sp cap 6 cojinetes y otros estudios tribologicos
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TribologíaCasos de estudio
Ing. Omar Linares ASME Bolivia
TRIBOLOGIA: DEFINICION
La Tribología es la ciencia y tecnología que estudia la interacción de las superficies en movimiento relativo, así como los temas y prácticas relacionadas.
Tribología es el arte de aplicar un análisis operacional a problemas de gran importancia económica, llámense, confiabilidad, disponibilidad de activos, mantenimiento, y/o desgaste de equipos involucrados
La palabra Tribología se deriva del término griego tribos, el cual puede entenderse como “frotamiento o rozamiento”, por tanto la Tribología es “la ciencia del frotamiento”.
TRIBOLOGIA: PILARES FUNDAMENTALES
La Tribología se centra en el estudio de tres fenómenos: la fricción entre dos cuerpos en movimiento,
el desgaste como efecto natural de este fenómeno y
la lubricación como un medio para evitar los dos primeros.
Las pérdidas resultantes de la ineficacia en tribología en los Estados Unidos representan aproximadamente el 6% del total del PIB ($200 billones de dólares por año en 1986), y aproximadamente un tercio ( 33 % ) de los recursos energéticos existentes se pierden en forma de
fricción.
Fuente: STLE Mexico
Conceptualizaciones, teorías y otras definiciones para otros eventos. Ejemplificar trabajos e investigaciones practicas con ejemplos reales En esta presentación estudiaremos dos casos:
Caso I: APLICACION DE LAS ALEACIONES “ZA” COMO MATERIALES ALTERNATIVOS PARA COJINETES TIPO CHUMACERA
Caso II: REDUCCION DE CONSUMO DE COMBUSTIBLE EN UNA FLOTA DE TRAILERS A PARTIR DE FACTORES MODIFICABLES
TRIBOLOGIA APLICADA AL MANTENIMIENTO
CASO DE ESTUDIO I: APLICACION DE LAS ALEACIONES “ZA” COMO MATERIAL
ALTERNATIVO PARA COJINETES TIPO CHUMACERAS
Se han estudiado las ventajas técnicas y económicas de la utilización de la aleación ZA-27 (Al 25-28%, Cu 2-2.75%, Mg 0.01-0.02, Zn Balance) como material de cojinete en los rodillos del sistema de rodado de tractores de cadena
Se han fabricado cojinetes por fundición en arena, los que se han maquinado según tolerancias de catálogo y se han puesto en servicio en una unidad de prueba Komatsu conjuntamente con cojinetes de fábrica para comparación de rendimientos
El ritmo de desgaste ha sido medido por pérdida de masa en función del tiempo de trabajo efectivo
Funcionamiento de las Chumaceras en el Sistema de Rodado de los Tractores de Cadena
El tipo de tractor (topadora) de cadenas para el que se fabricaron los cojinetes de deslizamiento es el modelo K7 de la marca KOMATSU serie D75A-1 de industria japonesa.
Peso total del tractor Peso total del tractor = 20,000 [Kgf]= 20,000 [Kgf]No. Rodillos inferioresNo. Rodillos inferiores = 14= 14No. Ruedas GuíaNo. Ruedas Guía = 2= 2No. Ruedas MotricesNo. Ruedas Motrices = 2= 2Total elementos portantes = 18Total elementos portantes = 18
Consideraciones de Diseño Carga sobre cada Rodillo: P = 20000 = 1111 [Kgf] 18 = 10899 [N] La Carga de Compresión sobre cada cojinete está calculada sobre el área
proyectada del mismo. Largo cojinete (L) = 72[mm]; Diámetro cojinete (D) = 70.5[mm] (2) Área proyectada cojinete = L x D = 72 x 70.5 = 5076 [mm2] (3) Carga de compresión = 10899 [N] = 2.15 [N/mm2] 5076 [mm2] = 2.15 [MPa Avance lineal del tractor = 3 [m] No. revoluciones de los rodillos = 4 [rev] Tiempo = 24 [s] En revoluciones por minuto = 10 [rpm] Radio cojinete = 3.53 [cm] (4) Velocidad (v)= Radio x x rpm 30 = 3.53[cm] x x 10 = 3.70 [cm/s] 30 = 0.04 [m/s]
Consideraciones de Diseño
Aceite Multigrado, Grado SAE 85W-140 ( IV=95, Mineral Base Grupo I)
Peso especifico () = 0.89 [Kgf/dm3] Densidad () = 9.07 x 10-7 [(Kgf s
2)/cm4] Viscosidad Cinemática ()(40oC)=126.8[cSt]= 1.268[cm2/s] Siendo la relación entre viscosidad dinámica y cinemática: = x ; Viscosidad Dinámica ()(a 40oC) = 0.113 [Pa s] Parámetro del cojinete = v P también conocido como No. de Sommerfeld: Donde: = Viscosidad dinámica del lubricante [Pa s] v = Velocidad del cojinete [m/s] P = Carga de Compresión [MPa] Parámetro de cojinete = 0.113 [Pa s] x 0.04 [m/s] 2.15 x 106 [Pa] = 2.1 x 10-9 [m]
Curva esquemática de Stribeck y regimenes de lubricación
Lub. HidrodinamicaLub. MixtaLub. Marginal
Consideraciones de Diseño
Ensamblaje y Puesta en Servicio
Cuatro rodillos con cojinetes ZA-27 y cuatro rodillos con cojinetes Komatsu para fines de comparación de rendimiento. El trabajo de ensamblaje consistió en los siguientes pasos:
1. Identificación y pesaje de los cojinetes bajo prueba. 2. Ajuste del diámetro de los cojinetes para cumplir con
la tolerancia estándar eje-cojinete de 0.25 - 0.36 (mm)
3. Fijación en el macero del sistema. 4. Colocación del eje en el cuerpo del rodillo. 5. Colocación del macero y los accesorios. 6. Llenado de lubricante y cierre del sistema. 7. Identificación de cada rodillo
Ensamblaje y Puesta en Servicio
Después de un período de prueba de 36 días de trabajo equivalentes a 252 horas se estableció una primera evaluación técnica consistente en el desmontaje de rodillos, desmontaje de partes, examen cualitativo del desgaste en cojinetes y medición del desgaste de los cojinetes mismos.
Resultados GlobalesCojinetes tipo Chumacera
Según información de los operadores del tractor de prueba y de los técnicos de mantenimiento, no hubo problemas durante el período de servicio. Excepto la ocurrencia de fuga de lubricante en un rodillo de prueba el que luego de ser desarmado mostró tener un retén O-Ring "mordido".
Resultados GlobalesChumacera ZA-27
El examen visual cualitativo de las piezas ZA-27 y en particular de las superficies de desgaste mostró lo siguiente:
1. Todas las piezas se presentaron completas, sin fracturas, fisuras ni golpes.
2. Las superficies de desgaste de los cojinetes en la aleación ZA-27 mostraron una textura lisa por una aparente uniformidad en el desgaste y la existencia de una capa superficial negruzca casi continua. En algunos cojinetes se detectaron zonas de raspaduras finas y ocasionales raspaduras profundas.
3. La superficie de desgaste de los cojinetes Komatsu de bronce mostraron líneas de desbaste periféricos y continuos parecidos a las producidas por la acción de lijas finas. También se presentaron surcos ocasionales y localizados de profundidad apreciable. Sólo una pieza mostró una superficie interna cubierta por una capa negra casi continua y no así las demás que mostraron una apariencia superficial totalmente metálica.
Resultados EspecíficosChumacera ZA-27
Tabla 1. Desgaste comparativo
W inicial W Pérdida Desgaste Pérdida en Volumen
ZA - 27 (g) final en (g) % Peso (cm³) (g)
1 Simple A x 327,50 322,76 4,74 1,45 0,95 1 Simple B x 326,91 316,56 10,35 3,17 2,07
2 Doble F 327,75 323,56 4,19 1,28 0,84 2 Doble I 327,60 322,43 5,17 1,58 1,03
3 Simple C 326,52 326,24 0,28 0,09 0,06 3 Simple E 325,56 322,21 3,35 1,03 0,67 4 Doble J 326,67 323,42 3,25 0,99 0,65 4 Doble H 327,56 316,96 10,60 3,24 2,12
Promedios 327,01 321,77 5,24 1,60 1,05
Bronces
8 Simple 1 558,1 549,4 8,7 1,56 0,98 8 Simple 2 560,1 547,6 12,5 2,23 1,41 7 Doble 3 558,6 546,5 12,1 2,17 1,36 7 Doble 4 560,3 545,7 14,6 2,61 1,64 6 Simple F 558,9 549,1 9,8 1,75 1,10 6 Simple G 559,7 548,6 11,1 1,98 1,25 5 Doble A 559,6 549,1 10,5 1,88 1,18 5 Doble C 556,7 545,2 11,5 2,07 1,29
Promedios 559,0 547,7 11,4 2,03 1,28
Nota: La fuga de lubricante se produjo en el rodillo que contenía a los cojinetes marcados Con x. Densidad ZA-27= 5(g/cm³); Densidad Bronce = 8.89 (g/cm³).
Tabla 2. Costo de Producción estimado en US$/Pieza (Precio de materiales en el mercado local)
BRONCE ITEM ZA-27 SAE660
1, Costo de Materiales $us/PiezaZn%
Al% 0,91 0,07 Cu% 0,25 ---- Mg% 0,03 2,00 Sn% 0,00 ---- Pb% ---- 0,60
--- 0,07 Subtotal: 1,19 2,74
2. Consumo Energético $us/Pieza Diesel 0,79 2,38 Otros Equipos (*) 0,24 0,25
Subtotal: 1,03 2,63 3. Mano de Obra $us./Pieza Moldeo (**) 2 personas ($us.-15/día), 24 piezas/día 0,63 0,63 Fusión (**) (***) Desmoldeado y Acabado 0,31 0,63 1 persona $us.-5/día Maquinado 0,21 0,21 1 persona a $us. - 10/día, 6 piezas/día 1,67 1,67
Subtotal: 2,82 3,14 TOTAL: 5,00 8,51
Otros 10%: 0,50 0,85
COSTO PRODUCCION $us./Pieza: 5,50 9,40
(*) Mezcladora de arena, Soplante horno, Torno y otros (**) Se considera un horno pequeño con crisol de 30 kg. (***) Especialista ($us.10/día), ayudante ($us.-5/día)
Discusión
Las piezas en bruto de colada resultaron sanas y no defectuosas.
La ausencia de fisuras, roturas y otros macro defectos en los cojinetes de prueba ZA-27 demostraron que las características mecánicas del material fueron suficientes (367 MPa) .
Para el período de prueba mencionado (252 h), se ha verificado que el ritmo de desgaste másico de la aleación ZA-27 fue en promedio 42% menor que el bronce de los cojinetes Komatsu. Sin embargo el desgaste volumétrico alcanza en promedio una diferencia del 22% a favor de la aleación ZA-27. El desgaste volumétrico un referente más adecuado por cuanto representa pérdida de dimensiones.
Costos de producción aproximado
ZA-27 costaría 5.5 US$
Bronce SAE660 9.4 US$
Proyección
Mejoras en el lubricante a usar:
Aceite Mineral Base Grupo II plusCon aditivo EP de Borato InorgánicoTemperaturas y cargas extremadamente altasTolerar la presencia de pequeñas cantidades de aguaCarga Timken de 75 lb.Visc. A 40C 341 CstVisc. A 100C 25 Cst
Ventajas:
-Menor desgaste-Mayor control de la flecha-Extensión de periodos de cambio (Análisis de Laboratorio) -Economía por este insumo
Caso de estudio II: Flota de Traileres
El presente trabajo se desarrolló, en una Flota de Traileres Volvo (30 unidades), equipadas con Motores Diesel Cummins N-14 Plus de 410 HP a 1800 RPM sobre-alimentado, encendido electrónico
B- Variables que se pueden modificar:
B.1-Forma de conducción. El 100% de los conductores conducen a las máximas RPM y no con el máximo torque. El máximo torque y el menor consumo se obtiene alrededor del 80% de las RPM máximas.
B.2-Estudio del aceite adecuado para los motores
Caso de estudio II: Flota de Traileres
Comenzamos analizando cuales eran las variables que influenciaban en el consumo de combustible, dividiéndola en dos grandes grupos.
A-Variables que no se pueden modificar. B-Variables que se pueden modificar o actuar sobre ellas.
A-Variables que no se pueden modificar:
A.1-Perfil geográfico del tramo. A.2-Condiciones meteorológicas.
Chart Titley = 0.05x + 10
R 2 = 1
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100
kph Linear (kph)
hp*Qesp 1000 D=0.820 gr/cm3
rpm kph lbs-ft hp lbs/bhp-hr g/kw-hr gr/hr kgs/hr lts/hr costo $ dif dif1100 1550 325 0.311 189 61425 61.43 74.91 206.751200 1550 354 0.308 188 66552 66.55 81.16 224.00 17.26 17.261300 1550 384 0.308 187 71808 71.81 87.57 241.70 17.69 34.951400 80 1550 413 0.31 188 77644 77.64 94.69 261.34 19.64 54.591500 85 1550 443 0.312 189 83727 83.73 102.11 281.81 20.47 75.071600 90 1477 450 0.313 190 85500 85.50 104.27 287.78 5.97 81.031700 95 1396 452 0.317 193 87236 87.24 106.39 293.62 5.84 86.881800 100 1313 450 0.32 194 87300 87.30 106.46 293.84 0.22 87.091900 105 1236 447 0.323 197 88059 88.06 107.39 296.39 2.55 89.652100 1088 435 0.336 205 89175 89.18 108.75 300.15 3.76 93.40
Qesp.fuel consumption
Pasaporte Termo-Energetico Motor Diesel Cummins N-14
lbs-ft
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100
lbs-ft
Tabla B.1
Corr. lineal RPM Kph
Consumo y Potencia
hp
250
300
350
400
450
500
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100
hp
lts/hr
70.00
75.00
80.00
85.00
90.00
95.00
100.00
105.00
110.00
900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100
lts/hr
hp rpm lts/hr325 1100 74.91354 1200 81.16384 1300 87.57413 1400 94.69443 1500 102.11450 1600 104.27452 1700 106.39450 1800 106.46447 1900 107.39435 2100 108.75
Conduciendo con el máximo torque se reduce el
consumo de combustible en un 19.33%
El máximo torque, se alcanza a 1500 RPM = 1550 lbs-ft =75.07 lts/hora y a la máxima RPM 1800 = 1088 lbs-ft =93.40 lts/hora
B.2 - Inadecuado Aceite Motor. La viscosidad del aceite motor tiene influencia sobre el consumo de combustible, así como sobre el desgaste del motor. Realizamos mediciones del consumo con 30 equipos, en el mismo tramo, baja similares condiciones meteorológicas, con el siguiente resultado:
Caso de estudio: Flota de TraileresB.2- Estudio del aceite adecuado para los motores
Tipo de Aceite Motor Kms/lt. Ahorro % Monogrado SAE 40 2.30 kms/lt Multigrado SAE 15W40 2.66 kms/lt 15.65 % Multigrado SAE 20W50 3.27 kms/lt 22.93 %
Análisis técnico del aceite a usar
SAE-40mes kms litros kms/lts inicial litros Ahorro lts Ahorro $ % Ahorrosep 311,195 124,521 2.50 2.30 131,678 7,157 28,773 5.44oct 610,922 248,083 2.46 2.30 262,134 14,051 56,486 5.36nov 734,717 284,942 2.58 2.30 301,840 16,898 67,932 5.60dic 614,807 233,387 2.63 2.30 247,528 14,141 56,845 5.71enero 626,768 238,902 2.62 2.30 253,318 14,416 57,951 5.69febrero 635,197 238,877 2.66 2.30 253,487 14,610 58,730 5.76marzo 640,325 235,689 2.72 2.30 250,416 14,727 59,204 5.88abril 642,220 234,125 2.74 2.30 248,896 14,771 59,380 5.93mayo 645,125 233,548 2.76 2.30 248,386 14,838 59,648 5.97junio 645,986 233,105 2.77 2.30 247,963 14,858 59,728 5.99julio 646,133 232,898 2.77 2.30 247,759 14,861 59,741 6.00Sub-total 6,753,395 2,538,077 2.66 2.30 2,693,405 155,328 624,419 5.77
SAE-40mes kms litros kms/lts inicial litros Ahorro lts Ahorro $ % Ahorroagosto 710,000 220,000 3.23 2.30 236,330 16,330 65,647 6.91sep 710,987 215,434 3.30 2.30 231,787 16,353 65,738 7.06oct 705,428 214,125 3.29 2.30 230,350 16,225 65,224 7.04Sub-total 2,126,415 649,559 3.27 2.30 698,467 48,908 196,608 7.00
Reduccion del Consumo de Combustible Diesel Vs Tipo Aceite Motor en Trailer 30 Tons Motor Cummins N-14
1ra Etapa con aceite motor 15W40
2da etapa con aceite motor 20W50
Tipo Aceite
Rendimiento Combustible lts/km
Incremento del Rendimiento Kms/lts Ahorro %
Monogrado SAE 40 2.30Multigrado 15W40 2.66 0.36 15.65Multigrado 20W50 3.27 0.97 22.93
Para regiones con clima de alta temperatura ambiental 30ºC a 47ºCla utilizacion de un aceite Multigrado 20W50 reduce el consumo deCombustible Diesel Regular en un 22.93 % ,por disminucion de la friccion interna dentro del motor Diesel.
