiente presión-viscosidad del lubricante, ξ. *2 Las relaciones experimentales entre el espesor mínimo de la película, la carga normal aplicada y la velocidad de la superficie superior ub son: (h_{mín) HEHL} ∞ W^-0,073 y (h_{mín) HEHL} ∞ u_b^0,68

1. El exponente de la carga normal aplicada es casi siete veces mayor en la HL que en la HEHL. Esto implica que el espesor de la película se afecta sólo ligeramente en la HEHL, a diferencia de la HL.
2. El exponente de la velocidad media es ligeramente mayor para la HEHL.

1. EHL suave: Se relaciona con materiales con bajos módulos de elasticidad, como el caucho. La deformación elástica es grande, aún con cargas bajas. Al igual que en la dura, la deformación elástica local proporciona películas fluidas coherentes que evitan la interacción de las crestas de rugosidad. Esto implica que la resistencia al movimiento por fricción se debe al cortante del lubricante.

Lubricación Marginal

Los sólidos no están separados por el lubricante, los efectos de la película fluida son insignificantes y el contacto entre las crestas es importante. Las propiedades del lubricante tienen menor importancia, y el coeficiente de fricción es independiente de la viscosidad del fluido. El espesor de las películas varía de 1 a 10 nm. Se utiliza en los elementos de máquinas con cargas pesadas y bajas velocidades de operación. Ejemplos: bisagras de puertas.

Lubricación Parcial

Si las presiones en los elementos de máquinas lubricados elastohidrodinámicamente resultan demasiado altas o las velocidades de operación son demasiado bajas, la película del lubricante se dispersa; habrá algún contacto entre las crestas de rugosidad y ocurrirá la lubricación parcial.

Parámetros de Superficie

El diseño de elementos de máquinas es un problema de dos superficies en contacto o separadas por una película fluida delgada. El acabado superficial es importante para asegurar una larga vida del componente. Dado el perfil de una superficie se pueden definir dos parámetros diferentes.

1. Línea central promedio o promedio aritmético de la rugosidad de la superficie (Ra). *3
2. Raíz media cuadrática de la rugosidad de la superficie (Rq). *4

Parámetro de Película

Para evaluar la calidad de la película se define el parámetro de película. El parámetro de película define de manera aproximada los cuatro regímenes de lubricación:

1. Hidrodinámica, 5 ≤ Λ < 100
2. Elastohidrodinámica, 3 ≤ Λ < 10
3. Parcial, 1 ≤ Λ < 5
4. Marginal, Λ < 1

El asentamiento o rodaje es un proceso que afecta al parámetro de película. En este proceso, el desgaste permite que las superficies se ajusten la una a la otra, para ofrecer una operación uniforme. Es un desgaste beneficioso, que disminuye la rugosidad de las superficies y aplana las crestas.

Viscosidad del Lubricante

Un lubricante es cualquier substancia que reduce la fricción y el desgaste; además proporciona una operación uniforme y una vida satisfactoria de los elementos de máquinas. Los lubricantes pueden ser:

• Líquidos
• Sólidos
• Grasas
• Gases

Para que un lubricante resulte efectivo, debe ser:

• Viscoso para mantener la película lubricante en condiciones de operación.
• Fluido para eliminar el calor y evitar la pérdida de potencia debida al arrastre viscoso.

Ventajas de los Lubricantes Líquidos

1. Se pueden eliminar por medio de acción hidrodinámica.
2. Tienen una capacidad de disipación térmica relativamente alta para enfriar las piezas en contacto.
3. Se pueden mezclar fácilmente con otros productos químicos para mejorar las propiedades (resistencia a la corrosión, limpieza, etc.).
4. Pueden ayudar a eliminar las partículas producidas por el desgaste.

Fricción

La fricción es la fuerza que resiste el movimiento relativo entre las superficies en contacto.

1. Fricción por deslizamiento (μ).
2. Fricción por rodamiento (μr). μr < μ. *5

En algunas situaciones interesa una fricción baja. Por ejemplo:

1. En las turbinas y generadores de centrales eléctricas.
2. En los giroscopios.

En otros casos, se busca una fricción alta. Por ejemplo:

1. En los frenos.
2. En la interacción zapato-suelo.
3. Entre una tuerca y un tornillo.

Leyes de la Fricción Seca

1. La fuerza de fricción es proporcional a la carga normal (perpendicular).
2. La fuerza de fricción no depende del área aparente de los sólidos en contacto.
3. La fuerza de fricción es independiente de la velocidad de deslizamiento.

Desgaste

El desgaste es el proceso más importante y perjudicial en los elementos de máquinas. El desgaste se puede considerar como la pérdida progresiva de la substancia de la superficie de operación en un cuerpo, que ocurre como resultado de los efectos de la carga y del movimiento relativo en la superficie. Se clasifica de acuerdo con la naturaleza física del proceso subyacente.

1. Adhesión
2. Abrasión
3. Fatiga
4. Erosión
5. Corrosión

Desgaste por Adhesión

En el desgaste por adhesión, el material se transfiere de una superficie a otra por medio de una soldadura de presión. Es el más común y el menos previsible. Cuando la soldadura microscópica se rompe, se elimina el material de la superficie que tiene menor resistencia a la fluencia. El volumen del material eliminado por desgaste, v, es directamente proporcional a la distancia de deslizamiento, L, y a la carga normal aplicada, W, y es inversamente proporcional a la dureza, H, del material más débil. Introduciendo un coeficiente adimensional de desgaste por adhesión, k1 *6. k1 es una medida de la probabilidad de que cualquier interacción entre las crestas de las dos superficies en contacto produzca una partícula de desgaste.

Desgaste por Abrasión

El desgaste por abrasión se produce cuando dos superficies que actúan de forma recíproca se encuentran en contacto físico directo y una es significativamente más dura que la otra. Bajo una carga normal, las crestas de la superficie más dura penetran en la otra, produciendo deformaciones plásticas permanentes. La cantidad de material desgastada por abrasión es: *7 … k1, cte. Desgaste por adhesión. K2, cte. Desgaste abrasivo.

Desgaste por Fatiga

Para contactos no concordantes, una forma prevalente de falla es el desgaste por fatiga en la que el material se elimina por la variación cíclica de la carga. El desgaste por fatiga se produce por la propagación del daño subsuperficial a la superficie debido a las cargas cíclicas. A medida que la carga cíclica se aplica, se forman fallas o grietas bajo la superficie. Si las grietas se agrupan y se acercan a la superficie, el material superficial se fractura fácilmente, degradando la superficie. A medida que la carga cíclica continúa, se forman fallas o grietas bajo la superficie. Si las grietas se agrupan y se acercan a la superficie, el material superficial se fractura fácilmente, degradando la superficie.