Investigacion Maquinas tribologicas

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Instituto Politécnico Nacional 
 
Escuela Superior de Ingenieria Mecanica y 
Electrica 
 
Unidad Profesional Culhuacan 
 
Ingenieria en Sistemas Automotrices 
 
TRIBOLOGÍA 
 
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN 
 
MAQUINAS TRIBOLOGICAS 
 
GRUPO: 8SV11 
 
Profesor:De la Vega Ibarra Ricardo 
 
Hernández Serna Benjamin 
 
 
 
 
 
 
INTRODUCCIÓN 
 
La fricción es impresionante, un fenomeno que influencia en algunos aspectos 
de la vida cotidiana, por lo que ha sido motivo de estudio por mucho tiempo 
principalmente en practicas de ingenieria. Nos falta mucho por aprender de su 
naturaleza, como cambia bajo diferentes circunstancias y como podemos 
predecirla y controlarla. A traves del tiempo este fenomeno se ha estudiado en 
maquinas y materiales lo que nos ha dado recursos para seguir estudiandola. 
 
En años recientes se ha prestado atencion al estudio de la friccion en escala 
nanometrica y su comportamiento en cuerpos de macroescala en contacto. 
 
Esto ultimo nos lleva a la Tribología que es el estudio de la ciencia y la 
tecnología de las superficies que interactúan en movimiento relativo y abarca el 
estudio y la aplicación de la fricción, el desgaste, la lubricación y aspectos 
relacionados con el diseño de los componentes de la maquinaria. 
 
En las ultimas decadas se ha dado un impulso enorme al estudio de la tribologia 
ya que sus fenomenos se manifiestan en “toda la materia”. Actualmente ya no 
se tiene la idea de que la tribologia es exclusiva de la mecanica ya que se ha 
podido asociar a la dinamica de fluidos, ya que esta de igual forma tiene una 
interaccion con la friccion, un ejemplo seria la erosion de la superficie en contacto 
con un rio, de hecho sabemos que los rios se formaron por dicho fenomeno. 
 
Por lo que llegamos al motivo principal de esta investigacion que es abordar las 
maquinas tribologicas, utilizadas para realizar pruebas en elementos mecanicos 
para asi valorar su eficiencia mecanica y ver el como mejorarlas. 
 
La tribologia al ser una ciencia muy especifica y que podria considerarse como 
“nueva” hace que tener informacion al alcance sea algo complicado, por lo que 
se tratara de abordar de la mejor manera la informacion, una cuestion es que no 
se encuentra mucha información de las maquinas tribologicas, ya que existe una 
variedad en el mercado,pero no se comparte mas detalles de la fabricacion de 
dichas maquinas por lo que se mencionara algunos aspectos generales y se 
hablara un poco mas acerca de la friccion y la lubricacion, para complementar la 
investigacion y que sea mas fructifera. 
 
Tambien se abordara la fricción con expresiones matematicas que sean de facil 
comprension para el lector acompañadas de diagramas para alentar el 
entendimiento del fenomeno en cuestión. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
MARCO TEORICO 
 
Se estudiarán algunos conceptos clave para el estudio de las máquinas 
tribológicas y entender su funcionamiento al momento de abordar dicha 
maquinaria. 
 
Tribología 
 
La palabra tribología proviene del griego “tribos” que significa rozamiento o 
fricción y “logos” qué significa estudio o tratado. La tribología de manera mas 
informal significa el estudio de los fenómenos de la fricción. 
 
Una definición más formal que dio el ministerio británico de ciencia y educación 
es: “la ciencia y la tecnología que estudia los sólidos que se encuentran en 
contacto y movimiento relativo, asícómo los fenómenos que de ellas derivan “ . 
 
El estudio de la tribología está ligado directamente con la ingeniería mecánica 
,ciencia de materiales (la rama de la metalurgia ),física y química. Sin duda ,la 
ingeniería mecánica es una de las disciplinas que más se apoya en las 
propiedades tribológicas de los materiales 
para el diseño y construcción de 
dispositivos mecánicos. 
Por ello la importancia de su estudio y 
difusión en centros de educación superior 
dentro del mapa curricular de la licenciatura 
y posgrado de la ingeniería mecánica o afin. 
 
Es fundamental estudiar tanto las 
características como las condiciones que 
se llevan a cabo en las interacciones de las 
superficies en contacto , esto se conoce 
como tribus sistema cuyos elementos se 
figura se presentan en la figura 1.2 . 
 
Los componentes de un tribo sistema son: 
1. Base :cuerpo primaria de fricción ,en condición de desgaste . 
2. Contracuerpo :cuerpo secundario de fricción bajo condiciones de 
desgaste . 
3. Sustancia intermedia :lubricante ,polvo ,fibras, granos ,piedras ,agua 
,vapor ,gases ,etc . 
4. Medio ambiente :es el entorno donde se encuentra el sistema ;este puede 
estar constituido por gases IO líquidos en diferentes condiciones de 
presión ;ya sean muy elevadas o al vacío ;a temperaturas extremas 
,etcétera . 
 
 
 
 
 
 
Aplicaciones de la tribología. 
 
De las aplicaciones más comunes e importantes de la tecnología está el 
desarrollo de elementos anti fricción ,tales como rodamientos ,de los cuales hay 
una gran variedad ,entre los más importantes se encuentran los de esferas,de 
rodillos ,de agujas y casquillos de bolas para movimientos deslizantes 
lineales,etc . 
 
Existen otros que no requieren de elementos rodantes ,como los cojinetes 
hidrodinámicos e hidrostáticos en donde un fluido evita el contacto entre el 
elemento estacionario y el dinámico. 
 
También existe el estudio de los fenómenos tribológicos en condiciones de vacío 
el cual ha permitido desarrollar la aeronáutica espacial ,ya que en estas 
situaciones se han presentado coeficientes de fricción muy elevados que dañan 
los componentes y artefactos espaciales. Entre los procesos con mayor éxito y 
demanda en el mercado se encuentran los recubrimientos de nitruro de titanio y 
nitruro de cromo; además de los lubricantes sólidos como el disulfuro de 
molibdeno,el grafito ,el fluoruro de grafito ,etc. 
 
En general ,la mayoría de los materiales utilizados para la manufactura de 
elementos mecánicos ,en algún momento se someten a pruebas tribológicas ,ya 
sea en forma de probetas o como productos terminados. 
 
Fricción 
 
La palabra fricción deriva del vocablo latino “Fricare”,qué significa rozamiento o 
frotamiento y se aplica para describir la pérdida de energía cinética en 
situaciones donde 2 cuerpos o sustancias se encuentran en contacto y 
movimiento relativo. No se debe confundir la fricción con el desgaste ya que una 
estudia las fuerzas en el área de contacto y el otro es el material que las fuerzas 
arrancan o desgarran de la superficie respectivamente . 
 
Leyes de la fricción 
 
El comportamiento de 2 objetos deslizantes se rige de acuerdo a las leyes de la 
fricción que fueron concebidas de manera empírica. 
 
La primera ley establece que la fuerza de fricción F entre un par de superficies 
deslizantes en contacto ,es proporcional a la carga normal W,que ellas soportan. 
La constante de proporcionalidad entre F y W se conoce universalmente como 
el coeficiente de fricción ,µ. Se observa que el valor de µ Depende de la 
naturaleza de ambas superficies sólidas por lo que es preciso especificar las 
características de las caras en contacto y las condiciones bajo las que 
interactúan. 
 
La segunda ley ,establece que la fuerza de fricción Fentre los cuerpos sólidos es 
independiente del área parente de contacto. 
 
La tercera ley de la fricción tiene su fundamento en las 2 primeras, se observa 
que se requiere una fuerza considerablemente mayor para dar inicio al 
deslizamiento ,en comparación a la necesaria para mantenerlo. Entonces “la 
fuerza de fricción es independiente de la velocidad de deslizamiento “. De esto 
han surgido los conceptos del coeficiente de fricción estático y el coeficiente de 
fricción dinámico. 
 
Ya con todo este análisis podemos obtener la siguiente expresión: 
 
𝜇 =
𝐹
𝑊 
Esta ecuación asocia el coeficiente de fricción con la fuerza de fricción y la 
normal. En la figura 2.5 se observa un cuerpo de peso Wcolocaron una superficie 
plana ,comienza a deslizarse cuando se inclina un ángulo q. 
 
Esto nos permite tener las 
ecuacionesque describen al 
coeficiente de friccion estatico. 
 
𝜇! =
𝐹
𝑊 =
𝑊𝑠𝑒𝑛𝜃
𝑊𝑐𝑜𝑠𝜃 = 𝑡𝑎𝑛𝜃 
 
 
Para establecer el valor del 
coeficiente de fricción dinámico es preciso cuantificarlo en cada material a través 
de métodos de prueba experimental. Por ello es necesario el empleo de 
máquinas tribológicas donde el resultado lo determinará el trigo sistema 
dependiendo de las condiciones y de la velocidad que se introduzcan en la 
máquina. 
 
Existen 3 tipos de fricción los cual es son : 
 
• Fricción adhesiva 
• Fricción por arado metálico 
• Fricción por deformación 
 
Desgaste 
EI desgaste puede ser definido como un proceso donde material es desprendido 
de una o de ambas superficies que se encuentran en contacto, ocurriendo 
cuando estas se encuentran en movimiento relativo una de la otra. 
Mecanismos de desgaste. 
En un buen diseño tribológico, Ia pérdida de material es un proceso muy lento, 
pero es estable y continuo. Clasificar los tipos de desgaste que se puede 
presentar en un material suele ser difícil. La razón de esta dificultad es que el 
desgaste o resistencia al desgaste no es una propiedad intrínseca del material, 
como lo es el esfuerzo o la dureza, si no que esta en función del sistema en el 
que opera. En la tabla 3 podemos observar que la norma DIN muestra los 
fenómenos de desgaste de acuerdo a la acción tribológica . 
La clasificación el desgaste toma dos aspectos a consideración; el primero es 
basado en como ocurre el desgaste en las piezas o componentes, como pueden 
ser picaduras, degradación y estriación entre otras. El segundo aspecto, 
mayormente utilizado, toma a consideración las bases del mecanismo o acción 
tribológica. Dentro de los principales mecanismos de desgaste se encuentran: 
abrasión, adhesión, corrosión, erosión, fatiga, fretting, oxidación. 
 
 
 
Como se puede observar en la clasificación anterior la acción tribológica de 
deslizamiento que esta en estudio en esta investigación puede tener uno o varios 
de los siguientes mecanismo de desgaste; adhesión, abrasión, fatiga superficial 
y reacciones triboquímicas, por lo cual se definirán cada uno de estos 
mecanismos. 
 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. 
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. 
Desgaste abrasivo 
En el desgaste abrasivo el material es removido o desplazado de una superficie 
por partículas duras, de una superficie que es deslizada contra otra. 
Existen dos tipos de abrasión. Abrasión por desgaste de dos cuerpos figura 93(a) 
y abrasión por desgaste de tres cuerpos, figura 3 (b). 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 mediante el uso de lijas. Por otra parte el desgaste por abrasión de tres 
cuerpos se presenta en sistemas donde 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. 
 
Figura 3. Tipos de Abrasión, (a) abrasión de dos cuerpos, (b) abrasión de tres cuerpos. 
 
 
Desgaste por fatiga 
El desgaste por el mecanismo de 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, tendremos zonas de 
intensa deformación muy cercanas a la superficie, creando grietas superficiales 
y sub-superficiales, las cuales, con el tiempo coalescerán, ver figura 4. 
 
Figura 4. Desgaste por fatiga. Esquema de la formación de grietas superficiales 
y sub-superficiales. 
 Desgaste por reacción triboquímica 
Cuando dos sólidos se someten a un movimiento relativo en el que pueda haber 
agentes químicos, por lo general tienen lugar los siguientes procesos: 
a) Reducción de las partículas a un tamaño muy pequeño. 
b) Generación de un gran número de nuevas superficies. 
c) Formación de dislocaciones y defectos puntuales en las estructuras 
cristalinas. 
d) Transformaciones de fase en materiales polimórficos. 
e) Reacciones químicas de diversos tipos: descomposiciones, intercambio 
iónico, oxidación - reducción, formación de aductos o complejos, entre otras. 
 
 
Ya con estos conceptos en cuenta podemos entrar de lleno a lo que son las 
máquinas tribológicas veremos variedad de casos que no son iguales entre sí 
por lo que se pide prestar bastante atención ,se comenzará por analizar 
máquinas de marca establecida que cuentan con movimientos lineales. 
MAQUINAS TRIBOLOGICAS 
Tipos de tribómetros para desgaste con movimiento lineal 
Los principales fabricantes de equipos para pruebas tribológicas con movimiento 
reciprocante lineal son: Plit, Koheler y Falex. 
Plint. 
Plint, con sede en Inglaterra, es la que cuenta con la variedad más amplia de 
equipos con movimiento lineal reciprocante que es lo que compete a esta 
investigación. Sus equipos son: TE77 High frecuency friction machine, TE99 
Universal Wear Machine, T8102 
High speed reciprocating machine 
y DN44 Servo Hydraulic 
Reciprocating sliding and fretting 
test machine. 
De las máquinas antes 
mencionadas, la más utilizada en 
aplicaciones para simular el 
desgaste en camisas de motores 
de combustión interna es la TE77 
ya que dicha máquina puede lograr 
condiciones de velocidad y carga 
muy parecidas a las condiciones en 
los motores de combustión interna. 
En la figura se puede observar una 
máquina como esta. 
Koehler lnstrument Company lnc. 
Koeheler es una compañía ubicada en los Estados Unidos, con sedes en Nueva 
York y Houston. Dicha compañía está dedicada a la fabricación de máquinas 
tribológicas entre otros tipos de máquinas para la industria. De las diferentes 
máquinas tribológicas que ofrecen, la que más se acerca al alcance de ésta 
investigación es la Reciprocating Linner Test Rig (RLTR). Esta máquina tiene las 
siguientes características: 
Es una simple representación del movimiento del anillo-pistón y el cilindro. En 
dicha máquina el anillo-pistón es instrumentado y permanece estacionario 
mientras el segmento de cilindro tiene movimiento lineal reciprocante. Está 
máquina es utilizada para examinar la fuerza de contacto entre el segmento de 
anillo-pistón y segmento de cilindro. 
En Ia figura 27 se puede observar un esquema de la máquina K93400 (Friction 
Tester) diseñada por Koheler para la realización de pruebas tribológicas con 
movimiento reciprocante. 
 
Figura 27. Máquina de desgaste reciprocante diseñada por Koheler . 
Especificaciones de la máquina RLTR de Koheler. 
Carga normal de 5 – 50 N. 
Frecuencia de operación de 1 a 50 Hz. Longitud de carrera de a 10 mm. 
Temperatura de operación de 100°C. 
Falex. 
Falex Corporación ofrece algunos equipos para pruebas tribológicas para 
determinar Ia fricción, el desgaste, lubricación y estudios de abrasión. Falex tiene 
más de 70 años trabajando con equipos tribológicos y tiene sede en Chicago, 
Illinois (USA). La siguiente máquina de 
pruebas Block on ring, la cual es la más 
cercana a las aplicaciones 
concernientes a esta investigación se 
muestra en la figura 28. 
 
 
Figura 28. Máquina de desgaste 
diseñada por Falex [24]. 
Especificaciones de la máquina de Falex. 
La velocidad del movimiento puede ser en dos rangos de movimiento, rango 
bajo de 0.33Hz a 10 Hz y el rango alto de 8.33Hz a 25 Hz. La carga puede ser 
hasta 130 Lb (578N). 
La temperatura controlada hasta 400 °F (204°C). 
Motor de 2 HP velocidad variable. 
Controlador digital de tiempo para arranque y paro automático. 
Estas son por mencionar, algunos tipos de maquinas tribologicas que funcionan 
de diferente manera,Pero todas tienen un objetivo en común estudiar la fricción 
en componentes o piezas mecánicas para evaluar o mejorar su diseño y así 
poder mejorarlo para el futuro uso en algún mecanismo o maquinaria. De 
información acerca del diseño de una máquina tribu lógica es muy escasa o no 
es abierta al público por lo que sólo se tiene la idea de que funciona a base de 
principios de la fricción por lo que estas máquinas fricción en piezas ya sea de 
manera rotatoria o lineal ,las anteriormente mencionadas se consideran 
máquinas de lineales o de fricción lineal. 
 
A continuación se mostrarán las máquinas que están a la disposición en los 
laboratorios de nuestro país comenzando por mencionar las que se encuentran 
en la UNAM. 
 
MÁQUINA DE ENSAYOS TRIBOLÓGICOS DE MICRO-ABRASIÓN 
 
 
 
 
MÁQUINA DE ENSAYOS TRIBOLÓGICOS DE RAYADO (SCRATCH TEST) 
 
 
 
MÁQUINA DE ENSAYOS TRIBOLÓGICOS PARA ESTUDIOS DE 
DESGASTE POR CAVITACIÓN 
 
 
 
MÁQUINA DE ENSAYOS TRIBOLÓGICOS PARA LUBRICANTES LÍQUIDOS Y GRASOS. 
CONFIGURACIÓN: CUATRO BOLAS 
 
 
 
MÁQUINA DE ENSAYOS TRIBOLÓGICOS PARA REALIZAR 
PRUEBAS EN ATMOSFERA CONTROLADA. CONFIGURACIÓN: 
PERNO SOBRE DISCO 
 
 
 
 
Estos son algunos ejemplos de las máquinas con las que cuenta la unam en 
sus laboratorios ,no se nos da más información acerca de dichas máquinas O 
de su funcionamiento pero uno se hace la idea de cómo es que ese funciona 
tomando en cuenta los principios de la fricción lineal y rotativa a continuación 
se mostrará una lista de máquinas con las que cuenta el instituto politécnico 
nacional a cargo del sepi en relación a la tribología. 
MÁQUINAS DE PRUEBAS 
• Pendulo para pruebas de deslizamiento WESSEX 
• Máquina tribológica de cilindros cruzados (Norma ASTM G83). 
• Máquina tribológica de arena seca y disco metálico vulcanizado (Norma 
ASTM G65). 
• Máquina tribológica de arena húmeda y disco metálico vulcanizado 
(ASTM G105). 
• Máquina tribológica de perno sobre disco (pin on disk, ASTM G99). 
• Máquina tribológica para abrasión severa “gouging” (ASTM G81). 
• Máquina para fatiga por contacto de rodadura (FCR). 
• Máquina erosiva seca empleando partículas de carburo de silicio. 
• Máquina recíprocante (Norma ASTM G133). 
• Equipo tribológico de micro-abrasión PLINT-TE66. 
• Máquina tribológica de 4 bolas (Normas ASTM) 
 
CONCLUSIONES 
Como se vio la ciencia de la fricción y en cuestión la tribología ,son un área muy 
extensa de investigación que se podría considerar nueva, por lo que fue difícil 
abordar la información ya que no existe mucha de esta ,aún así en el proceso 
uno se da cuenta de cómo es que funcionan dichas máquinas y cómo están 
asociadas a los fenómenos que se mencionaron de igual manera se da cuenta 
uno que se puede abordar estas máquinas para la creación de un diseño original 
el cual se podría comercializar ,como se había mencionado no se encuentra 
información como tal pero sí se encuentra empresas que venden dichas 
máquinas y que obviamente no dan la patente de de su máquina . 
Con los conocimientos ingenieriles que uno tiene podría diseñar su propia 
máquina de pruebas tribológicas llegando a la conclusión que en esta ciencia 
todavía se pueden coaccionar mucho más y que uno podría participar dentro de 
ella, motivando así el crecimiento en la ciencia y tecnología. 
Aún nos queda mucho por aprender por lo que es recomendable seguir en el 
camino de la ciencia y abordar más de estos temas buscando posibles 
soluciones a problemas que ya están establecidos o proponer más problemas 
que se buscará su solución. 
 
REFERENCIAS 
• https://www.sepi.esimez.ipn.mx/tribologia/maquinas.html 
• https://redisyt.org/portal/index.php/perno-disco 
• https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/test-and-
measurement/tribometers-and-mechanical-testers/umt-tribolab.html 
 
 
• Desarrollo de un sistema tribologicon con movimiento lineal 
reciprocante, Tesis, M.C Jesus Omar Gonzales Gonzales, 2013 
• Consideraciones Tribologicas en el diseño de un puente de carga 
para una maquina reciprocante, Tesis, Jose Nieves Carrillo 
Castillo,2001.