diseño de máquina recíprocante para ensayos de desgaste

Departamento de Ingeniería Mecánica

Diseño de máquina recíprocante para ensayos de

desgaste por deslizamiento sobre superficie plana

Autor: Armando Felipe Hernández

Tutor: Dr. Feliberto Fernández Castañeda

Cotutor: Ing. Maykel Moya Prado

, junio 2018

Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, y

se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui Gómez Lubian”

subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la mencionada casa de altos

estudios.

Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:

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Teléfonos.: +53 01 42281503-1419

Dedicatoria

Dedicatoria

Este trabajo de diploma va dirigido principalmente a mi madre Zaily Hernández Felipe por

haber tenido toda la paciencia y amor del mundo hacia mí, a mis abuelos Rolando y María

del Carmen que también han contribuido a mi formación tanto profesional, como personal.

A mi hermano Roger que me apoyó en todo momento. A mis amigos que a lo largo de

esta carrera me han apoyado incondicionalmente.

Les doy muchas gracias a mi familia y amigos por ser tan compresivos y apoyarme en

todas las decisiones que he tomado. También le agradezco mucho a mi tutor Dr. Feliberto

Fernández Castañeda al cual tuve que acudir muchas veces para poder realizar el

trabajo.

A todos los profesores que me han impartido clases desde el primer año de la carrera

hasta el último.

A todos muchas gracias por apoyarme y creer en mí.

Resumen

Resumen

El presente trabajo aborda un tema relacionado con la tribología y el diseño mecánico,

en específico se describe el diseño de una máquina para ensayos de desgaste por

deslizamiento sobre superficie plana. Se partió del estudio del desgaste, los métodos de

ensayos para medirlo y las máquinas empleadas para ello. El diseño conceptual de la

máquina de ensayo se basó en los requerimientos de la norma ASTM G133-05 que

establece los principios de construcción, procedimientos de máquinas recíprocante para

ensayos de desgaste por deslizamiento sobre superficies planas. La modelación de la

máquina y elaboración de la documentación técnica se realizó empleando el software

CAD SolidWorks versión 2018. En los anexos aparecen los planos y dimensiones de cada

uno de los componentes

Abstract

Abstract

This paper deals with a topic related to tribology and mechanical design, specifically the

design of a machine for wear tests by sliding on a flat surface. It was based on the study

of wear, the methods of tests to measure it and the machines used for it. The conceptual

design of the testing machine was based on the requirements of the ASTM G133-05

standard that establishes the construction principles, reciprocating machine procedures

for sliding wear tests on flat surfaces. The modeling of the machine and the elaboration

of the technical documentation was done using CAD software SolidWorks version 2018.

The annexes show the plans and dimensions of each one of the components.

Índice

Índice Introducción ............................................................................................................................ 1

Capítulo 1 Estado del arte sobre las máquinas tribológica recíprocante empleadas para

ensayos de desgaste por deslizamiento. ................................................................................ 4

1.1 Antecedentes de la fricción y desgaste ............................................................................. 4

1.2 Concepto de fricción y desgaste ....................................................................................... 6

1.2.1 Desgaste Adhesivo..................................................................................................... 6

1.2.2 Desgaste abrasivo ...................................................................................................... 8

1.2.3 Desgaste por fatiga .................................................................................................... 9

1.2.4 Desgaste por corrosión .............................................................................................. 9

1.2.5 Métodos para determinar el Desgaste ...................................................................... 10

1.3 Topografía de superficies ................................................................................................ 11

1.4 Teoría molecular de la fricción y del desgaste ................................................................ 12

1.5 Principales normas sobre métodos de pruebas de ensayos tribológicos ......................... 14

1.6 Tipos de configuración de máquinas recíprocantes ........................................................ 14

1.7 Máquinas recíprocantes para determinar el desgaste por deslizamiento ........................ 17

1.8 Conclusiones parciales ................................................................................................... 21

Capítulo II: Procedimiento para el ensayo de desgaste por deslizamiento en la configuración

esfera sobre superficies planas, según la norma ASTM-G133-05......................................... 22

2.1 Procedimiento para la realización del ensayo de desgaste por deslizamiento en superficies

planas tipo ESFERA SOBRE UNA SUPERFICIE PLANA. .................................................... 22

2.2 Fundamentos teóricos de la práctica de laboratorio ........................................................ 22

2.3 Terminología utilizada y definiciones. .............................................................................. 23

2.4 Aplicación de la carga ..................................................................................................... 23

2.5 Significado y uso de la Norma G133-05 .......................................................................... 24

2.6 Descripción del equipamiento ......................................................................................... 24

2.7 Elementos de instrumentación ........................................................................................ 26

2.8 Calibración de la máquina de ensayo ............................................................................. 27

2.9 Procedimiento de operación ........................................................................................... 28

2.10 Medición y el cálculo del desgaste ................................................................................ 30

2.11 Concepción de la Práctica de laboratorio aplicando la Norma ASTM G133-05. ............ 32

2.12 Conclusiones parciales ................................................................................................. 34

Capítulo III Diseño de máquina para ensayos de desgaste por deslizamiento sobre superficie

plana ..................................................................................................................................... 35

3.1 Descripción general de la máquina recíprocante para ensayos de desgaste por

deslizamiento sobre superficie plana. ................................................................................... 35

Índice

3.1.1Sistema de Porta Probeta ......................................................................................... 36

3.1.2 Sistema motriz .......................................................................................................... 37

3.1.3 Sistema de aplicación de las cargas ......................................................................... 38

3.2 Criterios de selección de los materiales empleados en la máquina de ensayo. .............. 39

3.3 Valoración económica. .................................................................................................... 40

3.4 Conclusiones parciales ................................................................................................... 41

Conclusiones Generales ....................................................................................................... 42

Recomendaciones ................................................................................................................ 43

Referencias Bibliográficas .................................................................................................... 44

Anexos ................................................................................................................................. 46

Introducción

1

Introducción

El término Tribología, viene del griego y su raíz Tribo significa frotamiento, por lo tanto,

es la ciencia encargada del estudio del frotamiento. Una definición más exacta plantea

que es la ciencia que estudia cómo interactúan dos o más superficies en contacto y en

movimiento relativo. Las interacciones en lo que se puede denominar como interface

tribológica son muchas y complejas. Su estudio requiere un amplio conocimiento en

disciplinas como física, química, mecánica del estado sólido, ingeniería de materiales,

diseño de maquinaría, etc. (León, 2013)

Los daños ocasionados por el desgaste de piezas en los equipos industriales, llevan

continuamente a cambio de partes en la maquinaria, provocando tiempos de parada de

la producción generalmente grandes. Es por esto, que resulta importante realizar estudios

relacionados con esta temática de la tribología. Así, cuando se aplican métodos de

evaluación para los diferentes materiales y equipos de acuerdo a su ciclo de trabajo, se

puede predecir fallas futuras conservando con esto la productividad, la seguridad

industrial y la disminución de costos.

La modelación a nivel de laboratorio de los procesos tribológicos es de gran importancia,

porque posibilita la correcta selección de los materiales a usar en uniones friccionales y

contribuye al ahorro de materiales e incremento de la durabilidad de los mismos. Con

esta percepción de las necesidades requeridas en la industria, se han desarrollado

métodos capaces de realizar pruebas que puedan ser reproducibles en cualquier lugar.

Debido a esto, organizaciones como la ASTM, DIN, ISO, entre otras, han estandarizado

estas técnicas, logrando con esto, el conocimiento general de las condiciones de

funcionamiento de las máquinas, de sus dimensiones y de todos los parámetros de

operación durante la realización de los ensayos. (Morera, 2013)

Por otra parte, en el laboratorio de Resistencia de Materiales de la facultad de Ingeniería

Mecánica de la Universidad Central “Marta Abreu de Las Villas” no se cuenta en la

actualidad con una máquina recíprocante para ensayo de desgaste por deslizamiento de

pin esférico sobre superficies planas, que permita realizar experimentos tribológicos con

fines investigativos o docentes. Por lo cual surge la necesidad de desarrollar una

máquina de ensayo a partir de lo que establece ASTM.

Introducción

2

Teniendo en cuenta lo anterior, se estableció como Objetivo general el siguiente:

Diseñar y modelar una máquina tribológica recíprocante para ensayos de desgaste por

deslizamiento en superficies planas, según la Norma G133-05 de la ASTM.

Para dar cumplimiento al mismo se definieron los siguientes Objetivos específicos:

1- Realizar un análisis del estado del arte del desgaste por deslizamiento, de los

métodos de ensayos para medir dicho desgaste y de las máquinas recíprocante

empleadas para ello.

2- Realizar un estudio de la norma G133-05 de la ASTM relacionada con el método

de prueba estándar para medir el desgaste por deslizamiento utilizando un equipo

recíprocante de esfera sobre una superficie plana.

3- Desarrollar el diseño de la máquina de ensayo recíprocante para ensayo de

desgaste por deslizamiento, basada en la Norma G133-05.

4- Elaborar la documentación técnica necesaria para la construcción de la máquina

de ensayo para desgaste por deslizamiento, según la Norma G133-05.

Tareas

1. Hacer un análisis bibliográfico sobre el desgaste por deslizamiento, los métodos

empleados para medir este desgaste, las características de las máquinas de

ensayo utilizadas y los procedimientos.

2. Traducir la norma técnica ASTM G133-05 para establecer el procedimiento a

seguir en la realización del ensayo de desgaste por deslizamiento.

3. Definir las características de las probetas y realización del ensayo de desgaste por

deslizamiento

4. Definir el diseño preliminar y definitivo de la máquina de ensayo de desgastes por

deslizamiento.

5. Modelar y simular el diseño de la máquina recíprocante de ensayo de desgaste

por deslizamiento mediante el uso de un sistema CAD (SolidWorks)

6. Describir el equipo recíprocante diseñado y sus principales componentes, sus

características y limitaciones, así como el grado de precisión que se garantiza en

los resultados.

Introducción

3

7. Elaborar el plano de ensamble y los planos de piezas de cada uno de los

elementos que conforman el equipo diseñado, definiendo los materiales de cada

uno de ellos.

8. Elaborar el documento que establece el procedimiento de ensayo de laboratorio

de desgaste por deslizamiento con el uso de la máquina recíprocante diseñada.

Capítulo 1 Estado del arte sobre las máquinas tribológica recíprocante empleadas para ensayos de desgaste

por deslizamiento.

4

Capítulo 1 Estado del arte sobre las máquinas tribológica recíprocante empleadas

para ensayos de desgaste por deslizamiento.

El objetivo de este capítulo es realizar un estudio bibliográfico sobre el tema de

investigación. Para ello se describen los antecedentes e historia de la fricción y del

desgaste. Luego se definen los tipos de desgastes y se describen los métodos más

utilizados para determinar el desgaste. Además, se exponen las variables que afectan al

desgaste, según los resultados obtenidos por diferentes investigadores. Por último, se

presentan los tipos de configuración de máquinas recíprocante.

1.1 Antecedentes de la fricción y desgaste

Cuando dos sólidos están en contacto directo donde actúen fuerzas de acción y reacción

en ellos, pueden decirse que sufren una interacción en la superficie. Si la superficie de

esos sólidos no es perfectamente lisa, el contacto entre sus superficies sólo ocurre en

ciertos puntos donde aparece un área aparente y un área real de contacto. En el área

real de contacto, el esfuerzo normal aplicado es alto y por tanto se formarán uniones o

juntas las cuales se romperán al iniciarse el movimiento.

La fuerza necesaria para romper estas uniones es una medida de la fricción existente. A

medida que se rompen las uniones aparecerán residuos de desgaste entre ambas

superficies. Para comprender el desgaste, es indispensable estudiar la naturaleza de las

superficies. El grado de deformación superficial de los sólidos representa una parte

fundamental en el mecanismo de fricción y desgaste. Por lo que al analizar la naturaleza

y cantidad de desgaste se deben estudiar los esfuerzos de contacto y los tipos de

movimiento.(Álvarez, 2000)

Historia de la fricción y del desgaste

La primera aplicación práctica de la fricción fue para producir fuego, la cual tiene sus

raíces en la prehistoria. Luego fue empleada en trineos y ruedas utilizando a menudo

lubricantes líquidos con el propósito de minimizar el trabajo exigido al transportar objetos

pesados, esto data desde antes de nuestra era.(Morera, 2013). Mucho después de la

aplicación de la fricción, aparece su estudio científico. De hecho, el conocimiento de la

fricción cinética y la fricción dinámica, data del siglo XVII con la primera Ley de Newton.


por deslizamiento.

5

Entre los primeros investigadores de la fricción están Amontons (1699), Coulomb (1785),

y Morin (1833), los cuales postularon que la fricción es debida al enclavamiento de las

protuberancias mecánicas o asperezas en las superficies de los materiales en contacto,

de esta manera se pudo explicar por qué la fuerza de fricción es proporcional a la carga

e independiente del área de contacto.

Esta explicación fue llamada hipótesis de aspereza. Sin embargo, también consideraron

una explicación alternativa, la cual establece que ésta es debido a fuerzas adhesivas

entre las superficies en contacto. A esta última explicación se le llamó hipótesis de

adherencia, lo cual implica que la fricción es proporcional al área de contacto, lo cual es

contrario a la evidencia experimental.

La hipótesis de aspereza fue la más aceptada en los siglos XIX y XX. En 1920 resurge el

interés de estudiar la adherencia, donde se desarrolló el estudio atómico de las

superficies al inicio del siglo XX, examinando las propiedades de fricción de superficies

con grados diferentes de contaminación. Las diferencias de fricción producidas al variar

la contaminación parecían explicar la hipótesis de adherencia, en lugar de la hipótesis de

aspereza, estas dificultades fueron aclaradas por diferentes investigadores: Holm (1938)

Ernst y Merchant (1940) y Bowden y Tabor (1942).

Estos investigadores señalaron que había una diferencia crucial entre el área aparente y

el área real de contacto, y que sólo el área real de contacto determinaba la magnitud de

la fuerza de fricción ya que el área real podría mostrar que es proporcional a la carga e

independiente del área aparente. La hipótesis de adherencia puede ahora explicar los

resultados experimentales, ya que la fuerza de fricción es independiente del área de la

superficie aparente.

Desde entonces, ha ido en aumento el interés en el proceso de la fricción y los estudios

de la manera como se produce la fuerza de fricción.

A partir de 1940 se comenzó a estudiar el desgaste gracias al desarrollo de la era nuclear,

en la cual se crearon dispositivos radiotrazadores con dicho propósito.


por deslizamiento.

6

1.2 Concepto de fricción y desgaste

El proceso de desgaste es el deterioro sufrido por dos superficies en contacto a causa

de la interacción de sus rugosidades superficiales, esta interacción depende de la fuerza

de presión que tiende a mantener en contacto ambas superficies.

La fricción es la resistencia al movimiento que se produce cuando dos objetos sólidos

en contacto, son puestos en movimiento relativo uno con respecto del otro.(Kashiev,

1976)

El desgaste se clasifica de acuerdo a la naturaleza de las superficies en contacto:

1. Metal contra metal

2. Metal contra no metal

3. Metal contra fluido.

Ya que la naturaleza de las superficies en contacto puede cambiar o una lubricación que

era adecuada podría fallar posteriormente; por esta razón la clasificación anterior pierde

validez al aplicarla en situaciones reales.(Morera, 2013)

Según Burwell los tipos principales de desgaste son los siguientes:

por adhesión.

por abrasión.

por fatiga.

por corrosión.

1.2.1 Desgaste Adhesivo

El desgaste adhesivo ocurre entre dos superficies que se encuentren en contacto, las

cuales se adhieren fuertemente formando uniones entre ellas. Un deslizamiento producirá

un desprendimiento de material de la superficie suave como se observa en la figura 1.1.

Si el material es dúctil, la deformación que se produce antes de la separación de la

partícula es mucho mayor, la partícula que ha sido separada de la aspereza puede

permanecer unida a la otra aspereza como material transferido de una superficie a otra o

puede ser liberada como partícula de desgaste.


por deslizamiento.

7

Figura 1.1 Desgaste por adhesión.

En algunos casos, el punto de cedencia es excedido y las asperezas se deforman

plásticamente hasta que el área real de contacto incrementa lo suficiente para soportar

la carga aplicada, de tal modo que las superficies pueden adherirse.

Esto causará que la soldadura en frío tome lugar. Deslizamientos continuos causarán

que las uniones entre asperezas sean cizalladas y nuevas uniones sean formadas.

Algunos factores como partículas de contaminantes pueden ayudar a minimizar esta

adhesión, las cuales se dispersan del área de contacto por el movimiento relativo

tangencial que ocurre en la interface.(González, 2013)

En condiciones de lubricación y contacto poco favorables, o cuando se trabaja en seco,

las superficies en rozamiento se pueden adherir entre ellas. Esto es especialmente

probable si los materiales son de una composición similar o presentan una afinidad

particular entre sí. Las consecuencias son: soldadura en frío, rayas y fracturas

superficiales del elemento como se muestra en la figura 1.2.(González, 2013)

Figura 1.2 Ejemplo de superficie con degaste adhesivo (sin lubricación).


por deslizamiento.

8

1.2.2 Desgaste abrasivo

En el desgaste abrasivo el material es removido o desplazado de una superficie por

partículas duras, de una superficie que se desliza con respecto a otra. Existen dos tipos

de abrasión: por desgaste de dos cuerpos y por desgaste de tres cuerpos como se

muestra en la figura 1.3. El desgaste por abrasión de dos cuerpos ocurre cuando las

protuberancias duras de una superficie son deslizadas contra otra de menor dureza. Un

ejemplo de esto es el pulido de una muestra con el uso de lijas.

Por otra parte, el desgaste por abrasión de tres cuerpos se presenta en un sistema

donde las partículas tienen Ia libertad de deslizarse o girar entre dos superficies en

contacto, el caso de aceites lubricantes contaminados en un sistema de deslizamiento

puede ser claro ejemplo de este tipo de abrasión. Los rangos de desgaste en la abrasión

de tres cuerpos son generalmente más bajos, que el sistema de abrasión de dos

cuerpos.(González, 2013)

Figura 1.3 Tipos de Abrasión,

(a) Abrasión de dos cuerpos, (b) Abrasión de tres cuerpos.

Eliminación de material debido a partículas duras y afiladas que penetran entre las

superficies de interacción. También puede estar causado por superficies duras o

afiladas y picos de rugosidad en alguna de las superficies. Las consecuencias son rayas,

surcos, microvirutas, cambios dimensionales y puntos brillantes en herramentales con

superficie texturizada como se observa en la figura 1.4.(González, 2013)


por deslizamiento.

9

Figura 1.4 Superficie desgastada por partículas duras y afiladas.

1.2.3 Desgaste por fatiga

El desgaste por fatiga es el resultado de esfuerzos cíclicos entre las asperezas de dos

superficies en contacto. El coeficiente de fricción es factor determinante ya que al estar

las superficies lubricadas la adhesión es mínima pero en sistemas con altos coeficientes

de fricción, se tienen zonas de intensa deformación muy cercanas a la superficie,

creando grietas superficiales y sub-superficiales, las cuales, con el tiempo colapsarán,

como muestra la figura 1.5.(Handbook, 1990)

Figura 1.5 Daño provocado por el efecto de la fatiga.

1.2.4 Desgaste por corrosión

El desgaste por corrosión se presenta cuando el movimiento relativo entre superficies

actúa dentro de un medio corrosivo. Este no es el proceso de degradación superficial sin

presencia de movimiento relativo entre superficies, donde el daño será por corrosión

estática. Este proceso se puede observar en la figura 1.6.(González, 2013)


por deslizamiento.

10

Figura 1.6 Daño provocado por corrosión.

1.2.5 Métodos para determinar el Desgaste

Entre los métodos más utilizados para la determinación del desgaste se pueden

mencionar los siguientes:(León, 2013)

a) Método del peso. Consiste en pesar el componente a ser examinado, para ello

dicho componente debe limpiarse cuidadosamente (generalmente se usan

solventes como acetona), y luego se pesa.

b) Método de medición mecánica. Utiliza un micrómetro para las mediciones

necesarias para el cálculo del área dejada por la espiga. Este método es usado

cuando se estudia el desgaste en componentes de gran tamaño.

c) Método óptico. Consiste en hacer una pequeña indentación con un

microdurómetro en la superficie a estudiar, y luego observar la reducción del

tamaño de la indentación durante el deslizamiento.

d) Técnicas de radiotrazadores. Se emplea para estudiar la dinámica del proceso

de desgaste por deslizamiento. Así, si se desliza una superficie radiactiva sobre

otra no radioactiva de mayor dureza, éste formará una capa de residuos de

desgaste radiactivos sobre la superficie. Luego se reemplaza la superficie

radiactiva por una no radiactiva y se reinicia el deslizamiento, al observar los

residuos radiactivos con un radiotrazador, éstos son reemplazados rápidamente

de la superficie no radioactiva.


por deslizamiento.

11

1.3 Topografía de superficies

Es importante conocer la naturaleza original de las superficies, para comprender la

interacción entre ellas, si éstas se encuentran libres de contaminantes u óxidos, lo

principal para comprender los mecanismos de fricción y desgaste es conocer que no

existe una superficie perfectamente plana a escala microscópica ya que éstas presentan

asperezas en la forma de crestas y valles como se muestra en la figura 1.7.(Morera, 2013)

Figura 1.7 Topografía de una superficie.

Halliday (1955) midió con ayuda de un microscopio de reflexión electrónica los ángulos

de las asperezas de una superficie. Las asperezas que han estado sujetas a abrasión,

con frecuencia presentan una pendiente a distintos ángulos en relación con la superficie

y en dos direcciones como se observa en la figura 1.8.

Figura 1.8 Pendiente de las asperezas, según Halliday.


por deslizamiento.

12

Contacto de sólidos

Al presionar una superficie sobre la otra, la carga es soportada por las periferias de arriba

de varias crestas en la superficie inferior, suponiendo que el miembro superior de los

metales en contacto sea perfectamente plano. Por lo tanto, existe un área de contacto

aparente entre las dos superficies y un área real de contacto definida por las periferias de

arriba de varias crestas que soportan la carga.(León, 2013)

1.4 Teoría molecular de la fricción y del desgaste

La teoría molecular de la fricción y del desgaste fue propuesta por Tomlinson (1929), al

estudiar detalladamente la naturaleza de las fuerzas atómicas en una red cristalina y

dedujo expresiones para la fricción y el desgaste de sólidos.(Morera, 2013)

La hipótesis de Tomlinson (1929), consiste fundamentalmente en que en condiciones de

equilibrio las fuerzas de repulsión entre los átomos de un sólido contrarrestan las fuerzas

de cohesión. Sin embargo, cuando dos superficies se encuentran en contacto, unos de

los átomos de una superficie llegarán a estar lo bastante cerca de los otros átomos de la

segunda superficie que entrar al campo de repulsión.

Cuando esto sucede, las dos superficies se separan causando una pérdida de energía

que se manifiesta como la resistencia debida a la fricción.

Variables que afectan el proceso de desgaste

Los principales factores que intervienen en el desgaste pueden enumerarse de la

siguiente forma:(León, 2013)

1. Variables relacionadas con los materiales en contacto: dureza, tenacidad,

estructura y composición química.

La disminución en el crecimiento de las uniones y por lo tanto la resistencia de los metales

al rayado o desgaste se correlaciona en forma cualitativa con las solubilidades sólidas de

las combinaciones metálicas.(León, 2013). Roach, Goodzeit y Hunnicutt (1956)

estudiaron la resistencia al rayado de 38 metales diferentes contra el acero, friccionando

muestras cuadradas de 1.56 cm sobre discos de acero girando a 23.3 m/s y variando la

carga sobre las muestras hasta un máximo de 540 kg.


por deslizamiento.

13

Para determinar la resistencia al rayado se tomó como criterio la capacidad de carga de

cada una de ellas sin que se produjera adherencia. La resistencia al rayado de las

muestras se clasificó en base a la carga que produjo adherencia entre las muestras.

Dicha clasificación es la siguiente:

Excesiva resistencia al rayado.

Buena resistencia al rayado.

Regular resistencia al rayado.

Mala resistencia al rayado.

En cuanto a la estructura cristalina, el desgaste se atribuye a la interacción plástica de

los metales en cierta etapa de la vida de un par. La deformación plástica de los metales

ocurre por deslizamiento, esto es, por el corte de los planos de átomos que se encuentran

uno sobre otro.

El deslizamiento es anisótropo y la dirección es casi siempre aquella en la que los átomos

se encuentran empacados de manera más compacta. Los planos de deslizamiento

también son aquellos que tienen el mayor número de átomos. Así, la dirección del

deslizamiento varía de acuerdo con la estructura cristalina, para metales cúbicos de caras

centradas.(Morera, 2013)

2. Variables relacionadas con el servicio: materiales en contacto, presión,

velocidad, temperatura, acabado de la superficie, lubricación y corrosión.

Sobre el efecto de la temperatura y la velocidad se plantea que la energía disipada debido

al trabajo mecánico ocasiona un incremento momentáneo en la temperatura, la cual tiene

una duración del orden de 10−4segundos. Un incremento en la carga o en la velocidad

de deslizamiento aumenta la temperatura de las uniones y, en casos extremos, puede

causar fusión incipiente.

De igual forma, sobre el efecto de la carga y la distancia de deslizamiento se constató

que el desgaste se incrementa de forma casi proporcional a la carga. Sin embargo, esta

relación se pierde con el calor de fricción. Si un metal como el cobre se presiona sobre el

acero, cierta cantidad de cobre se transfiere al acero, de esa manera el área de la unión

podría estimarse utilizando radiotrazadores.(Morera, 2013)


por deslizamiento.

14

1.5 Principales normas sobre métodos de pruebas de ensayos tribológicos

Entre la principales normas de la Association for Testing Materials, se encuentran: ASTM

E112 Método de prueba para determinar el tamaño medio de grano, ASTM E1181 Método

de prueba para caracterizar tamaños de grano dúplex, ASTM G40 Terminología

relacionada con el desgaste y erosión, ASTM G99 Método de prueba estándar para

pruebas de desgaste, de perno sobre disco, ASTM G115 Guía para medir e informar

sobre los coeficientes de fricción, ASTM G117 Guía para calcular y reportar medidas de

precisión, usando los datos de pruebas de erosión y desgaste de inter-laboratorios, ASTM

G118 Guía para el formato recomendado de datos de ensayos de desgaste adecuado

para bases de datos y la utilizada en este trabajo es la ASTM G133-05 Método de prueba

estándar para medir el desgaste por deslizamiento usando un equipo recíprocante de

esfera sobre una superficie plana. Por último, se destaca la norma empleada como

referente en esta investigación, ASTM G133-05 Método de prueba estándar para medir

el desgaste por deslizamiento usando un equipo recíprocante de esfera sobre una

superficie plana.

1.6 Tipos de configuración de máquinas recíprocantes

Existen cinco variantes constructivas en este tipo de máquinas recíprocantes: Perno

esférico sobre placa, perno cilíndrico sobre placa, disco de cara plana sobre placa, anillo

sobre placa cóncava y disco vertical sobre placa. En todos los casos, por efecto del

deslizamiento, se genera una huella de desgaste lineal, ya sea sobre el disco o sobre la

placa.

Esfera sobre placa

Una esfera metálica en movimiento produce la huella de desgaste sobre el material como

se muestra en la figura 1.9. La dirección del movimiento entre las superficies deslizantes

se invierte periódicamente de manera que la interacción ocurre en el avance y el

retroceso. La finalidad de esta prueba es la de cuantificar el volumen de desgaste que se

genera entre ambas superficies, así como medir el coeficiente de fricción y puede ser

tanto en ambiente seco como lubricado.


por deslizamiento.

15

Figura 1.9 Configuración punta esférica sobre placa.

Cilíndrico sobre placa

En esta configuración, un cilindro en posición horizontal se desliza sobre una placa

horizontal, mientras se somete a carga como se muestra en la figura 1.10. Tiene muchas

aplicaciones, una de ellas consiste en analizar el desgaste, en función de la pérdida

progresiva del material desde el costado de un cilindro. El área de contacto, va cambiando

al aumentar el área de desgaste, lo que implica que la tasa de desgaste no es uniforme.

En consecuencia, es posible estudiar el efecto de la dureza a diferentes profundidades

del material, desde la periferia hasta el centro.

Figura 1.10 Configuración de perno cilíndrico sobre placa.


por deslizamiento.

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Disco de cara plana sobre placa.

Consiste en la interacción de un disco que se desliza por una de sus caras planas, sobre

una placa horizontal, como lo muestra la figura 1.11. En este caso, se genera una forma

de la huella de desgaste muy diferente a lo que sucede cuando ambas

superficies de contacto son rectangulares; otra característica que le hace particular, es el

ángulo de ataque de 90 grados de la superficie cilíndrica. Por lo general, es utilizado para

realizar pruebas de desgaste en materiales para prótesis biomédicas.(Mazur, 2002)

Figura 1.11 Configuración disco de cara plana sobre placa.

Anillo sobre placa cóncava.

Esta configuración, es conformada por la acción de un segmento de collarín sobre una

placa cóncava como lo muestra la figura 1.12. Donde se describe el contacto que tienen

un anillo de pistón y la camisa del cilindro. Su aplicación es, para realizar pruebas

tribológicas de materiales utilizados en los motores de combustión interna, compresores

de embolo, pistones neumáticos e hidráulicos. Por ello, es posible reproducir y controlar

sistemáticamente, los fenómenos que ocurren en una cámara de combustión.(Chen,

1985).


por deslizamiento.

17

Figura 1.12 Configuración anillo sobre placa cóncava.

Disco vertical sobre placa.

Esta configuración se presenta cuando un disco gira mientras soporta una placa, la cual

describe un movimiento recíprocante observándose en la figura 1.13. Este tipo de

deslizamiento, se puede observar en una rectificadora de superficies planas; en los

rodillos de bandas transportadoras de planchas de metal, etc.(Raymond, 1994)

Figura 1.13 Configuración disco vertical sobre placa.

1.7 Máquinas recíprocantes para determinar el desgaste por deslizamiento

Tribómetro Recíprocante Lineal (LRT) DUCOM.

LRT Ducom es un equipo estandarizado por la norma ASTM G133, el cual se muestra en

la figura 1.14. Se diseñó para permitir a los usuarios caracterizar acciones tribológicas de

materiales y lubricantes en una amplia gama de condiciones de funcionamiento que van

desde desgaste tipo fretting a desgaste por deslizamiento de altas amplitudes. Se puede

utilizar para estudiar materiales, recubrimientos, lubricantes y aditivos. Puede adaptarse

a una variedad de geometrías de muestra.


por deslizamiento.

18

Los soportes para muestras personalizadas, también se pueden adaptar a pruebas que

requieran contactos conformables. Es controlado por un ordenador e incluye un software

de adquisición de datos. La huella de desgaste, toma la configuración de la esfera que

penetra, paulatinamente, por efecto del deslizamiento recíprocante.

Durante la operación, se puede controlar las condiciones de ensayo, así como obtener

repetitividad y reproducibilidad del mismo.

Figura 1.14 Tribómetro Ducom LRT

Máquina recíprocante de alta frecuencia (HFRR) PCS instruments

El tribómetro PCS instruments que se muestra en la figura 1.15, tiene un movimiento

recíprocante controlado por un microprocesador, donde el desgaste proporciona una

evaluación rápida y repetible del rendimiento de combustibles o lubricantes. Es

importante utilizar en este tipo de ensayos, aceites lubricantes con una pobre capacidad

de lubricación tales como el diésel y grasas. Se ajusta a las normas, ASTM D6079, ASTM

D7688, CEC F- 06-A, ISO 12156, EN 590. JPI -5S- 50 e IP 450.

El sistema consta de unidad mecánica, de un control automático y un software opcional.

La unidad de control incluye un teclado, pantalla LCD y un microprocesador para que el

ciclo de pruebas, se pueda controlar de forma automática.

Alternativamente, la unidad de control se puede conectar a una PC para permitir el

registro de datos, la representación gráficos de los parámetros de prueba y el

almacenamiento de los mismos.


por deslizamiento.

19

Figura 1.15 Tribómetro PCS Instrument.

UMT-2 Bruker

UMT-2 Nano-Micro Tribómetro Bruker que se muestra en la figura 1.16 es un equipo muy

versátil. Cuenta con una configuración múltiple, totalmente informatizado, plataforma de

un solo instrumento, puede realizar prácticamente todas las pruebas tribológicas

comunes en escalas manométricas y micrométricas. El UMT-2 es utilizado por una amplia

variedad de industrias, como la biomedicina, microelectrónica, celulosa y papel y de

recubrimientos, entre otras.

Figura 1.16 Tribómetro Bruker.

TE 77 Cameron Plint Phoenix

El equipo Plint TE 77 de la casa comercial Phoenix Tribology que se muestra en la figura

1.17 se emplea para ensayos de desgaste por deslizamiento con movimiento tipo vaivén.

Permite generar y posteriormente cuantificar el desgaste en materiales con o sin

recubrimientos duros. El sistema proporciona un control de la carga, la frecuencia y la

temperatura, además de adquirir los datos.


por deslizamiento.

20

El desgaste que produce TE77 sobre la superficie del material de prueba tiene una forma

de depresión lineal. La huella de desgaste, toma la configuración de la esfera que penetra

a lo largo de la prueba. Durante la operación, se puede controlar las condiciones de

ensayo. Cabe mencionar que la máquina está normalizada por la ASTM d33.(ASTM,

2010)

Figura 1.17 Tribómetro Phoenix.

Sistema de pruebas de desgaste recíprocante RFW 160 Neoplus

RFW 160 es un equipo para evaluar la fricción y el desgaste por deslizamiento sobre las

características del material mediante un movimiento recíprocante el cual se observa en

la figura 1.18, empleado para realizar varias condiciones de contacto en alta y baja

velocidad. La adquisición de datos del Sistema RFW 160 utiliza el módulo de adquisición

de datos de National Instmments que permite el control por medio de una PC, puede

recoger una gran cantidad de datos que permite identificar el cambio de la fuerza de

fricción y la superficie de contacto durante el ensayo de desgaste.


por deslizamiento.

21

Figura 1.18 Tribómetro Neoplus.

1.8 Conclusiones parciales

De la revisión bibliográfica se pudo constatar que existen distintos tipos de

desgastes, tales como adhesivo, abrasivo, fatiga y corrosión.

Existen cinco tipos de configuración de máquinas recíprocantes que son perno

esférico sobre placa, perno cilíndrico sobre placa, disco de cara plana sobre placa,

anillo sobre placa cóncava y disco vertical sobre placa.

Se señala que en el Laboratorio de Resistencia de la facultad de Ing. Mecánica e

Industrial de la Universidad Central Marta Abreu de Las Villas no se cuenta con

una máquina tribológica recíprocante para este tipo de ensayos de desgaste por

deslizamiento sobre superficie plana, según la Norma ASTM G133-05.

Capítulo II: Procedimiento para el ensayo de desgaste por deslizamiento en la configuración esfera sobre

superficies planas, según la norma ASTM-G133-05.

22

Capítulo II: Procedimiento para el ensayo de desgaste por deslizamiento en la

configuración esfera sobre superficies planas, según la norma ASTM-G133-05

Uno de los ensayos más utilizados para la determinación del desgaste por deslizamiento

es el de esfera sobre una superficie plana. (Ball-on-Flat Sliding.). El presente capítulo

tiene como objetivo fundamental el análisis de la norma ASTM-G 133-05 para el montaje

de una instalación experimental del tipo ESFERA SOBRE UNA SUPERFICIE PLANA.

2.1 Procedimiento para la realización del ensayo de desgaste por deslizamiento en

superficies planas tipo ESFERA SOBRE UNA SUPERFICIE PLANA.

El procedimiento para el ensayo se concibió como una práctica de laboratorio de 2 horas

de duración a partir del método de prueba establecido en la Norma ASTM G133- 05 (Ver

Anexo 1), con los objetivos siguientes:

1. Determinar el desgaste por deslizamiento en superficies planas con o sin

lubricación.

2. Calcular el coeficiente de fricción cinético entre las superficies en contacto a

partir de la determinación de la fuerza de fricción.

2.2 Fundamentos teóricos de la práctica de laboratorio

Este método de prueba, aborda los procedimientos de laboratorio para determinar el

desgaste por deslizamiento de materiales cerámicos, metales y otros posibles materiales

resistentes. El mismo consiste en el deslizamiento de dos superficies tomadas como

muestras: una superficie plana y una esférica. Estas superficies se mueven en relación

unos con otros, en un movimiento lineal de ida y vuelta, en un determinado conjunto de

condiciones. La dirección del movimiento relativo, entre las superficies de deslizamiento,

se invierte de forma periódica de tal manera que el deslizamiento se produce de un lado

a otro y en línea recta. Las entidades de mayor interés son los volúmenes de desgaste

de la esfera, al ponerse en contacto con materiales o superficies planas. El coeficiente

de fricción cinético también puede determinarse a partir del método descrito. Este abarca

tanto los procedimientos de prueba sin lubricar, como en condiciones lubricadas. El

alcance de este método de prueba no incluye las pruebas en ambientes corrosivos o

químicamente agresivos.



23

2.3 Terminología utilizada y definiciones.

Fuerza de fricción: Resistencia a la fuerza tangencial en la interface entre dos cuerpos

cuando bajo la acción de una fuerza externa uno de los cuerpos se mueve o tiende a

moverse sobre el otro.

Presión de contacto Hertziana: Magnitud de la presión en cualquier lugar específico en

un área de contacto hertziana, calculada a partir de las ecuaciones de Hertz de

deformación elástica.

Desgaste: Daño a una superficie sólida, por lo general involucrando pérdida progresiva

de material debido al movimiento relativo entre una superficie y otra superficie de

contacto.

Tasa de desgaste: Cantidad de material removido o cambio dimensional debido al

desgaste por unidad de parámetro de exposición, por ejemplo, la cantidad removida

(masa, volumen, espesor) por unidad de distancia de deslizamiento o de tiempo.

2.4 Aplicación de la carga

La carga se aplica verticalmente a través de la punta esférica contra superficie plana de

la muestra colocada horizontalmente. La carga normal, la longitud del recorrido, la

frecuencia y el tipo de oscilación, la temperatura de prueba, el lubricante (si lo hay), la

duración de la prueba, y el medio ambiente atmosférico (incluido el rango de humedad

relativa) se seleccionan de acuerdo una de las dos variantes de procedimientos

establecidos en la Norma G133-05. (ASTM, 2010)

Este método involucra un deslizamiento recíprocante, donde los cambios en la velocidad

de deslizamiento y la dirección del movimiento ocurren durante la prueba. Las

condiciones de velocidad constante no son mantenidas. La manera en la cual la velocidad

varía con el tiempo, es determinada por el diseño del mecanismo, que permite el

movimiento recíprocante entre la esfera y la superficie plana de la muestra. Los cambios

dimensionales de las dos superficies: esfera y plana, son utilizados para calcular los

volúmenes y las tasas de desgaste. Las fuerzas de fricción son medidas durante la

prueba y puede ser utilizada para evaluar los cambios en las condiciones de contacto o

el coeficiente de fricción cinética en función del tiempo.



24

2.5 Significado y uso de la Norma G133-05

Este método de prueba, regido por la Norma G133-05, está diseñado para simular la

geometría de un movimiento, experimentado en muchos tipos de componentes que

tienen rozamiento, cuyo contacto normal de operación resulta en inversiones periódicas

en la dirección del deslizamiento relativo. El desgaste que resulta de este modo de

movimiento puede ser diferente del experimentado, por los mismos materiales en

deslizamiento de forma continua en una sola dirección (deslizamiento unidireccional),

incluso durante períodos comparables de contacto. Las pruebas de carga y velocidad

deben ser determinadas por la severidad o propósito de la prueba.

2.6 Descripción del equipamiento

En la figura 2.1 se muestra el esquema de la máquina de ensayo para la prueba de

desgaste de esfera sobre superficie plana. El soporte de la esfera está montado de forma

rígida y tiene una punta esférica que se mueve linealmente en movimiento recíprocante,

a través de la superficie plana y pulida. El uso de una punta esférica evita o disminuye

los problemas asociados con la alineación de deslizamiento sobre superficies planas. Las

configuraciones alternas en las cuales la superficie plana se mueve y la punta esférica

está fija, también pueden ser empleadas.

Se ha previsto la aplicación de una fuerza uniforme normal (carga) para el contacto entre

la esfera y la superficie plana. La medición de la temperatura y la capacidad de control

son proporcionadas para calentar y monitorear la superficie plana, la cual puede ser

sumergida en un baño de lubricante o probada en seco (sin lubricante). La fuerza

tangencial se puede medir continuamente durante el contacto oscilante y puede ser

usada para obtener datos del coeficiente de fricción.



25

Figura 2.1 Esquema de la máquina recíprocante para el de ensayo de desgaste de esfera

y superficie plana

La fuente de energía se suministra a partir de un motor, capaz de proveer un movimiento

recíproco y uniforme a la esfera y superar la resistencia friccional de las superficies en

contacto, para ello una carga máxima, es requerida.

Componente esférico

La punta esférica puede ser un balín fijo o cualquier elemento esferoidal, siempre que el

contacto deslizante sea el equivalente a una esfera sobre una superficie plana. Si un balín

es usado, deberá estar lo suficientemente apretado para evitar el deslizamiento durante

la prueba. El soporte para la punta esférica debe ser rígido, como para que la inversión

periódica en la dirección de deslizamiento, no se traduzca en falta de alineación, de

inclinación o de otro tipo de contacto.

Característica de la muestra plana.

La muestra rectangular se fija a la base de la máquina, para evitar deslizamiento o

pandeo, durante la prueba. Una gran variedad de formas para la muestra son posibles

configurar. El principal criterio es que se presenta una superficie plana y horizontal al

contacto de la punta esférica.(ASTM, 2010)



26

2.7 Elementos de instrumentación

Medición de la fuerza de fricción: Una celda de carga de tensión-compresión o

un dispositivo similar para medir fuerza, puede ser usado para medir las fuerzas

de fricción generadas durante el deslizamiento. La calibración de las fuerzas de

fricción en ambas direcciones, de avance y retroceso de deslizamiento, son

necesarias. Puesto que la dirección de la fuerza de fricción cambia con rapidez

durante la prueba, los registros de cuadro tradicionales, pueden ser lo demasiado

lentos, para seguir estos cambios en altas frecuencias de reciprocidad. El método

de detección y registro de la fuerza de fricción durante la prueba deberá ser

descrito en el informe de la prueba.

Duración de la prueba. En este método de prueba, la duración es especificada en

segundos (s). Para calcular la distancia de deslizamiento en metros o número de ciclos,

emplear la siguiente ecuación:

𝑥 = 0,002(𝑡)(𝑓)(𝐿) (1)

𝑁 = (𝑡)(𝑓) (2)

Dónde:

X = Distancia total de deslizamiento de la esfera, (m).

N = Número de ciclos en la prueba.

t = Tiempo de la prueba (s).

f = Frecuencia de oscilación, Hz (ciclos/s)

L = Longitud de carrera (mm).

Un ciclo se define como dos longitudes de carrera (adelante y reversa). Los cronómetros

electrónicos, se pueden utilizar para finalizar la prueba. Si un contador de ciclos está

disponible, esto puede ser usado en lugar del cronómetro, en cuyo caso la ecuación 2,

será usada.



27

Medición de la humedad: El desgaste y la fricción de muchos materiales son

significativamente afectados por la humedad en el aire. Por lo tanto, se requiere que la

humedad relativa (con una precisión del ± 3%) sea medida, antes y durante la prueba. La

humedad puede variar con un flujo de aire y en diferentes partes de un mismo espacio,

por lo que el sensor de humedad debe estar ubicado lo más cerca de las probetas como

sea razonablemente posible. De tal manera que las condiciones de movimiento del aire,

sean las mismas para el sensor de humedad como para las muestras de prueba.

Medición de la temperatura: La temperatura ambiente en grados Celsius (°C), será

medida y reportada durante la prueba. En una inmersión total, es decir, las pruebas

lubricadas por líquido, la temperatura de este serán medidas y reportadas.

2.8 Calibración de la máquina de ensayo

Las partes de la máquina de ensayo que requieren calibración son las siguientes:

1. Sistemas de cargas

2. Motor (velocidad y longitud de desplazamiento)

3. Sensor de la fuerza de fricción.

Sistema de carga: La carga (fuerza normal) aplicada a la muestra debe de ser

chequeada periódicamente. En las máquinas en las que se aplica una carga por medio

de una palanca/muelle y se ajusta la carga con un indicador, esto puede ser realizado

empleando una celda de carga de compresión, y comprobando la carga aplicada indicada

sobre el disco.

Las cargas que son aplicadas estáticamente se mantienen constantes dentro de una

desviación máxima de ± 2.0% de la carga de prueba. Por ejemplo, el error estático

permitido de una fuerza normal de 25 N, sería ± 0.5 N. Durante las pruebas de oscilación,

la fuerza normal puede variar ligeramente sobre el valor promedio debido a la dinámica

de la máquina.

Motor: La frecuencia de oscilación de la muestra en movimiento, deberá ser revisada

periódicamente, para asegurarse de que la tasa de oscilación se mantenga.

Sensor de la fuerza de fricción: El sensor de la fuerza de fricción debe ser calibrado

periódicamente en ambas direcciones donde se aplica la carga.



28

2.9 Procedimiento de operación

Preparación de Muestras: La punta esférica y la superficie plana deben estar pulidas.

En este caso, las superficies deben tener los menores defectos de preparación posibles,

tales como: la marca de grietas inducidas, marcas de pulido, y grano sobrepuesto. La

rugosidad de la superficie debe estar entre 0.02 y 0.05 µm, Ra (rugosidad aritmética).

Para ello, lo primero es limpiar las muestras mediante de la siguiente forma:

Lavar con un detergente líquido desengrasante y secar con aire caliente. Si existe una

considerable porosidad en las muestras, es necesario que se seque al horno durante 4

horas, a una temperatura superior a los 150°C, en un horno limpio.

Limpiar las muestras con acetona y después con metanol, frotando la superficie con un

algodón humedecido. Es posible que, durante el montaje, algún tipo de contaminación

sea colocada inadvertidamente entre ellos. Esta limpieza final, ayudará a disminuir la

contaminación. Se debe inspeccionar la punta de la esfera con una lupa, para asegurar

que este sin defectos en la superficie de contacto.

Bajar suavemente la punta esférica hasta hacer contacto con la superficie plana, y

asegurar que el movimiento del motor sea recíprocante, horizontal y paralelo a la

superficie plana. El espesor de la muestra o el montaje pueden requerir un ajuste para

asegurar que se cumple esta condición. Aplicar la carga que se establece en la prueba.

Confirmar que la velocidad deseada oscilante sea la establecida para el ensayo

Existen dos procedimientos de ensayos, uno sin lubricación (Procedimiento A), y otro de

alto esfuerzo de contacto, lubricada a una temperatura elevada (Procedimiento B).

La descripción de los dos procedimientos de ensayos se expone a continuación:

Procedimiento A: Prueba sin lubricación de desgaste, a temperatura ambiente.

Radio de la punta de la esfera: 4.76 mm (3/16 pulgadas).

Fuerza normal aplicada: 25 N.

Longitud de carrera (Amplitud): 10.0 mm,

Frecuencia de oscilación: 5.0 Hz.

Duración de las pruebas: 16 min 40 s



29

Distancia de deslizamiento: 100m.

Temperatura ambiente: 22 ± 3°C.

Humedad relativa: 40 a 60 %.

Lubricación, no aplica.

Procedimiento B: Prueba de alta tensión lubricada a temperatura elevada.

Radio de la punta de la esfera: 4.76 mm (3/16 pulgadas).

Fuerza normal aplicada: 200.0 N.

Longitud de carrera (Amplitud): 10.0 mm

Frecuencia de oscilación: 10.0 Hz.

Duración de las pruebas: 33 min 20s

Distancia de deslizamiento: 400m).

Temperatura ambiente: 150 ± 2°C.

Humedad relativa: 40 a 60 %.

De lubricación, una inmersión total en el lubricante seleccionado.

Dejar enfriar las muestras. Para medir el desgaste, es necesario limpiar las muestras de

tal manera que las características de la superficie no sean alteradas. Para las pruebas

no lubricadas, un chorro concentrado de aire puede ser utilizado para disipar los restos

de la zona no lubricadas. Las superficies lubricadas con líquido, un ultrasonido de

limpieza puede ser usado con un adecuado disolvente. Las muestras deberán secarse

completamente.

Examinar la punta esférica para asegurarse de que ningún tipo de deslizamiento, ya sea

por laminación o de otro tipo, haya tenido lugar. Cualquier movimiento de la esfera en el

soporte durante la prueba, invalida los resultados. Del mismo modo, cualquier desviación

de la superficie plana, invalida también los resultados de la prueba.

El procedimiento de prueba alternativo. Para lograr ciertas condiciones de simulación, o

por otras razones técnicas, los procedimientos A y B puede no ser adecuados para un

determinado proyecto alternativo de pruebas de desgaste. Las modificaciones de las

condiciones de prueba específicas, prescritas en los procedimientos A y B pueden ser

utilizados para la realización de dichas pruebas, sin embargo, deberán justificarse y



30

explicarse distintas condiciones de prueba. Con una declaración como la siguiente,

“Estas pruebas no están en plena conformidad con lo dispuesto en el método de prueba

G133, procedimiento A, ya que la fuerza normal en estas pruebas fue de 50 N, en lugar

de 25 N, según lo prescrito por la norma, y la longitud de la carrera fue de 5 mm, en lugar

de 10 mm, según lo prescrito por la norma. Todas las demás disposiciones del método

de Ensayo G133 se han seguido.”

2.10 Medición y el cálculo del desgaste

Dependiendo del desgaste relativo de la esfera y la superficie plana, varias suposiciones

acerca de la irregularidad geométrica de las huellas se pueden hacer. En la figura 2.2, se

muestran varias condiciones de desgaste posibles. En la figura 2.2a, la superficie plana

es mucho más resistente al desgaste que el material de la esfera.

En la figura 2.2b, el material de la esfera es mucho más resistente que la superficie plana.

En la figura 2.2c, el desgaste es medible en las dos formas: plano y esfera.

El desgaste de la esfera. Debido a la naturaleza de este tipo de prueba, la huella de

desgaste en la esfera, no siempre puede ser circular o plana. Si al final de la prueba, la

esfera tiene una apariencia plana, pero no circular, el promedio de las dimensiones

máximas y mínimas de la huella, deberá ser calculada y este valor será usado como el

diámetro de la huella efectiva (D).

Las dimensiones de la huella del perno pueden hacerse removiendo el soporte de la

esfera y colocando la porción de la huella de desgaste bajo un microscopio. Un ocular

calibrado o una micrografía de magnificación conocida, pueden ser utilizados para medir

las dimensiones de la huella de desgaste.

El volumen de desgaste (Vp) de una huella de daño de la superficie plana con un

diámetro efectivo D (el caso de la figura 20 (a))

Vp = (πh

6) [

3D2

4+ h2] (3)

Dónde:

h = Altura de material removido, mm, (profundidad).

Suponiendo un volumen de desgaste esférico, la altura de material removido, se puede

calcular a partir de D, de la siguiente manera:



31

ℎ = 𝑅 − [𝑅2 − (𝐷2

4)]

12⁄

(4)

Dónde:

R = Radio de la esfera original, mm.

Figura 2.2. Situaciones posibles de desgaste para superficies esféricas y planas.

Si sólo hay una ligera abrasión o algunos rasguños en la punta esférica, el término, "no

hay desgaste medible", puede ser utilizado. Si la punta de la esfera es oscurecida por un

depósito adherente de partículas de desgaste, ninguna medida de desgaste debe ser

informada, aunque la razón por la cual no fue hecha la medición, debe ser reportada.

El volumen de desgaste de la superficie plana se calcula a partir de la longitud de la

carrera y el promedio de la sección transversal de la huella de desgaste, medido en

puntos equidistantes a lo largo de su longitud.

En la mayoría de los casos, el ancho y la profundidad de la huella del desgaste de la

superficie plana, serán relativamente uniformes en toda su longitud. Si las áreas de los

tres perfiles iniciales difieren en menos del 25%, tres perfiles serán suficientes.

Si el desgaste es uniforme, seis perfiles de sección transversal se obtienen al calcular la

pista media del área de la sección. Por lo general, en el cálculo de volumen de desgaste

de la superficie plana, los errores menores geométricos asociados con la inversión de los

puntos de dirección en cada extremo de la pista (zona de deslizamiento) pueden ser

despreciados.



32

2.11 Concepción de la Práctica de laboratorio aplicando la Norma ASTM G133-05

Teniendo en cuenta que en la actualidad es necesario adaptar los métodos de

enseñanza de la ingeniería mecánica a las condiciones de rápido desarrollo de la

ciencia y la técnica. Así como comprobar experimentalmente mediante las prácticas de

laboratorio los fundamentos teóricos.

En específico, los ensayos de desgaste de pares tribológicos son muy necesarios en

los análisis de elementos de máquinas. En este sentido, en el laboratorio de Resistencia

de Materiales de la facultad de Ingeniería Mecánica de la Universidad Central “Marta

Abreu de Las Villas” se necesita desarrollar equipamientos que permitan realizar

ensayos de este tipo, según los principios que establecen las Normas ASTM. Por lo

cual, la presente investigación relacionada con la máquina recíprocante para ensayo

de desgaste por deslizamiento de punta esférica sobre superficies planas, (según la

Norma ASTM G133-05) representa un pequeño aporte en este sentido.

La práctica de laboratorio que se propone está relacionada con el tema de desgaste

por deslizamiento en superficies planas bajo la configuración de punta esférica sobre

superficies planas”

El tiempo de duración que se prevé es de 2 horas.

Los objetivos de la práctica serían los siguientes:

1. Determinar el desgaste por deslizamiento en superficies planas con o sin

lubricación.

2. Calcular el coeficiente de fricción cinético entre las superficies en contacto a

partir de la determinación de la fuerza de fricción.

Sobre la organización metodológica de la práctica de laboratorio se debe considerar los

siguientes aspectos:

La orientación para el estudio individual previo con la elaboración de un texto donde el

estudiante encontrará todo lo necesario para su preparación individual con vista al

desarrollo de la práctica de laboratorio.

Métodos de ensayo, procesamiento matemático y estadístico de los datos

Los datos iniciales que se requieren serían los aparecen en las tablas 2.1 y 2.2. De

igual forma se deben registrar los resultados como se muestran en la tabla 2.3.



33

Tabla 2.1 Características generales del material de la muestra

CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL MATERIAL DE LA MUESTRA

Tecnología de elaboración de la Probeta

Ej: Fundida, torneada, rectificada, fresada, cementada, nitrurada, cromada.

Material de la Probeta

Composición química, (%) C Mn Si P S Cr Ni otros

Propiedades Mecánicas

Límite de rotura, (MPa)

Límite de Fluencia, (MPa)

Alargamiento relativo, (%)

Compresión relativa, (%)

Dureza, (HB, HRC, HV)

Características geométricas

Forma Dimensiones (mm) y (mm2)

Rectangular Largo Ancho Alto

Área de la sección

50 36 4.2 1800

Materiales empleado en la limpieza de la probeta Acetona y Metanol

Tabla 2.2 Condiciones de trabajo del ensayo

CONDICIONES DE TRABAJO (según el procedimiento a realizar)

PROCEDIMIENTO A

Radio de la punta del perno 4.76 mm (3/16 pulgadas)

Fuerza normal 25 N

Longitud de carrera 10 mm

Frecuencia de oscilación 5.0 Hz

Duración de la prueba 16 min 40 s

Distancia de deslizamiento 100 m

Temperatura ambiente 22 ± 3 °C

Humedad relativa 40 a 60 %

Lubricación no

PROCEDIMIENTO B

Radio de la punta del perno 4.76 mm (3/16 pulgadas)

Fuerza normal 200 N

Longitud de carrera 10 mm

Frecuencia de oscilación 10.0 Hz

Duración de la prueba 33 min 20 s

Distancia de deslizamiento 400 m

Temperatura ambiente 150 ± 2 °C

Humedad relativa 40 a 60 %

Lubricación Inmersión total en el lubricante



34

Tabla 2.3 Resultados a registrar para el informe final.

Tabla de resultados(según la variante presentada)

Desgaste en la superficie esférica

No. Lect.

Radio de la esfera original

(R)

Diámetro efectivo(D)

Altura del material

removido(h)

Volumen de desgaste(Vp)

1

-

10

Desgaste en la superficie plana

No. Lect.

Longitud de carrera(l)

Ancho(b) Profundidad(s) Volumen de desgaste(Vp)

1

-

10


La ASTM establece en sus diferentes normas, los procedimientos de ensayos

tribológicos. En este sentido la norma G133-05 establece el método de ensayo

que describe el procedimiento para determinar el desgaste por deslizamiento

sobre superficie plana de cerámicas, metales y otros materiales, empleando una

esfera de movimiento linear recíprocante sobre superficies planas.

En este sentido, la norma G133-05 establece dos procedimientos de ensayos, uno

para pruebas sin lubricación, y otra de alto esfuerzo de contacto, lubricada a una

temperatura elevada.

Según la norma pueden presentarse tres situaciones tales como: desgaste de la

superficie esférica, desgaste de la superficie plana y desgaste en ambas

superficies. Por lo que se necesita diseñar una maquina tribológica que sea capaz

de realizar estos ensayos bajo los principios de la Norma G133-05.

Capítulo III Diseño de máquina para ensayos de desgaste por deslizamiento sobre superficie plana.

35

Capítulo III Diseño de recíprocante para ensayos de desgaste por deslizamiento

sobre superficie plana

En este capítulo se realiza diseño de la máquina recíprocante para ensayos de desgaste

por deslizamiento sobre superficie plana. Los principios fundamentales de dicha máquina

están establecidos en la norma ASTM G 133-05. La modelación de los diferentes

elementos y la simulación de la máquina se concibió con la aplicación del diseño

automatizado mediante el uso de un sistema CAD.

3.1 Descripción general de la máquina recíprocante para ensayos de desgaste por

deslizamiento sobre superficie plana.

La máquina consta de un módulo de 24 piezas de acero, aleaciones de aluminio y PVC

rígido que al ensamblarse no exceden la altura de 310 mm, un ancho de 200 mm, una

longitud de 300 mm y una masa de 15.35 kg aproximadamente.

Para el proyecto del diseño de forma automatizada fue empleada una de las herramientas

CAD existentes en el mundo, específicamente el SOLIDWORKS 2018. Lo cual garantizó

la rapidez y precisión en los cálculos y modelación de los componentes de la máquina.

El modelo tridimensional desarrollado (3D) se muestra en la figura 3.1.

El conjunto ensamblado que conforma la máquina recíprocante para ensayo de desgaste,

se estructuró en tres sistemas: Sistema motriz, Sistema de Cargas y Sistema Porta

probeta. El plano de ensamble con sus dimensiones máximas aparece en el anexo 2 y la

tabla con las especificaciones técnicas en el anexo 3.

El Sistema Motriz que consta de 6 piezas fundamentales: El motor, Soporte cilíndrico,

biela, Tornillo y tuerca especial M6, Barra de fijación y excéntrica.

El Sistema de aplicación de las cargas consta de 9 elementos principales: Las

Columnas, Pesas, Soporte superior, Buje roscado, Disco centrador, Buje cónico, Tuerca

especial M16 y Balín.

El Sistema de Porta Probeta consta de 9 piezas fundamentales: Base pedestal, Apoyos

inferiores, Placa de fijación, Rodillos guías, Placa deslizante, Soportes laterales, Porta

probeta, Soportes interiores y eje roscado.


36

Figura 3.1 Máquina recíprocante de ensayo de desgaste sobre superficie plana.

3.1.1Sistema de Porta Probeta

Como se puede apreciar en la figura 3.2 los componentes del Sistema Porta probeta se

encuentran montados sobre la Base pedestal (pieza No.1), que es el elemento que sirve

de soporte al resto. El material de dicha base es acero AISI 1020. En el anexo 4 aparece

el plano de pieza con las dimensiones necesarias para su fabricación.

En la base pedestal se colocan, por medio de un ajuste con apriete, los cuatro Apoyos

inferiores (piezas No.2). El plano con las dimensiones de la misma se encuentra en el

anexo 5. Sobre dicha base se ubica a su vez, la Placa de fijación elaborada de aluminio

(pieza No.3) unida por medio de cuatro tornillos M6 (ver anexo 6). En esta placa se

colocan los cuatro Rodillos guías (pieza No.4), los cuales serán de Policloruro de Vinilo

(PVC Rígido). La representación de los rodillos con sus dimensiones aparece en el anexo

7. Estos rodillos se sujetan a la placa de fijación mediante el Eje roscado (pieza No.24)

de 21mm de longitud como se muestra en el anexo 28.


37

La Placa deslizante (pieza No.5) se desplaza sobre los rodillos y es la que soporta al

Porta probeta (pieza No.6) cuyas dimensiones aparecen en los anexos 8 y 9

respectivamente. Esta unión se logra con los dos Soportes laterales (pieza No.7) que

se fijan mediante tornillos M6 (ver anexo 10).

La probeta a ensayar es de forma rectangular de 50 x 36 mm y es colocada en el interior

del porta probeta y sujetada por los Soportes interiores (pieza No.8) con tornillos M5

(ver anexo 11).

Figura 3.2 Sistema Porta Probeta

3.1.2 Sistema motriz

Los elementos que componen el Sistema motriz son los que aparecen en la figura 3.3.

El Motor eléctrico (pieza No. 9) de 110V y una Potencia de 0,17kW gira a 14000rpm. El

mismo está montado sobre el Soporte cilíndrico (pieza No. 10) que se fija a la base

pedestal por cuatro tornillos M6. El plano del Soporte cilíndrico y sus dimensiones

aparecen en el anexo 12.

Durante el funcionamiento del mecanismo se convierte el movimiento de rotación en

traslación mediante una Excéntrica de 5mm (pieza No.23) desplazada con respecto al

centro del eje, sus dimensiones se encuentran en el anexo 27. Esta excéntrica permite

que la Biela (pieza No.12) cuyas dimensiones aparecen en el anexo 13 transmita un

desplazamiento de hasta 10 mm de la Barra de fijación (pieza No.11) a la placa

deslizante, las dimensiones de la barra de fijación aparecen en el anexo 14, garantizando

lo establecido por la Norma ASTM G133-05. La biela se fija a la barra de

fijación mediante un Tornillo y Tuerca especial M6 (piezas No.13). Las dimensiones de

los mismos se encuentran en los anexos 15 y 16.


38

Figura 3.3 Sistema Motriz

Es importante señalar que el movimiento de la fuente motriz a la probeta se consigue

mediante la unión de la barra de fijación a la placa deslizante por cuatro Tornillos M5.

3.1.3 Sistema de aplicación de las cargas

El sistema de cargas necesario para el ensayo está compuesto por los elementos que se

muestran en la figura 3.4. Las dos Columnas (pieza No.14) cuyas dimensiones aparecen

en el anexo 17 se fijan a la base pedestal por una Tuerca especial M16 (pieza No.20)

(ver anexo 18). El Soporte superior (pieza No.15) se asienta en las columnas y se une

a estas por Tornillos M6. Las dimensiones del Soporte superior aparecen en el anexo

19. El plano del Eje vertical (pieza No.16) aparece en el anexo 20, se introduce en el

soporte superior por el agujero de diámetro 12,5mm y se fija mediante un Prisionero M6.

Las Pesas (piezas No.17) son colocadas sobre el eje y constituyen los elementos que

garantizan la aplicación de la fuerza en la punta esférica que actúa sobre la superficie de

la muestra colocada en el porta probeta. El material de estas pesas es acero y la forma

geométrica cilíndrica. Por tanto, hubo que determinar el diámetro y altura del cilindro a

partir del volumen y de la masa calculada, en base a la densidad del acero y la fuerza de

gravedad generada por el peso. Estas dimensiones se determinaron en base a los valores

de la fuerza que establece la norma G133-05. En este caso se requería aplicar una fuerza

de 25N para el procedimiento A, bajo condiciones de temperatura ambiente y 200N para

el procedimiento B a una temperatura de 150 ±2°. En los anexos 21 y 22 se muestran los

planos con las dimensiones de las respectivas pesas.


39

En el extremo inferior del eje se encuentra la punta esférica donde se coloca el Buje

roscado (pieza No.18), que a su vez permite enroscar exteriormente el Buje Cónico

(pieza No19) donde se ubica el Balín (pieza No.21). Las dimensiones de estas piezas

aparecen en los anexos 23, 24, 25 respectivamente.

El balín es centrado por el Disco centrador (pieza No.22) que se ubica dentro del buje

cónico (pieza No.19). Las dimensiones de este disco centrador aparecen en el anexo 26.

En resumen todo este subconjunto (eje vertical, bujes: roscado y cónico, balín y disco

centrador) conforman la punta esférica que actúa sobre la probeta bajo la acción de la

fuerza aplicada.

Figura 3.4 Sistema de aplicación de las cargas

3.2 Criterios de selección de los materiales empleados en la máquina de ensayo.

La elección del material es un aspecto importante durante el diseño de una pieza o

dispositivo mecánico. Para esta selección es necesario tener conocimiento sobre las

propiedades de los distintos materiales y las exigencias de ingeniería que estos deben

reunir. para las condiciones de trabajo y de fabricación a que será sometida cada pieza.

En la rama mecánica, la selección de los materiales depende de varios criterios que

abarcan entre otros: aspectos de diseño, tecnología de fabricación, condiciones de

trabajo, solicitaciones, funcionamiento, etc. (Chernaski, 1984, Chernaski, 1988)

Al elegir el material se tuvo en cuenta ciertas premisas en correspondencia con la pieza

a diseñar, ellas son las siguientes (Juvinall, 1985):

De explotación, en la que el material debe satisfacer las condiciones de

funcionamiento.


40

De tecnología, en la que se debe considerar los requisitos necesarios para

garantizar la factibilidad de la fabricación de las piezas con el material que se

seleccione.

De economía, en la cual el material debe tener ventajas desde el punto de vista

del precio, del costo total de la pieza, incluyendo el costo del material y los gastos

de producción.

Para el caso específico del diseño del dispositivo desarrollado en el trabajo, los criterios

para la selección del material están basados sobre las características geométricas y de

explotación que definen su forma fundamental, de acuerdo a las superficies tecnológicas

que van a influir en la técnica operatoria del ensayo tribológico y al medio ambiente donde

va a ser utilizada la máquina de ensayo. Por tanto, la mayoría de las piezas de la máquina

tribológica recíprocante empleada para ensayos de desgaste por deslizamiento se

construye de Acero AISI 1020, (piezas No.1,2,6,7,8,10,11,12,12,14,15,16,17,18,19,20,

21,22) aunque algunas se fabrican de Aluminio (piezas 3 y 5) y de PVC, los rodillos guías

(pieza No.4). Por otra parte, se emplearon materiales reciclados, lo cual influye en la

disminución de los costos finales.

Referente a las solicitaciones y las características de resistencia, las mismas son

secundarias, debido a que la máquina de ensayo no será sometida a elevadas cargas.

(Baumeister, 1987, Pisarenko, 1985) Con esto se garantiza los requerimientos bajo cualquier

circunstancia.

3.3 Valoración económica.

El costo de una máquina similar en el mundo está alrededor de los 3000 USD, sin contar

el costo de la transportación. También es importante tener en cuenta el bloqueo al que

está sometido Cuba, lo que encarecería mucho más la compra de un equipamiento

similar.

Además, en el caso de la máquina diseñada, la mayoría de los materiales que se

proponen parte de elementos reciclados. Entre ellos: la biela, el eje vertical, buje cónico

roscado, buje roscado, disco centrador y rodillos guías, por lo que su empleo repercute

en una reducción de los gastos por este concepto. Sobre el motor eléctrico que se

propone utilizar, el mismo pertenecía a otra máquina y cumple con las condiciones de

potencia y velocidad necesarias y puede ser reutilizado.


41

En resumen, aunque no se determina el costo detallado de la máquina, pues faltarían los

gastos de las tecnologías de fabricación se puede apreciar que este será mucho menor

si se compara con la compra de una máquina de este tipo en el mercado exterior. (León,

2013)


Se diseñó la máquina tribológica recíprocante empleadas para ensayos de

desgaste por deslizamiento, según los requerimientos de la Norma ASTM G133-

05. Para su modelación y elaboración de la documentación técnica se empleó el

software CAD SolidWorks versión 2018, lo cual garantizó rapidez y precisión en el

dimensionamiento.

La máquina diseñada se estructuró en un módulo de 24 piezas que al ensamblarse

no exceden la altura de 310mm, un ancho de 200mm, una longitud de 300 mm y

una masa de 15.35 kg aproximadamente.

Los materiales seleccionados para la fabricación de la máquina y sus

componentes parten fundamentalmente de elementos reciclados de acero, y en

menor medida aluminio y PVC rígido en el caso específico de los rodillos. En todos

los casos se tuvo en cuenta las características de las piezas a diseñar tales como:

de explotación, de tecnología y de economía.

42

Conclusiones Generales

En el Laboratorio de Resistencia de la facultad de Ing. Mecánica e Industrial de

la Universidad Central Marta Abreu de Las Villas no se cuenta con una máquina

tribológica recíprocante para este tipo de ensayos de desgaste por

deslizamiento sobre superficie plana, según la Norma ASTM G133-05.

La ASTM establece en la norma G133-05 el método de ensayo que describe el

procedimiento para determinar el desgaste por deslizamiento sobre superficie

plana de cerámicas, metales y otros materiales, empleando una esfera de

movimiento linear recíprocante sobre superficies planas.

Se propuso el procedimiento para la realización de la práctica de laboratorio con

el empleo de la máquina recíprocante para ensayos de desgaste por

deslizamiento aplicando la Norma ASTM G133-05

Se diseñó la máquina tribológica recíprocante empleadas para ensayos de

desgaste por deslizamiento, según los requerimientos de la Norma ASTM

G133-05. Para su modelación y elaboración de la documentación técnica se

empleó el software CAD SolidWorks versión 2018, lo cual garantizó rapidez y

precisión en el dimensionamiento.

La máquina diseñada se estructuró en un módulo de 24 piezas que al

ensamblarse no exceden la altura de 310mm, un ancho de 200mm, una longitud

de 300 mm y una masa de 15.35 kg aproximadamente. Además se realizó la

simulación del movimiento de la misma.

Recomendaciones

43

Recomendaciones

Definir la tecnología de fabricación de los componentes de la máquina

recíprocante para ensayos de desgaste por deslizamiento sobre superficies planas

que permita su construcción.

Establecer la práctica de laboratorio de ensayo de desgaste por deslizamiento

sobre superficies planas en la docencia de la carrera de ingeniería mecánica de la

UCLV.

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México.

Anexos

Anexo 1

Anexos

Anexos

Anexo 2

Anexos

Anexo 3

Anexos

Anexos

Anexo 4

Anexos

Anexo 5

Anexos

Anexo 6

Anexos

Anexo 7

Anexos

Anexo 8

Anexos

Anexo 9

Anexos

Anexo 10

Anexos

Anexo 11

Anexos

Anexo 12

Anexos

Anexo 13

Anexos

Anexo 14

Anexos

Anexo 15

Anexos

Anexo 16

Anexos

Anexo 17

Anexos

Anexo 18

Anexos

Anexo 19

Anexos

Anexo 20

Anexos

Anexo 21

Anexos

Anexo 22

Anexos

Anexo 23

Anexos

Anexo 24

Anexos

Anexo 25

Anexos

Anexo 26

Anexos

Anexo 27

Anexos

Anexo 28

diseño de máquina recíprocante para ensayos de desgaste

Documents