TRIBOLOGIA.
La tribología a través de la historia ha tenido una evolución, y sin saberlo, en eras prehistóricas, ya se empleaba esta ciencia, con finalidades iguales a las que se necesitan hoy en día.
Los egipcios ya sabían de la fricción y como disminuir este inconveniente por medio de los lubricantes, para transportar bloques de piedra dedicados a la construcción de pirámides.
Para evitar la fricción, y de por si el desgaste que era un inconveniente, se utilizaba el agua o los usos de la grasa animal como lubricante.
Leonardo Da Vinci fue el primero que postuló un acercamiento a la fricción. Da Vinci dedujo la leyes que gobernaban el movimiento de un bloque rectangular deslizándose sobre una superficie plana, también, fue el primero en introducir el concepto del coeficiente de fricción. Desafortunadamente sus escritos no fueron publicados hasta cientos de años después de sus descubrimientos.
La tribología (del griego tribos, "frotar o rozar") es la ciencia que estudia LA FRICCIÓN, EL DESGASTE Y LA LUBRICACIÓN que tienen lugar durante el contacto entre superficies sólidas en movimiento.
El término es usado universalmente desde finales del siglo XX, y los postuladores fueron los ingleses.
Para entender a la tribología se requiere de conocimientos de física, de química y de la tecnología de materiales. Las tareas del especialista en tribología (tribólogo) son las de reducir la fricción y desgaste para conservar y reducir energía, lograr movimientos más rápidos y precisos, incrementar la productividad y reducir el mantenimiento.
Antes del nacimiento de la tribología como ciencia se pensaba en el término lubricación o la mecánica de la lubricación. No se había generalizado la disminución de la fricción y el desgaste como prácticas cotidianas. Con la tribología como ciencia se estudia la fricción y sus efectos asociados, como el desgaste, tratando de prevenirlos con mejores diseños y prácticas de lubricación. Toma en cuenta, entre otros aspectos de la maquinaria industrial, los siguientes:
ü El diseño
ü Los materiales de las superficies en contacto
ü El sistema de aplicación del lubricante
ü El medio circundante
ü Las condiciones de operación.
La tribología está presente prácticamente en todas las piezas en movimiento tales como:
La tribología ayuda a resolver problemas en maquinaria y equipos y procesos industriales tales como:
ü Procesos de corte (herramientas y fluidos)
ü Elementos de almacenamiento magnético
FUNDAMENTOS DE LA TRIBOLOGÍA.
La tribología se centra en el estudio de tres fenómenos, y también de allí se saca una deducción de tri:
1. La fricción entre dos cuerpos en movimiento.
2. El desgaste como efecto natural de este fenómeno.
3. La lubricación como un medio para evitar el desgaste.
FRICCIÓN. (1)
Es el efecto que proviene de la existencia de fuerzas tangenciales que aparecen entre dos superficies sólidas en contacto cuando permanecen unidas por la existencia de esfuerzos normales a las mismas.
La fricción se define como la resistencia al movimiento durante el deslizamiento o rodamiento que experimenta un cuerpo sólido al moverse sobre otro con el cual está en contacto. Esta resistencia al movimiento depende de las características de las superficies.
Una teoría explica la resistencia por la interacción entre puntos de contacto y la penetración de las asperezas. La fricción depende de:
1. la interacción molecular (adhesión) de las superficies
2. la interacción mecánica entre las partes.
La fuerza de resistencia que actúa en una dirección opuesta a la dirección del movimiento se conoce como fuerza de fricción. Existen dos tipos principales de fricción:
Fricción Estática: Es una resistencia, la cual se debe superar para poner en movimiento un cuerpo con respecto a otro que se encuentra en contacto.
Fricción Dinámica: Es una fuerza de magnitud constante que se opone al movimiento una vez que éste ya comenzó.
No se tiene una idea perfectamente clara de la diferencia entre el rozamiento cinético y el estático, pero se tiende a pensar que el estático es mayor que el cinético, porque al permanecer en reposo ambas superficies, pueden aparecer enlaces iónicos, o incluso microsoldaduras entre las superficies. Éste fenómeno es tanto mayor cuanto más perfectas son las superficies. Un caso más o menos común es el del gripaje de un motor por estar mucho tiempo parado (no sólo se arruina por una temperatura muy elevada), ya que al permanecer las superficies del pistón y la camisa durante largo tiempo en contacto y en reposo, pueden llegar a soldarse entre sí.
La fricción no es una propiedad del material, es una respuesta integral del sistema. Las dos leyes básicas de la fricción se han conocido desde hace un buen tiempo:
- la resistencia de fricción es proporcional a la carga
- la fricción es independiente del área de deslizamiento de las superficies.
Consiste en la desaparición de material de la superficie de un cuerpo como consecuencia de la interacción con otro cuerpo. El desgaste es el daño de la superficie por remoción de material de una o ambas superficies sólidas en movimiento relativo. Es un proceso en el cual las capas superficiales de un sólido se rompen o se desprenden de la superficie. Al igual que la fricción, el desgaste no es solamente una propiedad del material, es una respuesta integral del sistema. Los análisis de los sistemas han demostrado que 75% de las fallas mecánicas se deben al desgaste de las superficies en rozamiento.
Se deduce fácilmente que para aumentar la vida útil de un equipo se debe disminuir el desgaste al mínimo posible.
Tenemos cuatro tipos básicos de lubricación y estos se desarrollan a continuación.
Lubricación Hidrodinámica. Parte de la mecánica que estudia el movimiento de los fluidos.
Se caracteriza en superficies concordantes con una lubricación por película fluida. En este tipo de lubricación las películas son gruesas de manera que se previene que las superficies sólidas opuestas entren en contacto. Con frecuencia se la llama la forma ideal de lubricación, porque proporciona baja fricción y alta resistencia al desgaste.
La lubricación de las superficies sólidas se rige por las propiedades físicas del volumen del lubricante, especialmente de la viscosidad; por otra parte, las características de fricción se originan puramente del cortante del lubricante viscoso.
Una presión positiva se desarrolla en una chumacera o en un cojinete de empuje lubricados ambos hidrodinámicamente, porque las superficies del cojinete convergen, y su movimiento relativo y la viscosidad del fluido separan las superficies. La existencia de una presión positiva implica que se soporta la aplicación de una carga normal.
Lubricación Elastohidrodinámica. Este es un tipo de lubricación que desde su descubrimiento por los profesores británicos Dowson Duncan y Higginson Gordon en la década de los años 50’s marcó el verdadero comienzo a la solución de los problemas de desgaste en mecanismos que funcionaban sometidos a condiciones de altas cargas y bajas velocidades y que hasta entonces se manejaban como mecanismos lubricados por película límite ó fluida. La lubricación EHL se presenta en mecanismos en los cuales las rugosidades de las superficies de fricción trabajan siempre entrelazadas y nunca llegan a separarse. En este caso las crestas permanentemente se están deformando elásticamente y el control del desgaste y el consumo de energía depende de la película adherida a las rugosidades.
Unas características de soporte de carga y de resistencia al desgaste mucho más elevadas que las que forma la película límite propiamente dicha. En la lubricación elasto, la lubricación límite es permanente, ó sea que no hay mucha diferencia entre las condiciones de lubricación en el momento de la puesta en marcha del mecanismo y una vez que este alcanza la velocidad nominal de operación.
La definición de la lubricación Elastohidrodinámica se puede explicar así:
Elasto: elasticidad, ó sea que la cresta de la irregularidad en el momento de la interacción con la cresta de la otra superficie se deforma elásticamente sin llegar al punto de fluencia del material;
Hidrodinámica: ya que una vez que ocurre la deformación elástica la película de aceite que queda atrapada entre las rugosidades forma una película hidrodinámica de un tamaño microscópico mucho menor que el que forma una película hidrodinámica propiamente dicha.
En la lubricación hidrodinámica el espesor de la película lubricante puede ser del orden de 5 μm en adelante, mientras que en la elastohidro de 1 μm ó menos. Normalmente esta lubricación esta asociada con superficies no concordantes y con la lubricación por película fluida.
Lubricación Marginal. En la lubricación marginal los sólidos no están separados por el lubricante, los efectos de la película fluida son insignificantes y existe un contacto de las asperezas importante.
El mecanismo de lubricación por contacto se rige por las propiedades físicas y químicas de las películas delgadas de superficie de proporciones moleculares. Las propiedades volumétricas del lubricante tienen menor importancia y el coeficiente de fricción es esencialmente independiente de la viscosidad del fluido. Las propiedades de los sólidos y la película del lubricante en las interfaces comunes determinan las características de la fricción.
El espesor de las películas de superficie varia entre 1 y 10 nm, dependiendo del tamaño molecular.
La Fig. ilustra las condiciones de película fluida en la lubricación marginal.
Las pendientes (C) de la superficie (B) y los espesores (A) de la película se encuentran magnificados por fines didácticos.
Lubricación Mixta. El desgaste y el consumo de energía dependen tanto de las características de la película límite como de la resistencia a la cizalladura de la película fluida y de su estabilidad.
Si las presiones en los elementos de maquinas lubricados resultan ser demasiado altas (alta carga) o las velocidades de operación son demasiado bajas, la película del lubricante se dispersa; existe algún contacto entre asperezas y entonces ocurre este tipo de lubricación.
El comportamiento de la conjunción en un régimen de este tipo se rige por una combinación de efectos marginales y de película fluida.
La interacción parcial ocurre entre una o más capas moleculares de películas de lubricación marginal.
La acción parcial de la lubricación de película fluida se desarrolla en el volumen del espacio entre los sólidos. El espesor promedio de la película en una conjunción de este tipo es menor a una micra pero mayor a 0.01 micras.
Es importante reconocer que la transición de la lubricación hidrodinámica a la mixta no ocurre instantáneamente a medida que la severidad de la carga se incrementa, sino que las presiones dentro del fluido que llena el espacio entre los sólidos opuestos soportan una proporción decreciente de la carga. A medida que ésta se incrementa, la mayor parte la soporta la presión de contacto entre las asperezas de los sólidos. Además el régimen de lubricación para superficies concordantes va directamente de la lubricación hidrodinámica a la mixta.
El deslizamiento entre superficies sólidas se caracteriza generalmente por un alto coeficiente de fricción y un gran desgaste debido a las propiedades específicas de las superficies. La lubricación consiste en la introducción de una capa intermedia de un material ajeno entre las superficies en movimiento.
Estos materiales intermedios se denominan lubricantes y su función es disminuir la fricción y el desgaste.
El término lubricante es muy general, y puede estar en cualquier estado material:
ü Líquido
ü Sólido
ü Semisólido.
Liquido: Todos los tipos de aceites conocidos, como los aceites orgánicos, minerales, y específicos para cada función de lubricación.
Solido: Como el grafito, y de cierta forma las grasas, específicamente las siliconas.
Semisólido: Todas las grasas, bien sea de origen natural o químicamente procesadas.
TRIBOLOGIA EN LOS POLIMEROS.
De los materiales no metálicos, los plásticos son usados para un amplio rango de aplicaciones tribologicas, Tales como cojinetes, engranajes, o como recubrimiento en materiales metálicos es la mayoría de los plásticos son grandes polímeros y en su forma más elemental, un plástico puro es una masa compuesta de un gran número de moléculas.
Los polímeros pueden ser orgánicos o inorgánicos, ya sea que estén constituidas por productos naturales tales como arena u arcilla, o materiales sintéticos en forma de fibras.
Los componentes tribologicas más usados se hacen de polímeros orgánicos que pueden ser divididos en los grupos fundamentales, a saber naturales y sintéticos. Algunos ejemplos son las gomas naturales, la celulosa y almidón, todos son estructuras moleculares complejas.
Ejemplos típicos de polímeros sintéticos los constituyen los adhesivos, las pinturas, las fibras, los plásticos o la goma artificial. Los polímeros han tenido una amplia aplicación en el ámbito de los biomateriales,
Al igual que en los metales, los polímeros son ensayados a nivel de laboratorio; y una de las instalaciones mas empleadas son las maquinas de pindisco. Normalmente el disco se hace de acero inoxidable y el pin tiene forma de cilindro, cono o una semiesfera.
Los materiales poliméricos pueden experimentar fluencia o variación de longitud, debido a ligeras variaciones de la temperatura. Por tanto las mediciones de perdidas en altura pueden introducir errores si la temperatura ambiente fluctúa.
Cuando se midan surcos o arañazos de desgaste, la carga debe ser quitada y permitir que el pin se estabilice y se recupere elásticamente durante unas horas, antes de hacer lectura alguna.
Esto es impracticable, por tanto data técnica no debe emplearse en polímeros con bajo elástico.
La experiencia muestra que la recuperación elástica es despreciables en materiales con un modulo de 20 kg/mm3 o mas, y en estos, las mediciones pueden hacerse sin esperar.
Para el resto de los materiales debe ser empleada la técnica de perdida de peso.
Otro factor a tener en cuenta es el que los polímeros absorben humedad continuamente a temperatura ambiente, y se pueden impregnar de polvo de los alrededores, una forma de subsanar este error, es el mantener una muestra de referencia, se pesa cada vez, y se puede hacer una corrección en la medición.
Es más seguro, no obstante, trabajar en condiciones limpias y cubrir la instalación con un plástico para evitar el polvo de la atmosfera.
Si el contracuerpo es rugoso, las asperezas penetraran el polímero como si fuera un ensayo de abrasión. Esto implicara un alto rango de material removido, aunque con el tiempo el contracuerpo se puede volver mas liso y en tal caso la penetración en el polímero disminuirá y también lo hará el valor del desgaste.
En ocasiones se alisa primero el contracuerpo con en 5% en peso de polvo de alúmina y lubricando con agua, de forma tal que esta arrastre las partículas de desgastes iníciales, hasta que la superficie se estabilice.
Como los componentes polímeros se desgastan mas mientras mayor sea la rugosidad superficial del contracuerpo, es posible establecer una relación entre el valor del desgaste y la calidad superficial.
También es sabido que, en ocasiones, ocurren transferencias de películas del polímero al acero inoxidable, las cuales se acumulas en los bordes de grano de este y enmascaran su verdadera topografía. Este fenómeno tiene lugar preferentemente a velocidad elevadas y baja temperatura ambiente, donde el coeficiente de fricción es alto. Los polímeros son viscoelasticos por naturaleza y esto acentúa el fenómeno.
En ocasiones, lo que constituye un problema, se emplea con resultados positivos pues algunos metales son recubiertos con una película fina polimérica con la que se obtiene muy bajo coeficiente de fricción y disminuye el desgaste en forma significativa.
Para la mayoría de los pares metálicos, el coeficiente de fricción es constante dentro de un rango plástico de carga y velocidad. Pero esto no es así en los plásticos. Esto se debe a que la fricción en los plásticos depende de la cantidad de deformación y de la pérdida de histéresis elástica, (Fenómeno por el que el estado de un material depende de su historia previa. Se manifiesta por el retraso del efecto sobre la causa que lo produce) ya que como se dijo. Los polímeros son viscoelasticos por naturaleza.
POLIMEROS CRISTALINOS. A diferencia de los metales, los polímeros son amorfos (Sin forma regular o bien determinada), y poseen una cantidad limitada de ordenamiento mínimo. Un polímero realmente amorfo tiene una distribución aleatoria de cadenas en su estructura molecular principal y esto es lo que da lugar a la naturaleza viscoelastica de muchos de estos solidaos. Un polímero cristalino muestra considerable ordenamiento tridimensional y presenta una variación dramática en propiedades tales como la densidad, la elasticidad, y las propiedades mecánicas en comparación con la variedad amorfa.
El polietileno, el nylon, el polipropileno, y el poliacetal son polímeros cristalinos típicos.
POLIETILENO. Esta compuesta por una cadena larga de hidrocarburos y sus fuerzas intermoleculares no son fuertes. Sin embargo, al cristalizar estas aumenta debido a su compaticidad que adquiere la estructura.
Es resistente desde punto de vista químico pero no tiene ahora un uso tribológico, aunque su tenacidad lo destaca como un buen material para estos usos, ante la presencia de los rayos ultra violeta se toma extremadamente frágil, tiene tendencia a oxidarse en presencia del aire.
POLIPROPILENO. Tiene algunas propiedades en común con el polietileno, ya que como aquel tiene una constitución de hidrocarburos (derivados del petróleo) en forma lineal, tiene mayor tendencia en la oxidación que el polietileno, pero su temperatura de fusión es mayor, y a temperaturas menores de 0º C se torna muy frágil, y algunos presentan buena resistencia a la abrasión (rozamiento).
FRICCION EN LOS POLIMEROS. En estos materiales el coeficiente de fricción crece con el tiempo, la resistencia a la fricción es pequeña inicialmente, pero se incrementa con el tiempo, de forma tal que pasa a ser una propiedad del material y se asume como constante.
DESGASTE EN POLIMEROS. De los polímeros que han sido expuestos se puede decir que el polietileno de baja densidad se desgaste por mecanismos ligeramente diferentes al resto, generalmente a baja velocidad de deslizamiento, y se produce según modelo de abrasión de los cuerpos debido a las asperezas duras del metal que actúa como contra cuerpo. A altas velocidades se desgasta por des posición de la capa viscosa que se forma debido al calentamiento.
BIOTRIBOLOGIA.
Es la ciencia TRIBOLOGICA que se ocupa de los fenómenos de la FRICCION, LUBRICACION, DESGASTE.
Con interfaces dentro del cuerpo de los seres animales. Un ejemplo típico, es la unión en las caderas de los seres humanos, donde superficies articuladas están bien protegidas de fuerzas de impacto, y eficientemente lubricadas, de forma tal, que el degaste que se experimenta en esas superficies es prácticamente mínimo. Solo hay una tendencia al desgaste en los huesos, y es cuando por la edad, la lubricación deja de ser efectiva. Esta afección hoy en día es solucionada con intervenciones quirúrgicas, empleando prótesis, y los materiales de las prótesis deben TRIBOLOGICAMENTE, ser compatibles.
RESUMEN: Como nueva disciplina científica, la tribología, cuyo concepto fue usado por ves primera por el ministerio de educación de la Gran Bretaña el 19 de Marzo de 1966, y se destaca el carácter multidisciplinario de esta ciencia participando también la física, química, metalurgia, economía, ciencia de los materiales, matemáticas, computación, y otras que se vinculan. El hombre necesita controlar la fricción para minimizar el desgaste y el consumo de energía. Aunque en acciones tan cotidianas como caminar, recoger un objeto, abrir un libro, frenar un vehículo o hacer que el tren pueda desplazarse sobre los rieles, se requiere la existencia de una fricción controlada, y en las cuales la carencia absoluta de ella impediría llevarlas a cabo, el objetivo de la tribología es controlarla para evitar costos innecesarios.
Toda acción de los seres vivos o de la naturaleza se puede considerar un proceso tribológico. Que puede ser positivo o negativo según que evite o reduzca al máximo la fricción o la ocasione.
La fricción, naturaleza de los materiales, rugosidad, desgaste, lubricación, energía y medio ambiente, son elementos inherentes en muchas de las disciplinas de la ingeniería, puede decirse, entonces que la Tribología debería ser objeto de estudio de todas las ingenierías. Por todo esto, la aplicación de los conocimientos de la Tribología deriva en: Ahorro de materias primas, Aumento en la vida útil de las herramientas y la maquinaría, Ahorro de recursos naturales, Ahorro de energía, Protección al medio ambiente y Ahorro económico.
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